JP2005240148A - 耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐型かじり、化成処理性の両特性を両立し得る、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板及びその製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する鋼板に対し、平均粒径が３０〜３００μｍの固体粒子を投射することを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板の製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、自動車用鋼板などに好適な耐型かじり性と化成処理性に優れた鋼板及びその製造方法に関するものである。

近年、ＣＯ_２の削減を目的とした、自動車の燃費向上への取り組みとして、自動車車体の軽量化が図られており、車体軽量化のアプローチとして、車体を構成する鋼板の高張力化が進んでいる。高張力鋼板では、素材の強度向上と加工性を両立させる為、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃ等が通常添加されている。このうちＳｉ、Ｍｎは何れも易酸化性元素であり、通常の還元焼鈍雰囲気で、表層に酸化物として濃化しやすい。ここで、表層に濃化したこれらの酸化物は不活性である為、自動車塗装工程の下地処理であるリン酸塩処理工程において、Ｆｅのエッチング反応が均一に生じない。また、条件によっては、リン酸塩結晶が十分に成長できない場合がある。その結果、塗装後の塗料密着性や、腐食環境での膨れなどの課題を生じやすい。

一方、高張力鋼板をプレス成形する場合、軟鋼の場合と比較して、金型との接触部での面圧が高くなる。この結果、プレス成形時の型かじりが生じやすいという課題がある。一般に、面圧を変え、型かじりが生じる限界耐荷重を比較すると、強度レベルの高い鋼板の場合、限界耐荷重が大きい。また、表面に形成される易酸化性成分よりなる酸化物層の存在により、金型と鋼板の直接接触が妨げられ、凝着が生じ難くなるため、高張力鋼板の耐型かじり性は軟鋼に比較して良好である。

化成処理性を向上させるためには、表面の活性度を高めることが有効である。しかし、酸化物層を酸処理やブラシロールなどで除去すると、上記のような高張力鋼板に固有の良好な耐型かじり性が低下する。

従って、高張力鋼板の化成処理性と耐型かじり性の両立は、単純に表面の酸化物層を制御するのみでは困難である。

高張力鋼板の化成処理性を向上させる技術として、公知文献１には、焼鈍条件を制御し、表層のＳｉ酸化物存在状態を最適化させる技術が開示されている。ところが、本技術では、焼鈍条件に制約を与えるのみならず、表層酸化物層が少ない為、耐型かじり性が低下するという欠点がある。

また、特許文献２には、化成処理性、耐型かじり性を両立させる技術として、金属亜鉛層及びその表層にＰ、Ｂ、Ｓｉなどを含む酸化亜鉛主体の極薄皮膜を形成させる技術が開示されている。本技術によれば、表層酸化物の採用により耐型かじり性は向上する。しかし、Ｓｉ、Ｍｎなどの易酸化性物質を含有する高張力鋼板の場合には、表層に形成される酸化物層の影響が消去できず、化成処理性が十分得られないという欠点がある。また、本技術の場合、電解により亜鉛層を形成する必要があるので、改めて電解設備を通過させる必要があり、プロセス上の課題がある。
特開２００３−１１３４４１号公報 特開平１０−１５８８５８号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、耐型かじり、化成処理性の両特性を両立し得る、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の技術は、以下の点に特徴がある。
１）Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する鋼板に対し、平均粒径が３０〜３００μｍの固体粒子を投射することを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板の製造方法。
２）上記１）に記載の製造方法であって、投射距離を７００ｍｍ以内、固体粒子の投射初速度が６０ｍ／ｓ以上、固体粒子の密度が２ｇ／ｃｍ^３以上、投射密度が０．２〜５０ｋｇ／ｍ^２であることを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板の製造方法。

３）上記１）又は２）に記載の製造方法により得られるＳｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する鋼板であって、固体粒子の投射により形成される、ディンプル状の表面凹凸を有し、かつ表層より深さ方向に２０μｍ以内の範囲の硬さが、深さ方向５０μｍ以上の領域の硬さの１．１倍以上であることを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板。

本発明によれば、耐型かじり、化成処理性の両特性を両立し得る、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板及びその製造方法を提供できる。

以下、本発明の高張力鋼板について説明する。
本発明における高張力鋼板は、引張り強度として３４０Ｎ／ｍｍ^２以上のものであり、冷延鋼板、熱延鋼板のいずれでも良い。また、所定の機械特性値を得る為に、鋼中には、Ｃの他にも、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ等が含有されていても良い。この中で、高張力鋼板の所定の機械特性値を得る為に、Ｓｉ、Ｍｎは特にその含有量が多く、両者、あるいはどちらかの一方の元素が、０．１ｍａｓｓ％以上添加される。

