JP3931859B2

JP3931859B2 - 熱間成形用亜鉛系めっき鋼材と熱間成形方法

Info

Publication number: JP3931859B2
Application number: JP2003282894A
Authority: JP
Inventors: 保土岐; 幸宏吉川; 国博福井; 和仁今井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005048254A

Description

本発明は、熱間成形用の亜鉛系めっき鋼材、特に自動車用の足廻り、シャーシ、補強部品などの製造に使用するのに適した熱間プレス用亜鉛系めっき鋼板と熱間成形方法に関する。

近年、自動車の軽量化のため、鋼板の高強度化を図って、使用する鋼板の厚みを減ずる努力が進んでいる。高強度鋼板等の難成形材料をプレス成形する技術として、成形すべき材料を予め加熱して成形する熱間成形 (熱間プレス) 技術が採用されつつある。

さらに、熱間成形用材料として、母材鋼表面の酸化抑制および／またはプレス成形品の耐食性向上を目的として、亜鉛系またはアルミ系めっきで被覆した鋼板を使用することが提案されている。熱間成形に亜鉛系めっき鋼板を用いた例としては、特開2001−353548号公報、特開2003−73774 号公報、特開2003−147499号公報等が挙げられる。

特開2001−353548号公報特開2003−73774 号公報特開2003−147499号公報

亜鉛系めっき鋼板を熱間プレス成形する場合、成形前に通常700 ℃以上の高温に加熱されるため、この加熱中に亜鉛が母材の鋼中に拡散して、合金層および／または固溶相を形成する。このとき、合金層（より詳しくは言えば金属間化合物層）は、比較的脆く、成形時に脱落し易いため、できるだけ実質的にFe−Zn固溶相だけが形成されるのがよい。

また、合金層および／または固溶相が形成されるとき、同時に表面に亜鉛を主体とする酸化皮膜（以下、亜鉛酸化物層ともいう）が形成される。この酸化皮膜は、鋼板が高温状態にある時は、成形中の潤滑を助ける役目を果たすが、冷却後に密着性に劣る場合がある。酸化皮膜の密着性が劣ると、非めっき鋼板を用いたときと同様、酸化皮膜がプレス時に脱落して金型に付着して、生産性を低下させたり、あるいはプレス後の製品に脱落した酸化皮膜が残存して、製品の外観を不良にするという問題がある。また、このような酸化皮膜が残存すると、次工程で塗装する際に、鋼板の塗膜密着性が劣ることになる。

このような熱間成形時の表面酸化の問題に対する対策として、加熱時の雰囲気とプレス加工の全体雰囲気をともに非酸化性雰囲気にすることも理論上有効ではあるが、設備と運転のコストが大幅に高くなる。

このような事情から、亜鉛系めっき鋼板の熱間成形においては、特に成形中の酸化皮膜（亜鉛酸化物層）の剥離を防止するための更なる改善が実用上求められている。

本発明者らは、このような課題を解決する手段について種々の角度から検討した。

まず、各種鋼組成の溶融亜鉛めっき鋼板を熱間成形し、亜鉛酸化物層の密着性が大きく低下する熱間プレス成形品を調査したところ、母材鋼板と亜鉛酸化物層との界面 (即ち、母材鋼板に亜鉛が拡散されて形成されたFe−Zn固溶相と亜鉛酸化物層との界面) にSiが多く濃化していた。鋼中のSiが他の元素より優先酸化し、界面に濃化することで亜鉛酸化物層が剥離し易くなったものと考えられる。このSi濃化を抑制する手段としては、鋼中Si濃度を低減する方法が最も効果的であった。

次に、プレス成形時に形成される亜鉛酸化物層が厚すぎると、剥離が助長されることがわかった。このような亜鉛酸化物層の過度の形成を抑制するには、鋼中Ｐ濃度の低減および／またはTi濃度の増加が、鋼中Si濃度の低減との組み合わせで、著しい効果を発揮することが判明した。

