JP7284430B2 - ホットスタンプ用めっき鋼板 - Google Patents
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Description
(1)
鋼板と、前記鋼板の少なくとも片面に形成されたZn-Niめっき層とを有し、前記Zn-Niめっき層において、Ni濃度が8質量%以上であり、めっき付着量が片面あたり10g/m2以上90g/m2以下であり、平均結晶粒径が50nm以下である、ホットスタンプ用めっき鋼板。
(2)
前記鋼板が、質量%で、
C:0.05%以上0.70%以下、
Mn:0.5%以上11.0%以下、
Si:0.05%以上2.00%以下、
Al:0.001%以上1.500%以下、
P:0.100%以下、
S:0.100%以下、
N:0.010%以下、
O:0.010%以下、
B:0%以上0.0040%以下、
Cr:0%以上2.00%以下、
Ti:0%以上0.300%以下、
Nb:0%以上0.300%以下、
V:0%以上0.300%以下、
Zr:0%以上0.300%以下、
Mo:0%以上2.000%以下、
Cu:0%以上2.000%以下、
Ni:0%以上2.000%以下、
Sb:0%以上0.100%以下、
Ca:0%以上0.0100%以下、
Mg:0%以上0.0100%以下、及び
REM:0%以上0.1000%以下
を含有し、残部が鉄及び不純物からなる、(1)に記載のホットスタンプ用めっき鋼板。
(3)
前記鋼板が、質量%で、
B:0.0005%以上0.0040%以下、
Cr:0.01%以上2.00%以下、
Ti:0.001%以上0.300%以下、
Nb:0.001%以上0.300%以下、
V:0.001%以上0.300%以下、
Zr:0.001%以上0.300%以下、
Mo:0.001%以上2.000%以下、
Cu:0.001%以上2.000%以下、
Ni:0.001%以上2.000%以下、
Sb:0.001%以上0.100%以下、
Ca:0.0001%以上0.0100%以下、
Mg:0.0001%以上0.0100%以下、及び
REM:0.0001%以上0.1000%以下
からなる群より選択される少なくとも一種を含有する、(2)に記載のホットスタンプ用めっき鋼板。
(4)
前記平均結晶粒径が40nm以下である、(1)~(3)のいずれかに記載のホットスタンプ用めっき鋼板。
(5)
前記Zn-Niめっき層中のC濃度が1質量%未満である、(1)~(4)のいずれかに記載のホットスタンプ用めっき鋼板。
本発明に係るホットスタンプ用めっき鋼板は、鋼板と、鋼板の少なくとも片面に形成されたZn-Niめっき層とを有する。好ましくは、Zn-Niめっき層は鋼板の両面に形成される。また、本発明においては、Zn-Niめっき層は鋼板上に形成されていればよく、鋼板とZn-Niめっき層との間に他のめっき層が設けられていてもよい。
本発明における鋼板の成分組成は、鋼板をホットスタンプに使用することができれば特に限定されない。以下では、本発明における鋼板に含まれ得る元素について説明する。なお、成分組成についての各元素の含有量を表す「%」は特に断りがない限り質量%を意味する。
C(炭素)は、鋼板の強度を向上させるのに有効な元素である。自動車用部材には、例えば980MPa以上の高強度が求められる場合がある。強度を十分に確保するためには、C含有量を0.05%以上とすることが好ましい。一方、Cを過度に含有すると鋼板の加工性が低下する場合があるため、C含有量を0.70%以下とすることが好ましい。C含有量の下限は、好ましくは0.10%、より好ましくは0.12%、さらに好ましくは0.15%、最も好ましくは0.20%である。また、C含有量の上限は、好ましくは0.65%、より好ましくは0.60%、さらに好ましくは0.55%、最も好ましくは0.50%である。
Mn(マンガン)は、ホットスタンプの際の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。この効果を確実に得るためには、Mn含有量を0.5%以上とすることが好ましい。一方、Mnを過度に含有すると、Mnが偏析してホットスタンプ後の成形体の強度等が不均一になるおそれがあるため、Mn含有量を11.0%以下とすることが好ましい。Mn含有量の下限は、好ましくは1.0%、より好ましくは2.0%、さらに好ましくは2.5%、さらにより好ましくは3.0%、最も好ましくは3.5%である。Mn含有量の上限は、好ましくは10.0%、より好ましくは9.5%、さらに好ましくは9.0%、さらにより好ましくは8.5%、最も好ましくは8.0%である。
