JPWO2020111230A1 - アルミめっき鋼板、ホットスタンプ部材及びホットスタンプ部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年11月30日に、日本に出願された特願2018−225421号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献2には、ホットスタンプ用鋼板の表面の組成が規定されており、鋼の表面のAl−Fe合金層表面のAlN量が0.01〜1g/m2であることが記載されている。
特許文献3には、鋼板の表面に、Al−Fe金属間化合物層を有し、更にその表面に酸化膜を有し、鋼板とAl−Fe金属間化合物層との間にAlを有するbcc層がある自動車部材が記載され、ホットスタンプ後のAl−Fe合金層表面の酸化膜厚みが記載されている。この特許文献3では、酸化膜が所定の厚みとなるようアルミめっき鋼板を加熱することにより、表層までAl−Fe合金層を形成させ、かつ、電着塗装後の塗膜欠陥や密着性低下を抑制して、塗装後耐食性を確保することが記載されている。
特許文献2では、Al−Fe合金層表面のAlN量を所定の範囲とすることで、ある程度の塗装後耐食性に改善がみられるが、更なる改善の余地がある。
また、特許文献3に記載のように、Al−Fe合金層の構造や厚みを制御したとしても塗装後耐食性が十分ではない。この原因は、酸化膜と化成処理剤との反応性低下による化成処理剤付着量の減少などによる可能性がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、特にホットスタンプ後において、塗装後耐食性に対する影響の大きな塗料密着性に優れ、塗装後耐食性にも優れる、ホットスタンプ部材への適用が好適な、アルミめっき鋼板を提供することを目的とする。
本発明者らは、めっき直後の粒子吹き付けによるめっき層の金属組織の微細化処理が施されたホットスタンプ前のめっき鋼板のめっき層が、周期表の第2族元素ならびに第4周期dブロック元素からなる群から選択される1種以上を所定量含み、めっき表層部の平均結晶粒径を制御することで、ホットスタンプ後のホットスタンプ部材において、塗料密着性が向上することを見出した。すなわち、上記めっき鋼板をホットスタンプすると、ホットスタンプ部材表面に形成される酸化膜層に周期表の第2族元素または第4周期dブロック元素を所定量含ませることができ、その結果、ホットスタンプ部材において、塗料密着性が向上し、塗装後耐食性が向上することを見出した。ホットスタンプ部材において、塗料密着性が向上する理由としては、ホットスタンプによって表面に形成された周期表の第2族元素または第4周期dブロック元素の酸化物が、水への溶解時にホットスタンプ部材表面上のpHを上昇させることで、上述のようにリン酸亜鉛結晶が析出しやすくなり、塗料密着性が向上すると考えられる。
[1]本発明の一態様に係るアルミめっき鋼板は、鋼板と、前記鋼板の表面に形成されためっき層とを有し、前記めっき層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなり、前記めっき層の厚みtが10〜60μmであり、前記めっき層の最表面から前記厚みtの2/3倍の位置までの厚さ範囲において、平均結晶粒径が、2t/3以下、かつ15μm以下である。
[2]上記[1]に記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層の化学組成が、質量%で、前記A群元素の含有量の合計:0.001〜30.00%、Si:0〜20.0%、Fe:0〜10.0%、残部:Alおよび不純物であってもよい。
[3]上記[1]または[2]に記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層の前記化学組成において、質量%で、Sr含有量、Mg含有量およびCa含有量の合計が0.001%未満であり、前記A群元素の含有量の合計が0.05〜30.00%であってもよい。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板は、GDSを用いて、前記めっき層の前記最表面から前記厚み方向に前記めっき層中の前記A群元素を測定した場合に、前記めっき層の前記最表面から前記厚みtの1/3倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の最大値が、前記厚みtの前記2/3倍の位置から前記厚みtの1倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の平均値の、2.0倍以上であってもよい。