なお、500 ℃前後で行われる溶融亜鉛めっき鋼板の合金化過程では、鋼中Ｐ量の増加によって亜鉛の拡散が遅れたり、Ti濃度の増加によって拡散が促進されるとの報告例 [CAMP-ISIJ vol.３(1990) 663] がある。しかし、熱間成形時の加熱のように、急速に亜鉛の酸化物が形成される700 ℃以上の高温での拡散挙動および鋼中成分の影響については不明であった。

本発明は、質量％で、鋼中のＣ濃度が０．１５〜３．０％、Ｓｉ濃度が０．０２％未満であって、好ましくはＰ濃度が０．０２５％未満および／またはＴｉ濃度が０．０２％以上である鋼板の表面に、付着量がＺｎとして片面あたり３０〜９０ｇ／ｍ^２であり、かつ皮膜中Ａｌ濃度が０．４％以下である亜鉛系めっき皮膜を有する、７００℃以上に加熱してから熱間成形を行う熱間成形用亜鉛系めっき鋼板とその熱間成形方法である。この亜鉛系めっき皮膜は、好ましくはＦｅ含有量８〜１５質量％の合金化溶融亜鉛めっき皮膜である。

本発明によればまた、質量％で鋼中のＣ濃度が０．１５〜０．２３％、Ｓｉ濃度が０．０２％未満あって、かつＰ濃度が０．０２５％未満および／またはＴｉ濃度が０．０２％以上である鋼板の表面に、付着量がＺｎとして片面あたり３０〜９０ｇ／ｍ^２であり、かつ皮膜中Ｆｅ濃度が８〜１５％、皮膜中Ａｌ濃度が０．４％以下である亜鉛系めっき皮膜を有する、７００℃以上に加熱してから熱間成形を行う熱間成形用亜鉛系めっき鋼板とその熱間成形方法もまた提供される。

従来の熱間プレス成形では、成形品表面の酸化皮膜を除去するため、微細な鋼球を高速で成形品表面に投射するショットブラストや、研掃材を含有する液体を高圧で鋼材表面に噴射する液体ホーニング、研削ブラシによる表面研削、サンドペーパー掛けなどによって、表面の酸化皮膜除去が行われてきた。本発明の鋼材を用いて熱間成形を行った場合、形成される酸化皮膜の密着性が良好なため、成形品表面の酸化物の剥離処理工程が簡便になり、場合によっては不要となる。

次に、主に鋼板を対象として、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書において、鋼組成およびめっき組成を規定する「％」は「質量％」である。

１. 鋼組成
1)鋼中Ｃ濃度：0.15％以上、好ましくは3.0 ％以下
熱間成形は、材料を加熱することで軟質化させ、成形しやすくすることが一つの特色であるが、あわせて、プレス金型等で急冷することで鋼を焼入れし、より高強度の成形品を得ることができる。鋼の焼入れ後の強度は主に含有炭素 (Ｃ) 量によってきまるため、求める強度に応じてＣ濃度を設定する。高強度の成形品が必要な場合、Ｃ濃度を0.15％以上とする。ただし、Ｃを過剰に含む場合は、成形品の靱性が低下する恐れがあるため、3.0 ％以下とするのが好ましい。

このように、焼入れを目的としてＣを添加すると、一般に硬くなって常温での成形が難しくなる。このように成形性に難のある材料の場合、前述のように、熱間成形の採用が有利であり、本発明の有用性が増す。換言すると、焼入れによる高強度化が十分に可能なＣ濃度が0.15％以上であっても、熱間成形であれば、支障なく厳しいプレス成形を受けさせることが可能である。

２）鋼中Ｓｉ濃度：０．０２％未満
鋼中のＳｉは、前述したように、熱間成形前の加熱時に、加熱により形成された亜鉛酸化物層と鋼板との界面に濃化して、亜鉛酸化物層の密着性を大幅に低下させる。厳しい熱間成形や急速冷却時の熱膨張差にも耐えられる密着性を確保するために、鋼中Ｓｉ濃度を０．０２％未満に限定する。