Si(ケイ素)は、鋼板の強度を向上させるのに有効な元素である。強度を十分に確保するためには、Si含有量を0.05%以上とすることが好ましい。一方、Siを過度に含有すると、加工性が低下する場合があるため、Si含有量を2.00%以下とすることが好ましい。Si含有量の下限は、好ましくは0.10%、より好ましくは0.15%、さらに好ましくは0.20%、最も好ましくは0.30%である。Si含有量の上限は、好ましくは1.80%、より好ましくは1.50%、さらに好ましくは1.20%、最も好ましくは1.00%である。
Al(アルミニウム)は、脱酸元素として作用する元素である。脱酸の効果を得るためには、Al含有量を0.001%以上とすることが好ましい。一方、Alを過剰に含有すると加工性が低下するおそれがあるため、Al含有量を1.500%以下とすることが好ましい。Al含有量の下限は、好ましくは0.010%、より好ましくは0.020%、さらに好ましくは0.050%、最も好ましくは0.100%である。Al含有量の上限は、好ましくは1.000%、より好ましくは0.800%、さらに好ましくは0.700%、最も好ましくは0.500%である。
(S:0.100%以下)
(N:0.010%以下)
(O:0.010%以下)
P(リン)、S(硫黄)、N(窒素)及び酸素(O)は不純物であり、少ない方が好ましいため、これらの元素の下限は特に限定されない。ただし、これらの元素の含有量を0%超又は0.001%以上としてもよい。一方、これらの元素を過剰に含有すると、靭性、延性及び/又は加工性が劣化するおそれがあるため、P及びSの上限を0.100%、N及びOの上限を0.010%とすることが好ましい。P及びSの上限は、好ましくは0.080%、より好ましくは0.050%である。N及びOの上限は、好ましくは0.008%、より好ましくは0.005%である。
B(ホウ素)は、ホットスタンプの際の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。B含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、B含有量を0.0005%以上とすることが好ましい。一方、Bを過度に含有すると、鋼板の加工性が低下するおそれがあるため、B含有量を0.0040%以下とすることが好ましい。B含有量の下限は、好ましくは0.0008%、より好ましくは0.0010%、さらに好ましくは0.0015%である。また、B含有量の上限は、好ましくは0.0035%、より好ましくは0.0030%である。
Cr(クロム)は、ホットスタンプの際の焼入れ性を向上させるのに有効な元素である。Cr含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、Cr含有量は0.01%以上とすることが好ましい。Cr含有量は0.10%以上、0.50%以上又は0.70%以上であってもよい。一方、Crを過度に含有すると、鋼材の熱的安定性が低下する場合がある。したがって、Cr含有量は2.00%以下とすることが好ましい。Cr含有量は1.50%以下、1.20%以下又は1.00%以下であってもよい。
(Nb:0%以上0.300%以下)
(V:0%以上0.300%以下)
(Zr:0%以上0.300%以下)
Ti(チタン)、Nb(ニオブ)、V(バナジウム)及びZr(ジルコニウム)は金属組織の微細化を通じ、引張強さを向上させる元素である。これらの元素の含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、Ti、Nb、V及びZr含有量は0.001%以上とすることが好ましく、0.010%以上、0.020%以上又は0.030%以上であってもよい。一方、Ti、Nb、V及びZrを過度に含有すると、効果が飽和するとともに製造コストが上昇する。このため、Ti、Nb、V及びZr含有量は0.300%以下とすることが好ましく、0.150%以下、0.100%以下又は0.060%以下であってもよい。
(Cu:0%以上2.000%以下)
(Ni:0%以上2.000%以下)
Mo(モリブデン)、Cu(銅)及びNi(ニッケル)は、引張強さを高める作用を有する。これらの元素の含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、Mo、Cu及びNi含有量は0.001%以上とすることが好ましく、0.010%以上、0.050%以上又は0.100%以上であってもよい。一方、Mo、Cu及びNiを過度に含有すると、鋼材の熱的安定性が低下する場合がある。したがって、Mo、Cu及びNi含有量は2.000%以下とすることが好ましく、1.500%以下、1.000%以下又は0.800%以下であってもよい。
