JP2015168881A

JP2015168881A - 熱間プレス用鋼板

Info

Publication number: JP2015168881A
Application number: JP2014047243A
Authority: JP
Inventors: 美奈子森本; Minako Morimoto; 中島　清次; Seiji Nakajima; 清次中島; 安藤　聡; Satoshi Ando; 聡安藤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-28

Abstract

【課題】生産性の向上を目的とする搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、液体金属脆性割れを生じない、耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板を提供することを目的とする。
【解決手段】鋼板表面に、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２の第一めっき層と、前記第一めっき層の上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２の第二めっき層とを有する熱間プレス用鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車の足廻り部材や車体構造部材などを熱間プレスで製造するのに適した熱間プレス用鋼板に関する。

従来から、自動車の足廻り部材や車体構造部材などの多くは、所定の強度を有する鋼板をプレス加工して製造されている。近年、地球環境の保全という観点から、自動車車体の軽量化が熱望され、使用する鋼板を高強度化して、その板厚を低減する努力が続けられている。しかし、鋼板の高強度化に伴ってそのプレス加工性が低下するため、鋼板を所望の部材形状に加工することが困難になる場合が多くなっている。

特許文献１には、ダイとパンチからなる金型を用いて加熱された鋼板を加工すると同時に急冷することにより加工の容易化と高強度化の両立を可能にした熱間プレスと呼ばれる加工技術が提案されている。しかし、この熱間プレスでは、熱間プレス前に鋼板を９５０℃前後の高い温度に加熱するため、鋼板表面にはスケール（鉄酸化物）が生成し、そのスケールが熱間プレス時に剥離して、金型を損傷させる、または熱間プレス後の部材表面を損傷させるという問題がある。
また、部材表面に残ったスケールは、外観不良や塗装密着性の低下の原因にもなる。このため、通常は酸洗やショットブラストなどの処理を行って部材表面のスケールは除去される。しかし、これは製造工程を複雑にし、生産性の低下を招く。
さらに、自動車の足廻り部材や車体構造部材などには優れた耐食性も必要とされる。しかし、上述のような工程により製造された熱間プレス部材ではめっき層などの防錆皮膜が設けられていないため、耐食性が甚だ不十分である。

このようなことから、熱間プレス前の加熱時にスケールの生成を抑制するとともに、熱間プレス後の部材の耐食性を向上させることが可能な熱間プレス技術が要望されており、表面にめっき層などの皮膜を設けた鋼板やそれを用いた熱間プレス方法が提案されている。例えば、特許文献２には、ＺｎまたはＺｎベース合金で被覆された鋼板を熱間プレスし、Ｚｎ−Ｆｅベース化合物またはＺｎ−Ｆｅ−Ａｌベース化合物を表面に設けた耐食性に優れる熱間プレス部材の製造方法が開示されている。

また、特許文献３には、Ｎｉを主体とする付着量が０．０１〜５ｇ／ｍ^２の下層めっき層の上層に、付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２のＺｎ−Ｎｉめっき層を施した熱間プレス用鋼板が開示されている。

英国特許第１４９０５３５号公報特許第３６６３１４５号公報特許第４８８３２４０号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法で製造された熱間プレス部材では、融点の低い亜鉛めっき鋼板や亜鉛アルミニウムめっき鋼板を用いるため、熱間プレス成形時にめっき層中の亜鉛が鋼板に侵入して割れを引き起こす、いわゆる液体金属脆性割れが生じる場合がある。

また、近年では、熱間プレスのタクトタイムを短縮することによる生産性の向上が強く求められている。このため、熱間プレスの種々の工程の中で、加熱した鋼板をプレス機まですばやく搬送して、すみやかに熱間プレスを行うこと、すなわち搬送時間の短縮が検討されている。しかしながら、特許文献３に記載の熱間プレス用鋼板を使用する場合、短い搬送時間で熱間プレスを行うと液体金属脆性割れが生じる場合があり、これを回避するためにプレス開始を意図的に遅らせるなど、生産性の制約が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、生産性の向上を目的とする搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、液体金属脆性割れを生じない、耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するための熱間プレス用鋼板について鋭意検討を行った。その結果、めっき層としては、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２のＮｉ−Ｐめっき層と、さらにその上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２とする高融点のＺｎ−Ｎｉめっき層とを有することにより、生産性の向上を目的とする搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、液体金属脆性割れを生じない、耐液体金属脆性に優れた熱間プレス用鋼板の提供が可能であることを見出し、本発明に至った。

本発明の要旨は以下の通りである。
［１］鋼板表面に、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２の第一めっき層と、前記第一めっき層の上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２の第二めっき層とを有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。