3)Ｐ濃度：0.025 ％未満、 Ti 濃度：0.02％以上
亜鉛酸化物層の密着性を低下させるもう一つの要因は、亜鉛酸化物層の厚み増加である。この厚みが必要以上に形成された場合、鋼板との膨張率差により皮膜中に内部応力が発生し、剥離を助長する。熱間成形前の加熱時に必要以上に亜鉛酸化物層の膜厚を増加させないためには、本来のめっき成分であるZnをFe−Zn固溶相として鋼板表層に取り込み、酸化を抑制することが有効である。

この鋼板表層部にZnを取り込み易くするためには、鋼中Si濃度を上記範囲とした上で、鋼中Ｐ濃度を好ましくは0.025 ％以下、更に好ましくは0.020 ％以下とする。同様の理由により、鋼中Ti濃度は好ましくは0.02％以上、更に好ましくは0.03％以上にする。

２. めっき皮膜
1)めっき付着量
本発明の熱間成形用鋼板は、鋼の表面を亜鉛系めっきで被覆した亜鉛系めっき鋼板である。亜鉛系めっきの付着量は、片面あたりZnとして (以下も同じ) 90 g/m²以下であることが好ましい。

亜鉛系めっきの付着量が多すぎると、熱間成形前の加熱時に、めっき皮膜のZnを固溶相として母材鋼板に十分に取り込むことができず、亜鉛酸化物層が過剰に形成されてしまい、密着性が低下する。亜鉛系めっきの付着量の下限は特に制限しないが、薄過ぎるとプレス成形後に所要の耐食性を確保できなくなったり、あるいは加熱の際に鋼板の酸化を抑制するのに必要な亜鉛酸化物層を形成できなくなったりすることから、通常は30 g/m²程度以上とする。加熱温度が高くなるなど、より過酷な加熱の場合、望ましくは40〜80 g/m²の範囲で性能良好となる。

2)めっき組成
亜鉛系めっき皮膜の組成は特に制限がなく、純亜鉛めっき皮膜であっても、Al、Mn、Ni、Cr、Co、Mg、Sn、Pbなどの１または２以上の合金元素をその目的に応じて適正量添加した亜鉛合金めっき皮膜であってもよい。その他、原料等から不可避的に混入することがあるFe、Be、Ｂ、Si、Ｐ、Ｓ、Ti、Ｖ、Ｗ、Mo、Sb、Cd、Nb、Cu、Sr等のうちの１または２以上が含有されることもある。

亜鉛めっきの形成法も特に制限されないが、Znとして30 g/m²以上と比較的大きなめっき付着量とするには、溶融めっき法が有利である。このとき、連続溶融亜鉛めっきラインで製造される溶融亜鉛系めっき鋼板は、通常は界面にFe−Al系合金層が形成されており、これが熱間成形時に亜鉛の母材鋼への拡散の障害となりうる。したがって、このような界面合金層が厚く形成されていない方が好ましい。そのため、めっき皮膜中Al濃度は0.4 ％以下とし、好ましくは0.35％以下とする。一方、めっき時のFe−Zn合金層形成抑制のためめ、めっき皮膜のAl濃度は0.15％以上が好ましい。

界面合金層の形成には、浴温、侵入材温、浸漬時間、浴中Al濃度等が影響するが、一般的に皮膜Al濃度は浴中Al濃度に比較して高くなるため、浴中Al濃度としては、0.08〜0.20％程度が好適範囲である。

また、溶融亜鉛系めっき鋼板の中でも、合金化溶融亜鉛めっき鋼板が、熱間成形後の剥離が格段に少なく、良好である。合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、めっきの融点が高いことと、前述の界面Fe−Al系合金層が存在しないため、亜鉛が母材鋼中に拡散し、固溶相を形成するのに有利である。溶融亜鉛めっき鋼板のような純亜鉛系のめっきでは、めっきの融点が約420 ℃と低いため、亜鉛が蒸発しやすく、また界面に存在するFe−Al層がZnの拡散を阻害するため、亜鉛主体の酸化皮膜が厚く形成されやすい。

