JP6191420B2 - ホットスタンプ鋼材の製造方法及びホットスタンプ鋼材 - Google Patents
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Description
本実施形態によるホットスタンプ鋼材の製造方法は、準備工程と、めっき層形成工程と、ホットスタンプ工程とを備える。以下、各工程について詳述する。
初めに、鋼板を準備する。鋼板は、次の化学組成を有する。以下、元素に関する「%」は、質量%を意味する。
炭素(C)は、ホットスタンプ後の鋼材の強度を高める。C含有量が低すぎれば、上記効果が得られない。一方、C含有量が高すぎれば、ホットスタンプ後の強度は高くなるが、鋼板の靭性が低下する。すなわち所望の強度と靱性が得られるようC量は調整されればよい。その際に好ましいC含有量は、0.05〜0.4%である。C含有量の好ましい下限は0.10%である。C含有量の好ましい上限は0.35%である。
シリコン(Si)は一般的に鋼の脱酸目的で使用されることが多く、その場合不可避的に含有される。しかしながら、Si含有量が高すぎれば、ホットスタンプにおける加熱中に鋼中のSiが拡散し、鋼板表面に酸化物を形成する。酸化物はりん酸塩処理性を低下し得る。Siはさらに、鋼板のAc3点を上昇させる働きがあり、Ac3点が上昇するとホットスタンプ時の加熱温度が、Znめっきの蒸発温度を超えてしまう。したがって、Si含有量は0.5%以下である。好ましいSi含有量の上限は0.3%である。Si含有量の好ましい下限は、求められる脱酸レベルによるが、0.05%である。
マンガン(Mn)は、焼入れ性を高め、ホットスタンプ後の鋼材の強度を高める。Mn含有量が低すぎれば、その効果が得られない。一方、Mn含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、Mn含有量は0.5〜2.5%である。Mn含有量の好ましい下限は0.6%である。Mn含有量の好ましい上限は2.4%である。
りん(P)は鋼中に含まれる不純物である。Pは粒界に偏析して鋼の靭性を低下し、耐遅れ破壊性を低下する。したがって、P含有量はなるべく低い方が好ましい。P含有量は0.03%以下である。
硫黄(S)は鋼中に含まれる不純物である。Sは硫化物を形成して鋼の靭性を低下し、耐遅れ破壊性を低下する。したがって、S含有量はなるべく低い方が好ましい。S含有量は0.01%以下である。
アルミニウム(Al)は一般的に鋼の脱酸目的で使用されることが多く、その場合不可避的に含有される。Alは鋼を脱酸する。一方、Al含有量が高すぎれば、脱酸は十分となるが、Al含有量が高すぎればさらに、鋼板のAc3点が上昇して、ホットスタンプ時の必要な加熱温度がZnめっきの蒸発温度を超える。したがって、Al含有量は0.1%以下である。Al含有量の好ましい上限は0.05%である。Al含有量の好ましい下限は0.01%である。本明細書におけるAl含有量は、sol.Al(酸可溶Al)の含有量を意味する。
窒素(N)は鋼中に不可避的に含まれる不純物である。Nは窒化物を形成して鋼の靭性を低下する。Nはさらに、Bが含有される場合、Bと結合して固溶B量を減らす。その結果、焼入れ性が低下する。したがって、N含有量はなるべく低い方が好ましい。N含有量は0.01%以下である。
ボロン(B)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Bは鋼の焼入れ性を高め、ホットスタンプ後の鋼材の強度を高める。しかしながら、B含有量が高すぎれば、その効果が飽和する。したがって、B含有量は、0〜0.005%である。B含有量の好ましい下限は0.0001%である。
チタン(Ti)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、TiはNと結合して窒化物を形成する。そのため、BとNとの結合が抑制され、BN形成による焼入れ性の低下を抑制できる。しかしながら、Ti含有量が高すぎれば、上記効果が飽和し、さらに、Ti窒化物が過剰に析出して鋼の靭性が低下する。したがって、Ti含有量は0〜0.1%である。Tiはそのピン止め効果により、ホットスタンプ加熱時のオーステナイト粒径を微細化し、それにより鋼材の靱性等を高める。Ti含有量の好ましい下限は0.01%である。
クロム(Cr)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Crは鋼の焼入れ性を高める。しかしながら、Cr含有量が高すぎれば、Cr炭化物が形成され、ホットスタンプの加熱時に炭化物が溶解しにくくなる。そのためオーステナイト化が進行しにくくなり、焼き入れ性が低下する。したがって、Cr含有量は0〜0.5%である。Cr含有量の好ましい下限は0.1%である。
モリブデン(Mo)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Moは鋼の焼入れ性を高める。しかしながら、Mo含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Mo含有量は0〜0.5%である。Mo含有量の好ましい下限は0.05%である。