本発明の熱間プレス用鋼板を用いることにより、生産性の向上を目的とする搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、液体金属脆性割れが生じることのない、耐液体金属脆性に優れた熱間プレス部材を製造することが可能である。本発明の熱間プレス用鋼板を用いて製造された熱間プレス部材は、耐液体金属脆性に優れており、自動車の足廻り部材や車体構造部材に好適である。

実施例１のハット型成形後の鋼板を示す図である。

１）めっき層
本発明では、生産性の向上を目的とする搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、優れた耐液体金属脆性を確保するために、鋼板表面に、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２の第一めっき層と、第一めっき層の上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２の第二めっき層とを有することを、特徴とする。

搬送時間が短い場合、熱間プレス成形の開始温度が高温となるため、めっき層の凝固が完了していない状態でプレス成形が開始される場合がある。その結果、液体金属脆性割れを生じる場合がある。本発明では、鋼板表面に、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２の第一めっき層を設けることにより、後述する第二めっき層に含有される亜鉛の鋼板への侵入を完全に遮断することができる。したがって、搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、耐液体金属脆性を確実に確保することが可能となる。さらに、第一めっき層は加熱によりめっき層が硬化するため、加工時、第二めっき層からのクラック伝播を抑制することが可能となる。

第一めっき層のＰ含有率を１質量％以上とする理由は、加熱により第一めっき層が硬化するため、加工時に第二めっき層からのクラック伝播を抑制するためである。一方、Ｐの含有量が多くなると、コストが上がるため、Ｐ含有率は２０質量％以下とする。また、第一めっき層の融点を、熱間プレス前の加熱においても溶融することのないようにするため、第一めっき層の融点を１０００℃以上の極めて高温とするためには、Ｐ含有率を１〜９質量％、または、１５〜２０質量％とすることがより好ましい。第一めっき層の片面あたりの付着量は５〜５０ｇ／ｍ^２とする。付着量が５ｇ／ｍ^２未満では、第一めっき層による亜鉛の鋼板への侵入を遮断する効果が認められない。また、付着量が５０ｇ／ｍ^２を超えると効果が飽和するだけでなく、コストが上がる。このため、第一めっき層の片面あたりの付着量は５〜５０ｇ／ｍ^２の範囲とする。第一めっき層による亜鉛の鋼板への侵入を遮断する効果を確実にするためには、付着量を１０ｇ／ｍ^２以上とすることがより好ましい。

本発明では、第一めっき層の上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２の第二めっき層を有する。

第二めっき層のＮｉ含有率を９〜２５質量％とする理由は、第二めっき層の相構造を、耐食性に優れ、融点が８８１℃であるγ相とするためである。めっき層のＮｉ含有率を９〜２５質量％とすることによりＮｉ_２Ｚｎ_１１、ＮｉＺｎ_３、Ｎｉ_５Ｚｎ_２１のいずれかの結晶構造を有する融点が８８１℃と高いγ相が形成されるので、加熱時におけるＺｎＯの生成反応を最小限に抑制することができる。また、熱間プレス完了後にも、めっき層はγ相として残存するため、Ｚｎの犠牲防食効果により優れた耐食性を発揮する。なお、Ｎｉ含有率が９〜２５質量％におけるγ相の形成は、Ｎｉ−Ｚｎ合金の平衡状態図とは必ずしも一致しないが、これは電気めっき法などで行われるめっき層の形成反応が非平衡で進行するためと考えられる。γ相は、Ｎｉ_２Ｚｎ_１１、ＮｉＺｎ_３、Ｎｉ_５Ｚｎ_２１のいずれかの結晶構造を有し、Ｘ線回折法やＴＥＭ（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を用いた電子線回折法により確認することが可能である。

本発明において、第二めっき層の片面あたりの付着量は１０〜９０ｇ／ｍ^２とする。付着量が１０ｇ／ｍ^２未満では熱間プレス部材の耐食性が不十分である。付着量が９０ｇ／ｍ^２を超えるとコストアップを招く。このため、第二めっき層の付着量は１０〜９０ｇ／ｍ^２の範囲とする。

ここで、上記のめっき層の付着量は、湿式分析法により求めることができる。具体的には、例えば、６質量％塩酸水溶液にインヒビターとしてヘキサメチレンテトラミンを１ｇ／ｌ添加した水溶液に付着面積既知のめっき層全体を溶解し、このときの重量減少量からめっき層の付着量を求めればよい。

また、こうしためっき層の形成方法は特に限定されるものではなく、公知の電気めっき法が好適である。また、めっき層の付着量は、通常行われているように、通電時間を調整することにより制御することができる。

２）下地鋼板
９８０ＭＰａ以上の強度を有する熱間プレス部材を得るには、めっき層の下地鋼板として、例えば、質量％で、Ｃ：０．１５〜０．５０％、Ｓｉ：０．０５〜２．００％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：０．１０％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ａｌ：０．１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する熱延鋼板や冷延鋼板を用いることができる。各成分元素の限定理由を、以下に説明する。ここで、成分の含有量を表す「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味する。