なお、合金化溶融亜鉛めっき鋼板のめっき皮膜中のFe濃度は８〜15％の範囲が好ましい。合金化度が低すぎると、表面に融点の低い純亜鉛相が残りやすく、また亜鉛主体の酸化皮膜も厚く形成されやすい。

一方、めっき皮膜中のFe濃度が高いほど (すなわち、めっきの合金化度が高いほど) 、めっき融点が高くなるため、熱間成形時の蒸発防止には有利である。この観点から、好ましいめっき皮膜中のFe濃度は13％以上である。しかし、一般の合金化溶融亜鉛めっき鋼板のFe濃度は、パウダリングの問題から低め (８〜13％) に管理されている。そのため、熱間成形用鋼材のためにFe濃度を高めにしようとすると、合金化溶融亜鉛めっき鋼板の作り分け (合金化熱処理条件の変更) が必要となるので、操業性や製品歩留りに悪影響を及ぼす。

合金化溶融亜鉛めっき鋼板では、めっき浴中のAl濃度が高いと、合金化処理後のめっき皮膜の一部が欠落したようなミクロ凹凸が形成されやすくなる。この場合、熱間成形の際に局所的に十分な亜鉛酸化物層が形成されず、その箇所が起点となって亜鉛酸化物層が剥離しやすくなる。この意味でも、浴中Al濃度は、めっき皮膜中のAl濃度が0.4 ％以下となる低度、好ましくは0.35％以下になるようにする。

３. 熱間成形
本発明の亜鉛系めっき鋼板の熱間成形では、材料を通常 700〜1000℃程度に加熱し、続いてプレス成形を行う。素材鋼板の種類 (組成) あるいは成形品として要求される強度によっては、もう少し低い温度の加熱でよい場合もある。

加熱方法としては、電気炉やガス炉等による加熱、火炎加熱、通電加熱、高周波加熱、誘導加熱等が挙げられる。この時の加熱により材料の焼入れも達成したい場合には、目標とする硬度となる焼入れ温度 (通常、前記の700 〜1000℃程度) に加熱したのち、温度を一定時間保持し、高温のまま、例えば水冷管を通した金型を用いてプレス成形を行い、その際に金型との接触により急冷する。もちろん、プレス金型を加熱しておいて、焼入れ温度あるいは冷却速度を変化させ、熱間プレス後の製品特性を制御してもよい。

鋼材の熱間成形の形態としては、板材のプレス成形が一般的であるが、それ以外にも、曲げ加工、絞り成形、張出し成形、穴拡げ成形、フランジ成形等もある。従って、鋼材の形態は、板材 (鋼板) 以外に、棒材、線材、管材などであってもよい。

本例では、表１に示す組成を有する厚み1.2 mmの冷延鋼板をめっき母材とし、竪型溶融めっきシミュレータを用いて溶融めっきを行った。めっき条件は、浴温460 ℃、浴中Al濃度： 0.1〜0.3 ％、片面あたりのめっき付着量：Znとして25〜100 g/m の範囲内で変更した。一部のものについては、溶融めっきの後、510 ℃で各種の処理時間を変えて合金化処理を行った。

次に、これらの供試材について、大気雰囲気の加熱炉内で950 ℃×５分間の加熱を行った。本例においては、鋼板の温度はほぼ２分で900 ℃に到達していた。加熱炉より取り出し、このまま高温状態で円筒絞りの熱間成形を行った。熱間成形条件は、絞り高さ25 mm 、肩部丸み半径Ｒ５mm、ブランク直径90 mm 、パンチ直径50 mm 、ダイ直径53.5 mm であった。

