JP4884606B2

JP4884606B2 - 加熱成形用鋼板の加熱方法

Info

Publication number: JP4884606B2
Application number: JP2001211073A
Authority: JP
Inventors: 毅晴片岡; 宏之石松
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003027203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い機械強度と優れたプレス成形性を両立するための高温プレス成形に使用する加熱成形用鋼板の加熱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護と地球温暖化を防止するため、化石燃料の消費を抑制する動きが強まっており、例えば移動手段として我々の生活に欠かせない自動車においても車体の軽量化が強く求められている。
この軽量化を達成するためには、従来に比べ高い機械強度を有する材料を使用することが必要となるが、一般に高い強度を有する材料は曲げ加工等の成形加工において、形状凍結性が低下する傾向にあり、また複雑な形状のものに対しては成形そのものが困難である。
これらの問題を解決する方法の一つとして、鋼板を８００℃以上の高温に加熱し、プレス加工を行った後冷却するいわゆる高温（ホット）プレスによる方法が有望である。この高温プレスに使用する鋼板は、めっきを行っていない材料を用いた場合、鋼板を８００℃以上の高温に加熱するため、鋼板の表面に酸化物（スケール）が発生し、それを取り除くための工程が必要となる。また、耐食性を必要とする部材等では、表面に防錆処理や金属被覆を施す必要があり、表面清浄化工程、表面処理工程が必要となる。
そこで、これらの欠点を克服するため、特開２０００−３８６４０公報に開示されているように、Ａｌ系の金属のめっき皮膜（層）を施した加熱成形用鋼板が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した加熱成形用鋼板は、目的とする材料強度は得られるものの、プレス加工前の予備加熱条件によっては、めっき層が溶融し、鋼板表面から垂れるので、製品の外観を損ねると共に局所的にめっき層の厚みが薄くなる部分が発生し、十分な耐食性を発揮できないといった問題点があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、加熱時におけるめっき層と鋼板の合金化反応を制御することで、美麗な外観を有し、しかも優れた耐食性を備えた加熱成形用鋼板の加熱方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る加熱成形用鋼板の加熱方法は、９．５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下のＳｉを含有するＡｌ主体の金属のめっきをした鋼板を、めっきに使用した金属の融点以上に加熱して成形加工する加熱成形用鋼板の加熱方法において、
金属の融点より２００℃低い所定温度から金属の融点直下までの温度領域で、めっきした鋼板を５秒以上加熱して、成形加工する際のめっき層の溶融を防止する。このように、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中に、所定の加熱温度及び加熱時間を設定するので、めっき皮膜の表層部へ鋼板成分（Ｆｅ）が拡散するために必要な温度、及び拡散に要する時間を確保することができる。
前記目的に沿う第２の発明に係る加熱成形用鋼板の加熱方法は、９．５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下のＳｉを含有するＡｌ主体の金属のめっきをした鋼板を、めっきに使用した金属の融点以上に加熱して成形加工する加熱成形用鋼板の加熱方法において、
金属の融点より２００℃低い所定温度から金属の融点直下までの温度領域で、めっきした鋼板を５秒以上加熱し、めっきの表層部に、金属の融点より高く、しかも成形加工するためのめっきした鋼板の加熱温度より高い融点を備えた金属間化合物を形成して、成形加工する際のめっき層の溶融を防止する。このように、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中に、所定の加熱温度及び加熱時間を設定することで、めっき皮膜の表層部へ鋼板成分（Ｆｅ）が拡散するために必要な温度、及び拡散に要する時間を確保できるので、このめっき皮膜の表層部に、成形加工するための加熱温度より高い融点を有する金属間化合物を形成することができる。