Sb(アンチモン)は、めっきの濡れ性や密着性を向上させるのに有効な元素である。Sb含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、Sb含有量は0.001%以上とすることが好ましい。Sb含有量は0.005%以上、0.010%以上又は0.020%以下であってもよい。一方、Sbを過度に含有すると、靭性の低下を引き起す場合がある。したがって、Sb含有量は0.100%以下とすることが好ましい。Sb含有量は0.080%以下、0.060%以下又は0.050%以下であってもよい。
(Mg:0%以上0.0100%以下)
(REM:0%以上0.1000%以下)
Ca(カルシウム)、Mg(マグネシウム)及びREM(希土類金属)は、介在物の形状を調整することによりホットスタンプ後の靭性を向上させる元素である。これらの元素の含有量は0%であってもよいが、この効果を確実に得るためには、Ca、Mg及びREM含有量は0.0001%以上とすることが好ましく、0.0010%以上、0.0020%以上又は0.0040%以上であってもよい。一方、Ca、Mg及びREMを過度に含有すると、効果が飽和するとともに製造コストが上昇する。このため、Ca及びMg含有量は0.0100%以下とすることが好ましく、0.0080%以下、0.0060%以下又は0.0050%以下であってもよい。同様に、REM含有量は0.1000%以下とすることが好ましく、0.0800%以下、0.0500%以下0.0100%以下であってもよい。
本発明におけるZn-Niめっき層は、少なくともZn及びNiを含むめっき層であり、他の成分については特に限定されない。例えば、Zn-Niめっき層は、Znを主成分(すなわちZn濃度が50質量%以上)とし、Ni濃度が8質量%以上であるめっき層であればよく、他の成分については特に限定されない。当該めっき層においてZnとNiは、ZnにNiが固溶しているか、ZnとNiによる金属間化合物を形成している。当該めっき層は、如何なるめっき方法で形成されていてもよいが、例えば、電気めっきで形成されていることが好ましい。Zn-Niめっき層は、鋼板の少なくとも片面に形成され、好ましくは鋼板の両面に形成される。当然ながら、ホットスタンプ成形を行うと、下地の鋼板からめっき層へのFe等の拡散やめっき層から下地の鋼板へのZn等の拡散が生じるため、ホットスタンプ後のめっき層の成分組成はホットスタンプの際の加熱条件(加熱温度、保持時間等)に応じて変化する。
本発明におけるZn-Niめっき層において、Ni濃度の下限は8質量%である。Ni濃度を8質量%以上とすることで、ホットスタンプ時の加熱によりZnが鋼板に拡散した後に、Zn-Niめっき層のNi濃度をZn濃度に比べて十分に高くでき、十分に高い融点を有するめっき層を得ることができる。これにより、ホットスタンプの成形時にめっき層が液相とならず、LMEを抑制することができる。Ni濃度が8質量%未満となると、Znが鋼板に拡散しても、めっき層中のZn濃度をNi濃度に比べて十分に低減することができず、したがってめっき層の融点を十分に上げられず、ホットスタンプの成形時にLMEが発生するおそれがある。例えば、Ni濃度の下限は、好ましくは10質量%、より好ましくは12質量%である。
本発明においては、Zn-Niめっき層中のC濃度は1質量%未満であることが好ましい。Zn-Niめっき層中のC濃度を1質量%未満に低減することで、鋼板に対するめっき層の密着性を高めることができる。一方で、C濃度が1質量%を超えると、ホットスタンプの加熱時にめっき層が脆化し、ホットスタンプ後の鋼板においてめっき剥離が生じやすくなる。しがって、めっき層の密着性を高めるという観点からは、C濃度は低いほど好ましく、0.8質量%以下、0.5質量%以下、0.1質量%以下、0.01質量%以下、又は0%であってもよい。例えば、有機添加剤を含まないめっき浴を用いてZn-Niめっき層を形成することにより、当該Zn-Niめっき層中のC濃度を確実に0.1質量%以下又は0.01質量%以下に低減することが可能である。