通常、鋼板は熱間庄延または冷間圧延した後、焼鈍される。焼鈍はＦｅに対しては還元雰囲気であるが、Ｓｉ、Ｍｎなどは酸化し得る雰囲気であるため、鋼板表面ではこれらの元素が濃化し、酸化物を形成する。表層に形成されるＳｉ、Ｍｎ系酸化物のうち、Ｍｎ酸化物は焼鈍後の硫酸や塩酸による酸洗により比較的容易に除去されるが、Ｓｉ酸化物は残留しやすい。

ところで、表層に残留したＳｉ酸化物は鋼板表面を不活性にする。この結果、自動車用塗装下地として処理される化成処理では、リン酸塩水溶液中で鋼がエッチングされにくく、リン酸塩結晶が繊密に形成し難くなるという問題がある。一方、ブラシロールなどで機械的にこれらの表面酸化物を除去する方法も可能であるが、表層酸化物が除去されると、先に述べたように、耐型かじり性に対し不利となる。

そこで、本発明では、Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する高張力鋼板の化成処理性、耐型かじり性の両特性を両立させる為に、本鋼板に平均粒径が３０〜３００μｍの固体粒子を投射する。以下、本発明について詳細に説明する。
まず、固体粒子の投射により、鋼板表面のＳｉ系酸化物が破壊され、リン酸塩処理液と鉄地との反応性が改善される。さらに、固体粒子の投射により形成される、ディンプル状の表面凹凸の存在により、高面圧下でも凹部にプレス油が保持され、良好な潤滑性が持続する。ここで、「ディンプル状」とは、表面のくぼみの形状が、主として曲面から構成され、例えば球状の物体が表面に衝突して形成されるクレータ状のくぼみが多数形成されている形態である。固体粒子を投射することにより得られる表面では、くぼみ、すなわち凹部のサイズ、分布は投射される鋼板の硬さ、固体粒子の粒子径、密度、初期速度、投射距離、投射密度により決まる。ここで、鋼板の型かじり性に有効なディンプル形状では、油の保持される凹部が密に存在していることが重要である。

一方、適切な条件で固体粒子を投射することにより、表層部が局部的に変形を受ける為、表層のみが硬化する。この結果、高面圧での摺動においても、表面変形が生じにくく、摺動時の工具の掘り起こしによるかじりが生じ難くなる。さらに、真実接触面積が増加しにくいため、油切れによる金型と鋼板の直接接触部が少なくなり、凝着が生じ難く、凝着物の堆積によるかじりも抑制される。

一方、化成処理性を確保する為には、十分なエネルギーで固体粒子が鋼板に投射され、Ｓｉ系酸化物を破壊することが重要である。

以上を鑑み、Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％含有する高張力鋼板において、適度な油保持作用による耐型かじり性、Ｓｉ系酸化物の破壊による化成処理性を両立させるためには、平均粒径が３０〜３００μｍの固体粒子を、投射距離が７００ｍｍ以内で投射することが好ましい。さらに、固体粒子の投射初速度が６０ｍ／ｓ以上、固体粒子の密度が２ｇ／ｃｍ^３以上、投射密度が０．２〜５０ｋｇ／ｍ^２であることがより有効な表面状態を得ることが可能である。

本発明において、固体粒子の平均粒径は、３０μｍ未満であると投射時の粒子の速度低下が大きく、鋼板への衝突時に十分なエネルギーを付与することができない。また粒子径が小さい場合、粒子の搬送や回収などのハンドリング面で困難となる。一方、粒子径が３００μｍを超えると、圧痕が大きくなるうえ、密な凹凸が形成されない。型かじりに対して有効な表面形態としては、密な凹凸を有することが有効であることが判明しており、粗さパラメータでの表示では、以下の範囲となる。

粗さＲａとしては、０．３〜３μｍの平均粗さ（平均粗さＲａとはＪＩＳ Ｂ０６０１に規定される中心線平均粗さである）、ピークカウントＰＰＩとしては、１５０〜６００が好ましい。より好ましいＰＰＩとしては、２００〜４００である。ここで、「ピークカウントＰＰＩ」とは、ＳＡＥ９１１規格で規定されるように、１インチあたりの凹凸のピーク数である。なお、上記ピークカウントＰＰＩは、カウントレベルが±０．６２５μｍにおける値で表される。

さらに、型かじり性に有効な表面硬度としては、表面から深さ方向に２０μｍ以内の範囲での硬度が、ビッカース硬度で１２０Ｈｖ以上であることが好ましい。先に述べたように、摺動時の表層の変形を生じ難くするためには、工具との摺動により影響を受ける、表面粗さレベルと同じ、数μｍ程度の深さ領域の硬さが重要であると考えられる。さらに、掘り起こしなどの現象に耐える為には、より深い位置での硬さも重要である。本発明により得られた、耐型かじり性に優れた鋼板の表面硬さは、深さ方向で２０μｍ以内の領域で硬化していることから、高い硬度を有すべき領域を深さ方向２０μｍ以内と規定した。