【０００５】
ここで、第１、第２の発明に係る加熱成形用鋼板の加熱方法において、めっきの皮膜の厚みδμｍと、所定温度から金属の融点直下までの加熱時間ｔ秒とが、ｔ≧δの関係を満たすことが好ましい。このように、めっきした鋼板のそれぞれのめっき皮膜の厚みに応じて所定温度領域での加熱時間を設定するので、めっきに使用した金属への鋼板成分の拡散時間を確保でき、めっき皮膜の表層部に、確実に金属間化合物を形成することができる。
また、第１、第２の発明に係る加熱成形用鋼板の加熱方法において、めっきした鋼板の加熱温度が金属の融点に到達する前までに、めっきの表層部に鋼板の成分であるＦｅを、原子比で２５％以上拡散させることが好ましい。これにより、めっき皮膜の表層部に、Ａｌを主体とする金属より融点が高いＡｌとＦｅの金属間化合物を形成できるので、成形加工するためにめっきした鋼板を加熱しても、金属間化合物の存在によりめっき皮膜の垂れを防止できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る加熱成形用鋼板の加熱方法を使用した温度履歴の説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同加熱成形用鋼板の加熱方法を使用した変形例に係る温度履歴の説明図、他の変形例に係る温度履歴の説明図、図３は実施例における加熱時間とめっき皮膜の厚みとの関係を示す説明図である。
【０００７】
本発明の一実施の形態に係る加熱成形用鋼板の加熱方法は、厚みが例えば１〜２ｍｍ程度で、例えば車の製造に使用するめっきした鋼板を、めっきに使用した金属の融点以上、例えば８００℃〜１０００℃程度に加熱し、プレス加工（成形加工）を行った後冷却するいわゆる高温（ホット）プレスを行う場合に適用する方法で、金属の融点より２００℃低い所定温度から金属の融点直下までの温度領域で、めっきした鋼板を５秒以上加熱する方法である。なお、本実施の形態では、図１に示すように、金属の融点より１００℃低い所定温度から金属の融点直下までの温度領域で、めっきした鋼板を１０秒以上加熱した。このめっきした鋼板は、例えば０．１５＜Ｃ＜０．５、０．５＜Ｍｎ＜３、０．１＜Ｓｉ＜０．５、０．０１＜Ｃｒ＜１、Ｔｉ＜０．２、Ａｌ＜０．１、Ｐ＜０．１、Ｓ＜０．０５、０．０００５＜Ｂ＜０．０８の成分を有し、残部がＦｅと不可避的不純物で構成されている。なお、単位はｗｔ％である。以下、詳しく説明する。
【０００８】
このめっきした鋼板を、前記温度領域で５秒以上加熱することで、めっき皮膜（この実施の形態では、５〜３０μｍ程度の厚み）の表層部に、金属の融点より高く、しかも成形加工するためのめっきした鋼板の加熱温度、即ち成形加工するための加熱時における最高加熱温度より高い融点を備えた金属間化合物を形成する。
めっきに使用する金属としては、Ａｌを主体とする金属として、例えば純Ａｌ、Ａｌ−１０％Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｒ等を、また、Ｓｎを主体とする金属として、例えば純Ｓｎやその合金等を使用できる。
めっきにＡｌを主体とする金属を使用した場合、めっき皮膜の表層部には、めっきした鋼板の加熱温度、即ち鋼板温度が金属の融点に到達する前までに、めっきの表層部に鋼板の成分であるＦｅを、原子比で２５％以上拡散させた融点及び沸点が１０００℃以上の金属間化合物、例えばＦｅＡｌ₃ を形成させる。
そして、めっきにＳｎを主体とする金属を使用した場合、めっき皮膜の表層部には、めっきした鋼板の加熱温度、即ち鋼板温度が金属の融点に到達する前までに、めっきの表層部に鋼板の成分であるＦｅを、原子比で３３．３％以上拡散させた融点及び沸点が１０００℃以上金属間化合物、例えばＦｅＳｎ₂ を形成させる。
【０００９】
なお、めっき皮膜の表層部に例えばＦｅ−Ａｌ系合金を形成するためには、鋼板内部からのＦｅの拡散が必要である。このＦｅの拡散距離は、鋼板温度と加熱時間によって決まるため、めっきした鋼板の鋼板温度（温度領域）を金属の融点より２００℃低い所定温度から金属の融点直下までとし、その加熱時間を５秒以上と設定した。以下、その理由について説明する。