熱間成形後の上層皮膜の密着状態を、円筒絞り後の側面をテープ剥離し、その剥離状態をテープに付着した剥離片の面積率から、以下のように評価した。

◎：剥離面積率が５％未満、
○：剥離面積率が５％以上、20％未満、
△：剥離面積率が20％以上、30％未満、
×：剥離面積率が30％以上。

あわせて、常温での耐パウダリング性も評価した。耐パウダリング試験としては、予め評価面にテープを貼り付け、先端５mmＲの治具で評価面を内側とする60°曲げ加工を行い、曲げ戻した後、剥離したテープの黒色部の幅を測定し、次のように評価した。

黒色幅が２mm未満は◎、２〜４mmは○、４〜6mm は△、６mm超は×;
これらの試験結果を表２に示す。

表２のうち、 No.1 〜20が溶融亜鉛めっき鋼板 (以下、ＧＩ) 、No. 21〜24が合金化溶融亜鉛めっき鋼板 (以下、ＧＡ) の例である。

まず、ＧＩについては、本発明の範囲内のものは、熱間成形後の皮膜密着性において、剥離面積がいずれも30％未満であった。さらに鋼中のＰ濃度の少ないもの (No.4) 、Tiの多いもの (No.5) では、皮膜密着性がより良好になり、その両者を満たすもの (No.6, 7)はさらに良好であった。一方、鋼中Si量が過剰なもの (No.3) 、めっき付着量が不足あるいは過剰なもの (No.8、14) 、めっき皮膜中のAl量が過剰なもの (No.20)は、皮膜密着性に劣った。

次に、ＧＡを用いた場合、同じ鋼種のＧＩと比較して、格段に皮膜密着性が優れていた。ただし、合金化度が高く (すなわち皮膜中Fe％が高く) なるにつれ、耐パウダリング性が劣る傾向があった。

Claims

質量％で鋼中のＣ濃度が０．１５〜３．０％、Ｓｉ濃度が０．０２％未満であって、かつＰ濃度が０．０２５％未満および／またはＴｉ濃度が０．０２％以上である鋼板の表面に、付着量がＺｎとして片面あたり３０〜９０ｇ／ｍ^２であり、かつ皮膜中Ａｌ濃度が０．４％以下である亜鉛系めっき皮膜を有する、成形に先立って７００℃以上に加熱される熱間成形用亜鉛系めっき鋼板。
前記亜鉛系めっき皮膜が、Ｆｅ含有量８〜１５質量％の合金化溶融亜鉛めっき皮膜である請求項１記載の亜鉛系めっき鋼板。
質量％で鋼中のＣ濃度が０．１５〜０．２３％、Ｓｉ濃度が０．０２％未満あって、かつＰ濃度が０．０２５％未満および／またはＴｉ濃度が０．０２％以上である鋼板の表面に、付着量がＺｎとして片面あたり３０〜９０ｇ／ｍ^２であり、かつ皮膜中Ｆｅ濃度が８〜１５％、皮膜中Ａｌ濃度が０．４％以下である亜鉛系めっき皮膜を有する、成形に先立って７００℃以上に加熱される熱間成形用亜鉛系めっき鋼板。
質量％で鋼中のＣ濃度が０．１５〜３．０％、Ｓｉ濃度が０．０２％未満であって、かつＰ濃度が０．０２５％未満および／またはＴｉ濃度が０．０２％以上である鋼板の表面に、付着量がＺｎとして片面あたり３０〜９０ｇ／ｍ^２であり、かつ皮膜中Ａｌ濃度が０．４％以下である亜鉛系めっき皮膜を有する亜鉛系めっき鋼板を７００℃以上に加熱してから熱間成形を行う、鋼板の熱間成形方法。
前記亜鉛めっき鋼板の前記亜鉛系めっき皮膜が、Ｆｅ含有量８〜１５質量％の合金化溶融亜鉛めっき皮膜である請求項４に記載の鋼板の熱間成形方法。