本発明におけるZn-Niめっき層において、鋼板の片面あたりのめっき付着量の下限は10g/m2である。片面あたりのめっき付着量を10g/m2以上とすることで、ホットスタンプの加熱時の表面スケール形成を十分に防止することができる。片面あたりのめっき付着量が10g/m2未満となると、Zn-Niめっき層の厚さが不十分となり、ホットスタンプの加熱時に表面スケールが形成され、塗装前にショットブラストによるスケール除去が必要になる。鋼板の片面あたりのめっき付着量の下限は、好ましくは16g/m2、より好ましくは20g/m2、さらに好ましくは24g/m2、最も好ましくは30g/m2である。
本発明のZn-Niめっき層において、Zn-Niめっきの平均結晶粒径の上限は50nmである。平均結晶粒径を50nm以下とすることで、ホットスタンプの加熱時にZn-Niめっき層中のZnが動きやすくなることで、Znが鋼板に拡散しやすくなる。なお、この拡散はZnが液相になった場合だけでなく固相であっても起こり得る。Zn-Niめっき層中のZnが鋼板に拡散すると、当該めっき層におけるNi濃度がZn濃度に比べて相対的に高くなり、めっき層の融点が向上する。また、めっき層の平均粒径を50nm以下とすることで、母材鋼板のFeのめっき層への拡散も促進され、めっき層中のFe濃度が上昇することによってもめっき層の融点が上昇する。そのため、ホットスタンプの成形時にめっき層が液相で存在しにくく、LMEの発生を抑制することが可能となる。特に、ホットスタンプが、高温、急速加熱、及び/又は保持時間なしで行われた場合にはよりLMEが発生しやすくなるが、本発明のようにめっきの平均結晶粒径を微細化することで、ホットスタンプの加熱時にZnが鋼板に拡散し、めっき層の融点が向上するため、ホットスタンプの成形時には、めっき層が溶融せず、また、加熱時に拡散したZnは鋼板中のFeと固溶体形成するため、その結果、上記のようなLMEが発生しやすい条件であってもLMEを抑制可能となる。平均結晶粒径が50nm超となると、Znの鋼板への拡散が十分に進まず、めっき層の融点を十分に高くできず、LMEを抑制できなくなるおそれがある。めっきの平均結晶粒径の上限は、好ましくは45nm、より好ましくは40nm、さらに好ましくは35nm、最も好ましくは30nmである。
平均結晶粒径(nm)=Kλ/Bcosθ ・・・(1)
により求められる(式中、K:シェラー定数、λ:Co-Kα線波長(nm)、θはブラッグ角(ラジアン)である)。なお、Kは結晶子の形状によって変化する値であるが、本発明においてはK=0.9とすればよい。
本発明に係るホットスタンプ用めっき鋼板の製造方法の例を以下で説明する。本発明に係るホットスタンプ用めっき鋼板は、鋼板の少なくとも片面、好ましくは両面に、例えば電気めっきによりZn-Niめっき層を形成することで得ることができる。
本発明に係るホットスタンプ用めっき鋼板を製造するのに使用される鋼板の製造方法は特に限定されない。例えば、溶鋼の成分組成を所望の範囲に調整し、熱間圧延し、巻取り、さらに冷間圧延を行うことで鋼板を得ることができる。本発明における鋼板の板厚は、例えば、0.1mm~3.2mmであればよい。
本発明におけるZn-Niめっき層の形成方法は、本発明に係るNi濃度、めっき付着量及び平均結晶粒径が得られれば特に限定されないが、電気めっきにより形成することができる。特に、微細な粒径のZn-Niめっきを得るために、高電流密度で電気めっきを行うことが好ましく、例えば、280A/dm2以上、300A/dm2以上、又は350A/dm2以上で電気めっきを行うことができる。特に、350A/dm2以上で電気めっきを行うと、40nm以下の平均結晶粒径を得ることが可能となる。高電流密度でめっきした場合にめっきの平均結晶粒径が微細化する理由は、析出核の発生速度が、高電流密度化により高くなる過電圧の指数関数に比例して急激に増加するためだと考えられる。なお、比較的低い電流密度(例えば約100A/dm2)では、本発明のように50nm以下のめっき平均結晶粒径を得ることはできない。また、Zn-Niめっき層の形成に用いる浴の組成は、例えば、硫酸ニッケル・6水和物:150~350g/L、硫酸亜鉛・7水和物:10~150g/L、及び硫酸ナトリウム:25~75g/Lであればよい。このような浴組成にすることで、上述したような高電流密度で電気めっきが可能となり、微細な平均結晶粒径を得ることができる。
板厚1.4mmの冷延鋼板を以下のめっき浴組成を有するめっき浴に浸漬し、電気めっきにより当該冷延鋼板上の両面にZn-Niめっき層を形成し、ホットスタンプ用めっき鋼板の試料No.1~10を得た。なお、使用した全ての鋼板は、質量%で、C:0.50%、Mn:3.0%、Si:0.50%、Al:0.100%、P:0.010%、S:0.020%、N:0.003%、O:0.003%、及びB:0.0010%を含有し、残部が鉄及び不純物であった。