鋼板温度については、成形加工する際のめっき層の溶融防止を、めっきに使用した金属と鋼板成分との合金化反応によって行うため、鉄又はめっきする金属の拡散を行うことが可能な温度が必要である。従って、温度が高ければ高いほど短時間で合金化できるので、鋼板温度がめっきに使用した金属の融点より２００℃低い所定温度未満の場合、めっきに使用した金属と鋼板成分（鉄）との合金化反応（高融点の金属間化合物の形成）が進行しない。
なお、鋼板温度が低くても時間さえかければ合金化は進行するが、実際の生産性を考えると、鋼板温度の下限値をめっきに使用した金属の融点より１５０℃低い温度、更には１００℃低い温度とすることが好ましい。一方、鋼板温度が融点以上の場合、めっきに使用した金属が溶融し、金属間化合物の形成ができない。従って、上限をめっきに使用する金属の融点直下とした。
【００１０】
また、加熱時間については、融点直下のＦｅの拡散速度とめっき皮膜の厚み（＝必要な拡散距離）の関係を考慮すれば、加熱時間が１０秒以上必要である。
このため、加熱時間が５秒未満の場合、めっき皮膜の表層部へ鋼板成分が拡散せず、金属間化合物が形成されない。従って、めっきした鋼板を成形加工するため加熱するとき、めっきした金属が溶融すると共に鋼板表面から垂れ、製品（加熱成形用鋼板）の外観形状悪くなる。また、加熱時間が５秒以上１０秒未満の場合、めっき皮膜の表層部への鋼板成分の拡散が不十分であり、金属間化合物が十分に形成されない。しかし、めっきした鋼板を成形加工するために加熱するとき、めっきした金属の溶融は発生するものの、部分的に金属間化合物が形成されているため、めっきした金属の鋼板表面からの垂れを防止でき、製品の外観形状も良好となる。そして、加熱時間が１０秒以上の場合、前記した理由からめっきした金属の溶融を防止できると共に、鋼板表面からの垂れも防止できるため、製品の外観形状を非常に良好にできる。
上記したことから、めっきした鋼板の前記温度領域での加熱時間は、５秒以上、更には１０秒以上とすることが好ましい。一方、加熱時間の上限値については、めっき皮膜の表層部に金属間化合物が形成されるまで加熱すればよいため、特に限定していないが、生産性、経済性等を考慮すれば、例えば５分程度とすることが好ましい。
【００１１】
加熱時の温度制御は、前記した温度領域で徐々に昇温するように、１０秒以上加熱している。
なお、図２（Ａ）に示すように、前記した温度領域の途中まで、連続的に温度を上昇させた後、一定の温度に保持することや、また図２（Ｂ）に示すように、急速に融点直下まで加熱時の温度を上昇させた後、その後徐冷して前記温度領域で１０秒以上保持することも可能である。
【００１２】
また、めっきした金属の表層部に形成される金属間化合物は、めっきした金属の鋼板への拡散と、鋼板成分のめっき層への拡散によって起こるため、めっき皮膜の厚み（δμｍ）が厚くなればなるほど拡散距離がのびる。この場合、前記温度領域での加熱時間が５秒では、めっきした金属の鋼板表面からの垂れを防止できない場合が発生するが、この拡散距離は、加熱時間（ｔ秒）に対して１次比例なので、ｔ≧ａ×δが成立する。なお、ａは比例定数である。
ここで、めっき皮膜の厚みが、この実施の形態で最も薄い５μｍの場合、前記温度領域内で必要となる加熱時間は５秒である。この場合、ａ＝１なので、めっき皮膜の厚みδμｍと、所定温度からめっき成分の融点直下までの加熱時間ｔ秒とが、ｔ≧δの関係を満たす。しかし、めっき皮膜の厚みが５μｍの場合、更に好ましい条件としては、前記温度領域内で必要となる加熱時間が１０秒である。この場合、ａ＝２なので、ｔ≧２×δ、即ちｔ≧δ／０．５の関係を満たすことがより好ましい。
【００１３】
【実施例】
本発明に係る加熱成形用鋼板の加熱方法を適用し、試験を行った結果について説明する。なお、ここでは、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中に設定する温度領域として、最も好ましい条件、即ち金属の融点より１００℃低い所定温度から金属の融点直下までの領域を使用し試験を行った。
熱間圧延、冷間圧延を経て製造された板厚１．２ｍｍの冷延鋼板（Ｃ：０．２０、Ｓｉ：０．０２、Ｍｎ：０．１６、Ｐ：０．００９、Ｓ：０．０１０、Ａｌ：０．０５、Ｔｉ：０．１２、Ｃｒ：０．００３を有し、残部がＦｅと不可避的不純物からなる）を、無酸化炉−還元炉方式のラインを使用して７００〜８００℃程度で還元−焼鈍を行った後、表１に示すめっき浴に鋼板を浸漬して溶融めっきを行った。なお、鋼板中の各成分の単位はｗｔ％である。
【００１４】
【表１】