ニオブ(Nb)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Nbは炭化物を形成して、ホットスタンプ時に結晶粒を微細化する。細粒化により、鋼の靭性が高まる。しかしながらNb含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。Nb含有量が高すぎればさらに、焼入れ性が低下する。したがって、Nb含有量は0〜0.1%である。Nb含有量の好ましい下限は0.02%である。
ニッケル(Ni)は任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Niは鋼の靭性を高める。Niはさらに、ホットスタンプでの加熱時に、溶融Znに起因した脆化を抑制する。しかしながら、Ni含有量が高すぎれば、上記効果が飽和する。したがって、Ni含有量は0〜1.0%である。Ni含有量の好ましい下限は0.1%である。
上述の鋼板に対して、めっき層を形成する。本実施の形態では、初めに、鋼板に対して亜鉛めっき層を形成する(亜鉛めっき層形成工程)。続いて、亜鉛めっき層上に高融点めっき層を形成する(高融点めっき層形成工程)。
亜鉛めっき層の形成方法は、溶融亜鉛めっき処理であってもよいし、合金化溶融亜鉛めっき処理であってもよいし、電気亜鉛めっき処理であってもよい。
亜鉛めっき層が形成された鋼板に対して、高融点めっき層形成工程を実施する。高融点めっき層は、亜鉛めっき層よりも高い融点を有する。
上述のホットスタンプ用鋼板に対して、急速加熱によるホットスタンプを実施する。初めに、ホットスタンプ用鋼板を、鋼板のAc3点〜950℃の熱処理温度まで急速加熱する。急速加熱はたとえば、通電加熱又は誘導加熱により実施される。平均加熱速度はたとえば、20℃/秒以上である。
以上の方法により製造されたホットスタンプ鋼材は、鋼板である母材と、母材上に形成される固溶体層と、固溶体層上に形成される合金層と、合金層上に形成される酸化物層とを備える。
ホットスタンプ鋼材ではさらに、酸化物層の浮上率は60%以下である。ここで、浮上率は次のとおり定義される。ホットスタンプ鋼材の酸化物層が形成された表面と垂直な断面において、任意の10視野を特定する。各視野の範囲(断面における酸化物層が形成された表面の範囲)は500μmとする。
浮上率=浮遊領域の総数/酸化物層領域の総数(50個)×100 (1)
上述の実施の形態では、ホットスタンプ用鋼板上に亜鉛めっき層を形成し、亜鉛めっき層上にさらに高融点めっき層を形成する。しかしながら、亜鉛めっき層及び高融点めっき層と異なる、他のめっき層を形成してもよい。
[防錆油膜形成工程]
上述の実施の形態はさらに、めっき層形成工程後であってホットスタンプ工程の前に、防錆油膜形成工程を含んでもよい。
上述の製造方法はさらに、防錆油膜形成工程の後であって、ホットスタンプ工程の前に、ブランキング加工工程を実施してもよい。
各試験番号のホットスタンプ鋼材に対して、次の評価試験を実施した。
各ホットスタンプ鋼材は、鋼板上に固溶体層と、合金層と、酸化物層とを有した。そこで、試験番号3〜15、20〜28のホットスタンプ鋼材の固溶体層中のNi濃度及びCo濃度を、次の方法により測定した。上述の試験番号のホットスタンプ鋼材から、固溶体層を含むサンプルを採取した。固溶体層中の任意の5箇所に対してEPMAによる定量分析を実施し、Ni濃度(質量%)又はCo濃度(質量%)を測定した。5箇所のNi濃度又はCo濃度の平均を、その試験番号のNi濃度(質量%)又はCo濃度(質量%)と定義した。各試験番号のNi濃度及びCo濃度を表2に示す。
NaClを200g/リットル、ZnSO4・6H2Oを100g/リットル含有し、空気飽和した電解液浴を準備した。浴の温度は35℃であった。浴中で、0.007A/cm2のアノード電流を、ホットスタンプ鋼材の任意の箇所から採取された3つの試験片に印加して、固溶体層の電位と、母材の電位とを測定した。測定された電位の平均を、固溶体層の電位、母材の電位と定義した。式(2)により、電位差Vd(V)を求めた。
Vd=固溶体層の電位−母材の電位 (2)
得られた電位差Vd(V)を表2に示す。
各試験番号のホットスタンプ鋼材の酸化物層の密着性について、次の評価試験を実施した。
酸化物層の剥離率=酸化物層が剥離した部分の面積/評価領域の面積×100 (3)
各試験番号のホットスタンプ鋼材に対して、日本パーカライジング株式会社製の表面調整処理剤プレパレンX(商品名)を用いて表面調整を室温で20秒実施した。さらに、日本パーカライジング株式会社製のりん酸亜鉛処理液パルボンド3020(商品名)を用いてりん酸塩処理を実施した。処理液の温度は43℃とし、ホットスタンプ鋼材を処理液に120秒間浸漬した。
TR=A1/A0×100 (2)