Ｃ：０．１５〜０．５０％
Ｃは、鋼の強度を向上させる元素であり、熱間プレス部材のＴＳを９８０ＭＰａ以上にするには、その量を０．１５％以上とする必要がある。一方、Ｃ量が０．５０％を超えると、素材の鋼板のブランキング加工性が著しく低下する。したがって、Ｃ量は０．１５〜０．５０％とする。

Ｓｉ：０．０５〜２．００％
Ｓｉは、Ｃと同様に、鋼の強度を向上させる元素であり、熱間プレス部材のＴＳを９８０ＭＰａ以上にするには、その量を０．０５％以上とする必要がある。一方、Ｓｉ量が２．００％を超えると、熱間圧延時に赤スケールと呼ばれる表面欠陥の発生が著しく増大するとともに、圧延荷重が増大したり、熱延鋼板の延性の劣化を招く。さらに、Ｓｉ量が２．００％を超えると、ＺｎやＡｌを主体としためっき皮膜を鋼板表面に形成するめっき処理を施す際に、めっき処理性に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、Ｓｉ量は０．０５〜２．００％とする。

Ｍｎ：０．５〜３．０％
Ｍｎは、フェライト変態を抑制して焼入れ性を向上させるのに効果的な元素であり、また、Ａｃ_３変態点を低下させるので、熱間プレス前の加熱温度を低下するにも有効な元素である。このような効果の発現のためには、その量を０．５％以上とする必要がある。一方、Ｍｎ量が３．０％を超えると、偏析して素材の鋼板および熱間プレス部材の特性の均一性が低下する。したがって、Ｍｎ量は０．５〜３．０％とする。

Ｐ：０．１０％以下
Ｐ量が０．１０％を超えると、偏析して素材の鋼板および熱間プレス部材の特性の均一性が低下するとともに、靭性も著しく低下する。したがって、Ｐ量は０．１０％以下とする。

Ｓ：０．０５％以下
Ｓ量が０．０５％を超えると、熱間プレス部材の靭性が低下する。したがって、Ｓ量は０．０５％以下とする。

Ａｌ：０．１０％以下
Ａｌ量が０．１０％を超えると、素材の鋼板のブランキング加工性や焼入れ性を低下させる。したがって、Ａｌ量は０．１０％以下とする。

Ｎ：０．０１０％以下
Ｎ量が０．０１０％を超えると、熱間圧延時や熱間プレス前の加熱時にＡｌＮの窒化物が形成され、素材の鋼板のブランキング加工性や焼入れ性が低下する。したがって、Ｎ量は０．０１０％以下とする。

残部はＦｅおよび不可避的不純物である。なお、以下の理由により、Ｃｒ：０．０１〜１．０％、Ｔｉ：０．２０％以下、Ｂ：０．０００５〜０．０８００％のうちから選ばれた少なくとも一種や、Ｓｂ：０．００３〜０．０３０％が、個別にあるいは同時に含有されることが好ましい。

Ｃｒ：０．０１〜１．０％
Ｃｒは、鋼を強化するとともに、焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。こうした効果の発現のためには、Ｃｒ量を０．０１％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｒ量が１．０％を超えると、著しいコスト高を招くため、その上限は１．０％とすることが好ましい。

Ｔｉ：０．２０％以下
Ｔｉは、鋼を強化するとともに、細粒化により靭性を向上させるのに有効な元素である。また、次に述べるＢよりも優先して窒化物を形成して、固溶Ｂによる焼入れ性の向上効果を発揮させるのに有効な元素でもある。しかし、Ｔｉ量が０．２０％を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、熱間プレス部材の靭性が低下するので、その上限は０．２０％とすることが好ましい。

Ｂ：０．０００５〜０．０８００％
Ｂは、熱間プレス時の焼入れ性や熱間プレス後の靭性向上に有効な元素である。こうした効果の発現のためには、Ｂ量を０．０００５％以上とすることが好ましい。一方、Ｂ量が０．０８００％を超えると、熱間圧延時の圧延荷重が極端に増大し、また、熱間圧延後にマルテンサイト相やベイナイト相が生じて鋼板の割れなどが生じるので、その上限は０．０８００％とすることが好ましい。

Ｓｂ：０．００３〜０．０３０％
Ｓｂは、熱間プレス前に鋼板を加熱してから熱間プレスの一連の処理によって鋼板を冷却するまでの間に鋼板表層部に生じる脱炭層を抑制する効果を有する。このような効果の発現のためにはその量を０．００３％以上とする必要がある。一方、Ｓｂ量が０．０３０％を超えると、圧延荷重の増大を招き、生産性を低下させる。したがって、Ｓｂ量は０．００３〜０．０３０％とすることが好ましい。