【００１５】
鋼板をめっきした後は、ガスワイピングで鋼板に対するめっき付着量を片面当り５〜３０μｍに調整した。このときのめっき組成は、表１中の元素以外に２ｗｔ％のＦｅが含まれていたが、Ｆｅは浴中の機器や鋼板（ストリップ）から供給される不可避のものである。
このＡｌを主体とする金属及びＳｎを主体とする金属でめっきした鋼板を、めっきに使用した金属の融点以上、即ち９５０℃に、交流による直接通電加熱を用いて、表２〜表４に示す加熱パターンで加熱し熱処理した。ここで、加熱時間ｔ秒とめっき皮膜の厚みδμｍとの関係を図示したものを図３に示す。
こうして製造しためっき鋼板について、熱処理後のめっきの溶融状態を評価した。なお、表２及び表３は本発明の実施例であり、表４は比較例である。また、表２〜表４中の金属の溶融とは、金属をめっきした鋼板の表面外観に変化がないもの、即ち良品を○、鋼板にめっきした金属が溶融するが、鋼板表面に金属の垂れ（タレ）が発生しないもの、即ちやや良品を△、鋼板表面に金属の垂れが発生したもの、即ち不良品を×とした。
【００１６】
【表２】

【００１７】
【表３】

【００１８】
【表４】

【００１９】
符号１〜１５は、めっきした金属の融点より１００℃低い温度（融点−１００℃）から融点直下までの温度範囲における鋼板の昇温（加熱）時間を１０秒以上とし、めっき皮膜の膜厚が厚いものについては、メタル（金属）の厚み（δ）、昇温時間（ｔ）がｔ≧δ／０．５を満足したものであり、いずれも良好な外観が得られている。即ち、前記温度範囲での加熱時間が重要であり、この温度範囲の前後の温度域の昇温時間を変更しても、また、最高加熱温度における保持時間を変化させても、良好な外観が得られている。
また、符号１６〜２４は、符号１〜１５よりやや条件が悪い場合、即ち前記温度範囲における鋼板の昇温時間を５秒以上とし、しかもｔ≧δを満足したものである。この場合、鋼板にめっきした金属が溶融するが、鋼板表面に金属の垂れ（タレ）が発生せず、符号１〜１５と比較すると品質は劣るが、品質に問題ない製品を製造できた。
【００２０】
一方、符号２７、２９、及び３２は、いずれも前記温度範囲での加熱時間が５秒未満と短く、鋼板表面でめっきした金属が垂れていた。また、符号２８、３０、及び３３は、いずれも前記温度範囲での加熱時間が５秒以上１０秒未満ではあるが、ｔ≧δの式を満足できておらず、やはり鋼板表面にめっきした金属が垂れていた。そして、符号２５、２６、及び３１は、いずれも前記温度範囲での加熱時間が１０秒以上ではあるが、ｔ≧δの式を満足できておらず、やはり鋼板表面にめっきした金属が垂れていた。
【００２１】
以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、前記実施の形態においては、めっきに使用する金属として、Ａｌ及びＳｎをそれぞれ主体とした金属を使用した場合について説明したが、めっきに使用した金属の融点が、めっきした鋼板を成形加工するための加熱時における最高加熱温度（例えば、８００〜１０００℃程度）以下で、その金属から形成される金属間化合物が成形加工時の加熱温度、即ち前記最高加熱温度より高い融点を備えた金属であれば、適用可能である。
また、前記実施の形態においては、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中における温度の制御方法を３種類説明したが、めっきに使用した金属の融点より２００℃低い所定温度から金属の融点直下までの温度領域で、めっきした鋼板を５秒以上、好ましくは１０秒以上加熱することができれば、その時間中の温度の変遷は特に限定されない。
【００２２】
そして、前記実施の形態においては、Ａｌ及びＳｎをそれぞれ主体とする金属を鋼板にめっきし、めっき皮膜の表層部にＦｅＡｌ₃ 、ＦｅＳｎ₂ の金属間化合物を形成した場合について説明した。しかし、金属間化合物の融点及び沸点が、成形加工するための加熱時における最高加熱温度、例えば８００〜１０００℃程度より高い融点及び沸点を有する他の合金が形成されてもよい。
更に、めっきした金属の加熱手段としては、特に限定されるものではなく、例えば直接通電加熱（直流、交流）、誘導加熱、赤外線加熱、炉（燃焼チューブからの輻射伝熱、燃焼排ガス）等を使用することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１及びこれに従属する請求項３、４記載の加熱成形用鋼板の加熱方法においては、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中に、所定の加熱温度及び加熱時間を設定するので、めっき皮膜の表層部へ鋼板成分が拡散するために必要な温度、及び拡散に要する時間を確保することができる。従って、めっき皮膜の表層部には、めっきに使用した金属より融点が高い金属間化合物が形成されるので、金属の融点以上にめっきした鋼板が加熱されても、めっき皮膜の垂れを防止することが可能となる。
請求項２及びこれに従属する請求項３、４記載の加熱成形用鋼板の加熱方法においては、めっきした鋼板を成形加工するための加熱途中に、所定の加熱温度及び加熱時間を設定することで、めっき皮膜の表層部へ鋼板成分が拡散するために必要な温度、及び拡散に要する時間を確保できるので、このめっき皮膜の表層部に、成形加工するための加熱温度より高い融点を有する金属間化合物を形成することができる。従って、加熱成形用鋼板を高温プレスする際の課題であっためっきに使用した金属の垂れを防止できるので、美麗な外観を有し、しかも優れた耐食性を備えた加熱成形用鋼板を製造できる。また、非めっき鋼板で問題となる高温プレス後のデスケーリング処理が不要なため、作業効率が良好となる。
【００２４】
特に、請求項３記載の加熱成形用鋼板の加熱方法においては、めっきした鋼板のそれぞれのめっき皮膜の厚みに応じて所定温度領域での加熱時間を設定するので、めっきに使用した金属への鋼板成分の拡散時間を確保でき、めっき皮膜の表層部に、確実に金属間化合物を形成することができる。従って、鋼板にめっきするめっきの厚みが変化しても、めっき皮膜の表層部に鋼板成分を確実に拡散させることができるので、美麗な外観を有し、しかも優れた耐食性を備えた加熱成形用鋼板を製造できる。
請求項４記載の加熱成形用鋼板の加熱方法においては、めっき皮膜の表層部に、Ａｌを主体とする金属より融点が高いＡｌとＦｅの金属間化合物を形成できるので、成形加工するためにめっきした鋼板を加熱しても、金属間化合物の存在によりめっき皮膜の垂れを防止できる。従って、めっきした鋼板を成形加工するための加熱時における最高加熱温度より融点が低い、Ａｌを主体とする金属をめっき皮膜として使用した加熱成形用鋼板でも高温プレスができるため、産業上の意義が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る加熱成形用鋼板の加熱方法を使用した温度履歴の説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同加熱成形用鋼板の加熱方法を使用した変形例に係る温度履歴の説明図、他の変形例に係る温度履歴の説明図である。
【図３】実施例における加熱時間とめっき皮膜の厚みとの関係を示す説明図である。