めっき浴組成
・硫酸ニッケル・6水和物:250g/L(固定)
・硫酸亜鉛・7水和物:10~150g/L(可変)
・硫酸ナトリウム:50g/L(固定)
・有機添加剤:無し、デキストリン(3g/L)又はジアリルアミン塩酸塩・二酸化硫黄共重合体(分子量5000、3g/L)
平均結晶粒径(nm)=Kλ/Bcosθ ・・・(1)
により平均結晶粒径を計算した(式中、K:シェラー定数=0.9、λ:Co-Kα線波長(nm)、θはブラッグ角(ラジアン)である)。ここで、Co-Kα線波長λ=0.179nm、ブラッグ角θは50.1~50.3°の範囲に認められた回折線の角度とした。各試料の平均結晶粒径を表1に示す。
[耐LME性の評価]
上述のように得られたホットスタンプ用めっき鋼板の試料No.1~10にホットスタンプを行った。ホットスタンプは通電加熱法により各試料を950℃まで昇温し、保持せず、ただちに先端R:3mmのV曲げ金型を用いて成形及び焼入れ(冷却速度:50℃/秒)を行った。得られた各ホットスタンプ成形体のV曲げ部をエポキシ樹脂に埋め込み研磨して断面を光学顕微鏡で観察した。観察はV曲げ頭頂部周辺から無作為に選択した5か所の位置において250倍で行った。5か所の観察において、クラックが全く観察されなかったものを「割れ評価:〇」、1か所でもクラックが観察されたものを「割れ評価:×」とした。
めっき密着性の評価は、上記のV曲げ部にテープを貼り付け、次いで剥離し、剥離したテープに付着しためっき層の面積率で評価した。テープにはニチバン社製のセロテープ(登録商標)CT-18を用い、V曲げ方向に対して垂直方向に貼り付けた。そのテープをゴム栓で強くこすり付けて十分に密着させた後、垂直方向に引きはがした。評価範囲はテープの長手方向はサンプルの中心10mmとし、テープの幅方向は、V曲げ頭頂部を中心とした幅5mmとした。各試料の評価結果を表1に示す。
Claims (4)
- 鋼板と、前記鋼板の少なくとも片面に形成されたZn-Niめっき層とを有し、前記Zn-Niめっき層において、Ni濃度が8質量%以上であり、めっき付着量が片面あたり10g/m2以上90g/m2以下であり、平均結晶粒径が10nm以上50nm以下であり、前記Zn-Niめっき層中のC濃度が0.01質量%未満である、ホットスタンプ用めっき鋼板。
- 前記鋼板が、質量%で、
C:0.05%以上0.70%以下、
Mn:0.5%以上11.0%以下、
Si:0.05%以上2.00%以下、
Al:0.001%以上1.500%以下、
P:0.100%以下、
S:0.100%以下、
N:0.010%以下、
O:0.010%以下、
B:0%以上0.0040%以下、
Cr:0%以上2.00%以下、
Ti:0%以上0.300%以下、
Nb:0%以上0.300%以下、
V:0%以上0.300%以下、
Zr:0%以上0.300%以下、
Mo:0%以上2.000%以下、
Cu:0%以上2.000%以下、
Ni:0%以上2.000%以下、
Sb:0%以上0.100%以下、
Ca:0%以上0.0100%以下、
Mg:0%以上0.0100%以下、及び
REM:0%以上0.1000%以下
を含有し、残部が鉄及び不純物からなる、請求項1に記載のホットスタンプ用めっき鋼板。 - 前記鋼板が、質量%で、
B:0.0005%以上0.0040%以下、
Cr:0.01%以上2.00%以下、
Ti:0.001%以上0.300%以下、
Nb:0.001%以上0.300%以下、
V:0.001%以上0.300%以下、
Zr:0.001%以上0.300%以下、
Mo:0.001%以上2.000%以下、
Cu:0.001%以上2.000%以下、
Ni:0.001%以上2.000%以下、
Sb:0.001%以上0.100%以下、
Ca:0.0001%以上0.0100%以下、
Mg:0.0001%以上0.0100%以下、及び
REM:0.0001%以上0.1000%以下
からなる群より選択される少なくとも一種を含有する、請求項2に記載のホットスタンプ用めっき鋼板。 - 前記平均結晶粒径が40nm以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載のホットスタンプ用めっき鋼板。
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