３）熱間プレス部材の製造方法
上記した本発明の熱間プレス用鋼板を、常法による熱間プレスを施して熱間プレス部材を製造することができる。例えば、熱間プレス用鋼板の板温が８５０〜９５０℃の範囲となるように加熱した後、熱間プレスを行えばよい。熱間プレス前の加熱方法としては、電気炉やガス炉などによる加熱、火炎加熱、通電加熱、高周波加熱、誘導加熱、遠赤外線加熱などを例示できる。

上記のとおり加熱された熱間プレス用鋼板を、ダイとパンチを有する金型にセットし、プレス成形を行い、所望の冷却条件で冷却することにより、熱間プレス部材が製造される。

下地鋼板として、質量％で、Ｃ：０．２３％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：１．２％、Ｐ：０．０１％、Ｓ：０．０１％、Ａｌ：０．０３％、Ｎ：０．００５％、Ｃｒ：０．２％、Ｔｉ：０．０２％、Ｂ：０．００２２％、Ｓｂ：０．００８％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、Ａｃ_３変態点が８２０℃で、板厚１．６ｍｍの冷延鋼板を用いた。この冷延鋼板の表面に、電気めっき法により、第一めっき層および第二めっき層を施して、鋼板Ｎｏ．１〜１９を作製した。

第一めっき層は、１０〜１００ｇ／ＬのＮａＨＰＯ_２・Ｈ_２Ｏ、２４０ｇ／ＬのＮｉＳＯ_４・６Ｈ_２Ｏ、３０ｇ／Ｌのホウ酸、を含有するｐＨ２．２、浴温５０℃のめっき浴中で、電流密度を１〜３０Ａ／ｄｍ^２としてめっきを行った。ＮａＨＰＯ_２・Ｈ_２Ｏの添加量と電流密度を変化させることにより、Ｐ含有率を調整し、通電時間を変化させることによりめっき付着量を調整した。第二めっき層は、１５０〜５００ｇ／ＬのＮｉＳＯ_４・６Ｈ_２Ｏ、１５０〜４００ｇ／ＬのＺｎＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏを含有するｐＨ１．５、浴温５０℃のめっき浴中で、電流密度を５〜１００Ａ／ｄｍ^２としてめっきを行った。ＮｉＳＯ_４・６Ｈ_２ＯとＺｎＳＯ_４・７Ｈ_２Ｏの添加量と電流密度を変化させることにより、Ｎｉ含有率を調整し、通電時間を変化させることによりめっき付着量を調整した。

このようにして作製した鋼板Ｎｏ．１〜１９から１００ｍｍ×２００ｍｍの試験片を採取し、電気炉により表１に示す加熱温度まで鋼板を加熱した。次いで、表１に示す成形開始温度で熱間プレス成形を行った。熱間プレス成形は、半径６ｍｍの肩Ｒ部を有するポンチおよび半径６ｍｍの肩Ｒ部を有するダイからなるハット型金型を用いた。しわ押さえ力を２０ｔｆとし、２００ｍｍ／ｓｅｃの速度で、ハット型成形を行い、図１に示す成形高さ４０ｍｍのハット型部品を作製した。

なお、通常の熱間プレスでは、加熱後の搬送工程における鋼板の冷却速度は概ね２０℃／秒程度であるため、例えば９００℃に加熱した鋼板を１０秒程度の搬送時間でプレス機に搬送した場合、成形開始温度は７００℃程度となる。本実施例では、搬送時間を通常より速い４〜６秒としたため、成形開始温度はいずれも８２０℃以上の高温であった。

作製したハット型部品について、以下の方法により耐液体金属脆性の評価を行った。
耐液体金属脆性：ハット型部品の肩Ｒ部（外面側）より断面観察用のサンプルを採取し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて４００倍の二次電子像を３視野観察し、母材に侵入しているクラックの最大深さを評価した。
◎：最大クラック深さ＝０ｍｍ（発生なし）
○：０ｍｍ＜最大クラック深さ＜０．０１ｍｍ（僅かに発生あり）
×：最大クラック深さ≧０．０１ｍｍ（発生あり）
鋼板Ｎｏ．１〜１９のめっき層の詳細、熱間プレス条件および耐液体金属脆性の評価結果を表１に示す。

本発明の熱間プレス用鋼板Ｎｏ．１〜１４は、成形開始温度が高い熱間プレス条件下、すなわち搬送時間の短い熱間プレス条件下においても、耐液体金属脆性に優れていることがわかる。

Claims

鋼板表面に、１〜２０質量％のＰを含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が５〜５０ｇ／ｍ^２の第一めっき層と、
前記第一めっき層の上層に、９〜２５質量％のＮｉを含有し、残部がＺｎおよび不可避的不純物からなり、片面あたりの付着量が１０〜９０ｇ／ｍ^２の第二めっき層と
を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。