Claims

９．５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下のＳｉを含有するＡｌ主体の金属のめっきをした鋼板を、該めっきに使用した金属の融点以上に加熱して成形加工する加熱成形用鋼板の加熱方法において、
前記金属の融点より２００℃低い所定温度から前記金属の融点直下までの温度領域で、前記めっきした鋼板を５秒以上加熱して、成形加工する際のめっき層の溶融を防止することを特徴とする加熱成形用鋼板の加熱方法。
９．５ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下のＳｉを含有するＡｌ主体の金属のめっきをした鋼板を、該めっきに使用した金属の融点以上に加熱して成形加工する加熱成形用鋼板の加熱方法において、
前記金属の融点より２００℃低い所定温度から前記金属の融点直下までの温度領域で、前記めっきした鋼板を５秒以上加熱し、前記めっきの表層部に、前記金属の融点より高く、しかも前記成形加工するための前記めっきした鋼板の加熱温度より高い融点を備えた金属間化合物を形成して、成形加工する際のめっき層の溶融を防止することを特徴とする加熱成形用鋼板の加熱方法。
請求項１又は２記載の加熱成形用鋼板の加熱方法において、前記めっきの皮膜の厚みδμｍと、前記所定温度から前記金属の融点直下までの加熱時間ｔ秒とが、ｔ≧δの関係を満たすことを特徴とする加熱成形用鋼板の加熱方法。
請求項１又は２記載の加熱成形用鋼板の加熱方法において、前記めっきした鋼板の加熱温度が前記金属の融点に到達する前までに、前記めっきの表層部に前記鋼板の成分であるＦｅを、原子比で２５％以上拡散させたことを特徴とする加熱成形用鋼板の加熱方法。