なお、通常、鋼種によっても若干硬さが異なるため、表層部の硬さは、表層部以外の部分、即ち深さ方向に５０μｍ以上の範囲で測定される硬さの１．１倍以上であることが必要である。１．１倍未満の場合、耐型かじり性が十分得られない。

この様な硬さは、鋼板の断面を研磨し、位置を変えてマイクロビッカースなどにより硬度測定することにより得られる。

本発明の技術では、さらに、ディンプル形状を有し、かつ上記の粗さパラメータで表現されるような密な凹凸を有する形状を得ることも重要である。この為には、粒子径は３００μｍ以下である必要がある。３０〜３００μｍの粒子径を有する固体粒子を投射させることにより、所定のディンプル形状を得ることが可能である。しかし、さらに表層Ｓｉ酸化物を破壊し、かつ表層を上記の硬さとするためには、固体粒子が鋼板に投射される際に十分なエネルギーを有している必要がある。そこで、本発明サイズの固体粒子の場合、好適な投射距離を検討したところ、７００ｍｍ以下であれば良いことが明らかとなった。７００ｍｍを超えると、鋼板に到達した際の粒子の運動エネルギーが十分でなく、十分に酸化物を破壊できず、表層の硬化も十分でない。

さらに、上記と同じ理由で、固体粒子の投射初速度が６０ｍ／ｓ以上、固体粒子の密度が２ｇ／ｃｍ^３以上とすべきである。投射初速度が６０ｍ／ｓ未満、あるいは固体粒子の密度が２ｇ／ｃｍ^３未満の場合、投射距離を７００ｍｍ以下としても、耐型かじり性に有効な微細凹凸を有するディンプル形状を得られない上に、化成処理性に有効なＳｉ系酸化物の破壊、表層の硬化も十分行われない。

本発明において、固体粒子としては、金属系材料またはセラミックス系材料が好適である。金属系材料としては、例えば鉄系材料である炭素鋼、ステンレス鋼、高速度工具鋼（ハイス）、タングステンカーバイドなどの超硬合金が挙げられる。セラミックス系材料としては、例えばアルミナ、ジルコニアが挙げられる。

固体粒子の初速度上限は特に規定されないが、投射装置の上限で制限される。投射密度は鋼板に投射される面積により決められるが、鋼板のより広い範囲で所定の微細凹凸を有するディンプル形状を得る為には、平均投射密度として０．２〜５０ｋｇ／ｍ^２が好適であり、より好ましくは５〜２５ｋｇ／ｍ^２である。平均投射密度が０．２ｋｇ／ｍ^２未満の場合、表面の加工される面積が少なく、効果が十分得られない。また、平均投射密度が５０ｋｇ／ｍ^２を超えると、鋼板表面に反りや損傷などが生じる。

本発明において、固体粒子の投射装置としては、空気式装置よりも遠心式装置が好ましい。空気式装置では粒子を投射させるノズルが小さい為、広幅の鋼板に投射するためにはノズルを多数配置する必要がある。これに対し、遠心式では広範囲での投射が可能であることに加え、固体粒子に十分な初速度を付与するのに有効である。

本発明における製造方法として、例えば冷間圧延材に適用する場合には、以下のとおりとなる。即ち、鋼板に固体粒子を投射する装置、固体粒子を回収する装置、及び鋼板表面に付着あるいは残留する固体粒子を除去する装置から構成される設備を配し、冷間圧延、焼鈍、調質圧延の後、本発明の処理を施す。ここで、冷間圧延、焼鈍、調質圧延などの条件は特に限定されるものではなく、各工程後に洗浄工程などがあっても良い。さらに焼鈍の後に表面酸化物を除去する酸性水溶液処理などが施されていても良い。

また、本発明の製造方法で得られた鋼板にさらに、コーティング、化学処理、電解処理などにより、亜鉛系めっきあるいは有機系又は、無機系、有機無機複合系の層を付与しても良い。

本発明の対象となる鋼板は、引張強度３４０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは４４０Ｎ／ｍｍ^２以上である。Ｓｉ濃度は０．１ｍａｓｓ％以上が好ましいが、さらに好ましい範囲は、０．２ｍａｓｓ％以上である。また熱間圧延鋼板、冷間圧延鋼板のいずれでも適用が可能である。