[5]上記[1]〜[4]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板は、前記鋼板の化学組成が、質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.05%以下、S:0.020%以下、Al:0.10%以下、Ti:0.01〜0.10%、B:0.0001〜0.0100%、N:0.010%以下、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Ni:0〜2.00%、Nb:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、Ca:0〜0.10%、残部:Fe及び不純物であってもよい。
[6]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材の製造方法は、上記[1]〜[5]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板を850〜950℃の温度域に加熱し、前記温度域で2分以上保持した後、ホットスタンプを行う。
[7]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材は、上記[1]〜[5]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材であって、表面にBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素と、Alと、酸素とを含む酸化膜層を有する。
本実施形態に係るアルミめっき鋼板は、鋼板と、前記鋼板の表面に形成されためっき層とを有し、前記めっき層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなり、前記めっき層の厚みtが10〜60μmであり、前記めっき層の最表面から前記厚みt(μm)の2/3倍の位置までの範囲において、平均結晶粒径が、2t/3(μm)以下かつ15μm以下である。尚、結晶粒は、3%硝酸アルコール液(ナイタール液)でエッチングし、結晶粒界を現出させることにより確認することができる。
めっき層は、鋼板の表面に形成されている。めっき層は、A群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなるものであって、更にSiが含まれていてもよい。Alの含有量は75%以上とすることが好ましい。Al含有量の上限を特に定める必要はないが、例えば99.999%である。
A群元素は、周期表における第2族元素、第4周期dブロック元素である。本実施形態において、周期表における第2族元素とは、Be、Mg、Ca、Sr、Baであり、第4周期dブロック元素とは、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znである。本実施形態に係るアルミめっき鋼板のめっき層は、これらの元素のうち1種または2種以上を含んでいればよい。
電着塗膜との密着性と、塗装後耐食性とを向上させるため、A群元素はFeを除く、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Znに限定してもよい。また、A群元素のうち、Sr、Mg、Caは0.100%以下の微量でも、電着被膜の密着性と塗装後耐久性を顕著に向上させるので特に好ましい。
好ましいめっき層の化学組成としては、質量%で、A群元素の含有量の合計:0.001〜30.00%、Si:0〜20.0%、Fe:0〜10.0%であり、残部がAlからなる化学組成が例示される。A群元素が含まれていればその効果は得られるが、A群元素の含有量の合計を0.001%以上とすることがよい。電着塗膜の密着性および塗装後耐食性の一層の向上のため、A群元素の含有量の合計の下限を、0.01%、0.03%、0.05%、0.07%又は0.09%と高めるほどより好ましい。前記のとおりSr、Mg、Caは微量でも効果を発揮するため、A群元素の含有量の合計の下限を、Sr、Mg、Caが含まれる場合と、こられが含まれない場合で、A群元素の含有量の合計の下限を異なる値としてもよい。例えば、Sr、Mg、Caの含有量の合計の下限を0.001%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.06%又は0.08%とし、Sr、Mg、Caの含有量の合計の下限がこの値を満たさない場合、A群元素の含有量の合計の下限を0.05%、0.10%、0.15%又は0.20%としてもよい。すなわち、例えばSr、Mg、Caの含有量の合計が0.001%未満である場合、A群元素の含有量の合計は、0.05%〜30.00%としてもよい。