ここで、A0は視野の全面積(125μm×90μm=11250μm2)である。5視野の透け面積率TR(%)の平均を、その試験番号のホットスタンプ鋼材の透け面積率(%)と定義した。透け面積率が5%未満である場合、りん酸塩処理性に優れると評価した。表2中に評価結果を示す。「りん酸塩処理性」欄の「E」は、透け面積率が5%未満であり、りん酸塩処理性が高いことを示す。「NA」は、透け面積率が5%以上であり、りん酸塩処理性が低いことを示す。
各試験番号のホットスタンプ鋼材の酸化物層の浮上率を上述の方法で求めた。表2に、測定結果を示す。
上述のりん酸塩処理を実施した後、各試験番号のホットスタンプ鋼材に対して、日本ペイント株式会社製のカチオン型電着塗料を電圧160Vのスロープ通電で電着塗装し、さらに、焼き付け温度170℃で20分間焼き付け塗装した。電着塗装後の塗料の膜厚の平均は、いずれの試験番号も10μmであった。
表2を参照して、試験番号6〜19、22〜28の鋼板の化学組成は適切であった。さらに、加熱冷却時間は20秒以内であった。そのため、酸化物層の密着性が高く、りん酸塩処理性も高かった。試験番号20及び21の鋼板の化学組成も適切であり、めっき層は電気亜鉛めっき法により製造された。さらに、加熱冷却時間は20秒以内であった。そのため、試験番号20及び21では、酸化物層の密着性及びりん酸塩処理性が高かった。
11 亜鉛めっき層
12 酸化物層
13 高融点めっき層
123 隙間
Claims (6)
- 質量%で、C:0.05〜0.4%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.1%以下、N:0.01%以下、B:0〜0.005%、Ti:0〜0.1%、Cr:0〜0.5%、Nb:0〜0.1%、Ni:0〜1.0%、及び、Mo:0〜0.5%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する鋼板を準備する工程と、
前記鋼板に対して電気めっき処理又は溶融めっき処理を実施して、前記鋼板上にZnとZnよりも高融点の元素とを含有するめっき層を形成する工程と、
前記めっき層が形成された前記鋼板をAc3点〜950℃の熱処理温度に加熱した後、前記鋼板を前記熱処理温度から780℃以下まで、前記鋼板に応力を付与することなく冷却した後、金型を用いて前記鋼板をプレスしながら焼入れしてホットスタンプ鋼材を成形する工程とを備え、
前記ホットスタンプ鋼材を成形する工程では、めっき層の融点から前記熱処理温度まで前記鋼板を加熱し、さらに、前記熱処理温度から前記鋼板を冷却して780℃に至るまでの時間を20秒以下にし、前記めっき層の融点は、前記めっき層が第1及び第2のめっき層を含む場合には、より融点が低いめっき層の融点である、ホットスタンプ鋼材の製造方法。 - 請求項1に記載のホットスタンプ鋼材の製造方法であって、
前記めっき層は、前記第1及び第2のめっき層を含み、
前記めっき層を形成する工程は、
鋼板上に電気亜鉛めっき層、溶融亜鉛めっき層及び合金化溶融亜鉛めっき層のいずれかである亜鉛めっき層を形成する工程と、
前記亜鉛めっき層上に、前記亜鉛めっき層よりも高い融点を有する高融点めっき層を形成する工程とを含む、ホットスタンプ鋼材の製造方法。 - 請求項2に記載のホットスタンプ鋼材の製造方法であって、
前記高融点めっき層は、Ni、Co及びFeからなる群から選択される1種以上の元素を総量で10質量%以上含有する、ホットスタンプ鋼材の製造方法。 - 請求項3に記載のホットスタンプ鋼材の製造方法であって、
前記高融点めっき層は、Ni及び不純物からなり、
前記高融点めっき層を形成する工程では、前記高融点めっき層の付着量を6g/m2以下にする、ホットスタンプ鋼材の製造方法。 - 請求項1に記載のホットスタンプ鋼材の製造方法であって、
前記めっき層は、亜鉛ニッケル合金めっき層からなる、ホットスタンプ鋼材の製造方法。 - ホットスタンプ鋼材であって、
質量%で、C:0.05〜0.4%、Si:0.5%以下、Mn:0.5〜2.5%、P:0.03%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.1%以下、N:0.01%以下、B:0〜0.005%、Ti:0〜0.1%、Cr:0〜0.5%、Nb:0〜0.1%、Ni:0〜1.0%、及び、Mo:0〜0.5%を含有し、残部がFe及び不純物からなる化学組成を有する母材と、
前記母材上に形成され、Feと、Feに固溶したZnとを含有する固溶体層と、
前記固溶体相上に形成され、Znと、Znよりも高融点の元素とを含有する合金層と、
前記合金層上に形成され、50体積%以上のZnOを含有する酸化物層とを備え、
前記ホットスタンプ鋼材の前記酸化物層が形成された表面と垂直な断面において、前記酸化物層を10μmピッチで複数の酸化物層領域に区分した場合、前記複数の酸化物層領域のうち、少なくとも一部に表面と垂直な方向に1μm以上の隙間が形成されており、前記表面と垂直な方向に1μm以上の隙間が形成された前記酸化物層領域の割合は60%以下である、ホットスタンプ鋼材。
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