（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。
本実施例では、引張強度、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ濃度の異なる、板厚１．２ｍｍの冷間圧延→焼鈍→調質圧延を経た下記表１に示す冷間圧延鋼板Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを用いた。そして、鋼板上に、遠心式投射装置又は空気式投射装置により下記表２に示す条件で固体粒子を投射した。なお、固体粒子の平均粒径は、パックマン・コールター社製のコールターカウンター（商品名：マルチサイザーIIＥ型）により測定した。

投射後の鋼板を用い、以下の評価を行った。なお、比較として、投射を行わない鋼板も同様に評価した。また、実施例中、試料番号９及び１０のサンプルを樹脂埋めした後研磨し、研磨面の硬さを位置を変えてマイクロビッカースにより測定した。結果を、下記表３に示す。

１）型かじり性評価
図１に示す形状を有する工具（ＳＫＤ１１）を、図２に示す平板摺動装置により面圧を変化させ、型かじりの発生する限界面圧を測定した。図１において、符号Ｈは工具１０の高さを、符号Ｌ_１は工具１０の底部の長さを、符号Ｌ_２は工具１０の横幅を示している。工具１０は、図１の状態で図２に取り付けられる。

また、図２の平板摺動装置は、主に、第１のロードセル１１と、摺動テーブル１２と、この摺動テーブル１２に接したローラー１３を有する上下動可能な摺動テーブル支持台１４と、試料台１５と、ツール１６と、第２のロードセル１７と、レール１８とを備えている。試料１９は試料台１５に固定され、該試料台１５は水平移動可能な摺動テーブル１２の上面に固定されている。

前記摺動テーブル支持台１４は摺動テーブル１２の下面に設けられ、摺動テーブル１２を押上げることにより、ツール１６による試料１９への押付荷重Ｎを測定するための前記第１ロードセル１１が前記摺動テーブル支持台１４に取付けられている。前記第２ロードセル１７は、上記押し付け力を作用させた状態で摺動テーブル１４を水平方向へ移動させるための摺動抵抗力Ｆを測定するためのもので、摺動テーブル１４の一方の端部に取付けられている。なお、前記工具１０と材料が重かじりとなり、引抜き力が装置の限界値として設定されている５００ｋｇｆを超える場合を、型かじり発生とした。

２）化成処理性
日本パーカライジング（株）製の化成処理液（商品名：ＰＢ−Ｌ３０８０）を用い、表面調整（日本パーカライジング（株）の商品名：プレパレンＺ）→リン酸塩処理→水洗→乾燥の順で自動車塗装下地用の化成処理を施した。処理時間を１０秒、３０秒とし、通常の処理時間（１２０秒以上）より短い時間で処理を中止し、形成されるリン酸塩皮膜量を重量法により測定した。重量法ではクロム酸水溶液（ＣｒＯ_３２００ｇ／ｌ）に常温で２０分浸漬し、リン酸塩を溶解、溶解前後の重量差を求めた。

上記表２の結果より分かるように、固体粒子を投射しない場合（表２中の比較例：試料番号１，７，９，１１）に比較し、本発明の条件で固体粒子を投射した鋼板（表２中の実施例：試料番号２，３，５，６，８，１０，１２）では、化成処理時の初期リン酸塩皮膜量が多くなっており、初期反応性が向上していることから化成処理性が改善されることが分かる。さらに、限界耐荷重も、固体粒子を投射しない場合（表２中の試料番号１，７，９，１１）に比較し、約１．４〜１．８倍に増加しており、耐型かじり性が向上することがわかる。

また、上記表３より、本実施例における条件で、固体粒子を投射したサンプルの場合、表層より２０μｍ以内の範囲の硬さが、深さ方向に５０μｍ以上の位置での硬さの１．１倍以上であることがわかる。

型かじり性評価をするための工具の斜視図。 限界面圧を測定するための平板摺動装置の説明図。

符号の説明

１０…工具、１１，１７…ロードセル、１２…摺動テーブル、１３…ローラー、１４…摺動テーブル支持台、１５…試料台、１６…ツール、１８…レール、１９…試料。

Claims (3)

1. Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する鋼板に対し、平均粒径が３０〜３００μｍの固体粒子を投射することを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板の製造方法。
2. 投射距離を７００ｍｍ以内、固体粒子の投射初速度が６０ｍ／ｓ以上、固体粒子の密度が２ｇ／ｃｍ^３以上、投射密度が０．２〜５０ｋｇ／ｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載の耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法により得られるＳｉを０．１ｍａｓｓ％以上含有する鋼板であって、固体粒子の投射により形成される、ディンプル状の表面凹凸を有し、かつ表層より深さ方向に２０μｍ以内の範囲の硬さが、深さ方向５０μｍ以上の領域の硬さの１．１倍以上であることを特徴とする、耐型かじり性と化成処理性に優れた高張力鋼板。

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