また、A群元素の含有量の合計が30.00%を超えると、めっき浴の合金コスト等が高くなるため好ましくない。自動車部材としての必要な性能と製造コストの両立のため、A群元素の含有量の合計の上限を15.0%、10.0%、5.00%、3.00%、2.00%、1.50%又は1.00%としてもよい。
Si含有量が20.0%を超えると、めっき浴中での合金生成量が増加し、沈殿物を除去する頻度が高くなるので好ましくない。したがって、Si含有量の上限は20.0%とする。必要に応じて、Si含有量の上限を、15.0%、12.0%又は10.0%としてもよい。
Fe含有量の上限は10.0%とする。必要に応じて、Fe含有量の上限を、7.0%、5.0%又4.0%としてもよい。SiおよびFeの含有は必須ではなく、これらの含有量の下限は0%である。必要に応じて、Si含有量およびFe含有量の下限を、それぞれ0.1%としてもよい。
また、めっき層の金属組織には、Al相、Al−Si相、Si相、Al−Fe合金相またはAl−Fe−Si合金相の1以上が含まれてもよい。
めっき層は、鋼板の両面に形成されていてもよいが、片面であってもよい。めっき層の化学組成は、JIS G 3314:2011の附属書JBに記載のオフライン蛍光X線法により、分析することができる。
めっき層の厚みtは10μmから60μmの範囲である。厚みtを10μm以上とすることで、ホットスタンプ部材の耐食性を向上できる。また、厚みを60μm以下とすることで、Al−Fe金属間化合物層が最表層または最表層近くまで形成されるので、ホットスタンプ部材の耐食性が向上する。めっき層の厚みtの下限を13μm、15μm、20μm又は25μmとしてもよく、その上限を55μm、50μm又は45μmとしてもよい。
本実施形態では、GDSを用いてAlの検出強度が最大値の1/20まで低下した位置までをめっき層と判断する。具体的には、GDSで、めっき層の表面から厚み方向に0.1秒間隔で、0.060μm/秒のスパッタリング速度で、1000秒間Alを測定した場合に、検出強度が最大値の1/20となる測定時間をT[秒]とし、Tにスパッタリング速度を乗じることで、めっき層の厚みを求める。ただし、Alの検出強度が最大値の1/20となる点が複数検出された場合には、検出強度が最大値の1/20となった測定時間のうち、最も長い時間をT[秒]とし、Tにスパッタリング速度を乗じることで、めっき層の厚みを求める。
めっき層の最表面から2t/3位置までの平均結晶粒径は、めっき層の厚みをtとした場合、2t/3(μm)以下、かつ15μm以下である。平均結晶粒径を2t/3(μm)以下、かつ15μm以下とすることで、結晶粒界の面積が大きくなり、続いて行われるホットスタンプ加熱時に大気等の雰囲気ガスとの界面積が大きくなる。これにより、りん酸亜鉛結晶の析出量が多くなる。すなわち、いわゆる化成処理性が高められる。また、これにより、化成処理後に電着塗装される電着塗膜の密着性が向上する。電着塗膜の密着性が高まることで、塗装後耐食性が向上する。
ホットスタンプ後には、上述の通り、塗装後耐食性が向上するが、ホットスタンプしない場合でも、平均結晶粒径が2t/3(μm)以下、かつ15μm以下であることで、塗膜との界面積が大きくなることで密着性が高まり、塗装後耐食性が向上する。
アルミめっき鋼板から、めっき層の厚み方向断面が観察面となるように試料を採取する。採取した試料を、3%硝酸アルコール液(ナイタール液)でエッチングすることで結晶粒界を現出させ、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いてめっき層の最表面から鋼板までが含まれるように画像を撮像する。この写真に対し、図1に示すように、めっき層の最表面から厚み方向に長さ2t/3(t=めっき層の厚み(μm))の線分を引いて、粒界との交点の数をnとし、線分長(2t/3)をnで除した値、すなわち、(2t/3n)を平均結晶粒径とする。このような線分を図中(a)、(b)、(c)のように、任意の位置に5μm間隔で3本引き、それぞれの線分の位置で平均結晶粒径を求め、それらを平均値した値を、最表面から厚みtの2/3倍の位置(2t/3位置)までの範囲における、めっき層の平均粒径とする。
nが0の場合は、2t/3nを計算ができないが、観察画像において粒径が2t/3よりも大きい場合であるので、平均結晶粒径は2t/3以下ではないと判断する。
また、交点の数nの算出においては、JIS G0551:2013の付属書C.2.2に記載されるように、線分が3重点と交わる場合、その点ではnを1.5とする。
最表面からt/3位置までの範囲におけるA群元素の検出強度の最大値は、2t/3位置から厚みt位置(めっき層と鋼板との界面との位置にほぼ等しい)までの範囲におけるA群元素の検出強度の平均値の2.0倍以上であることが好ましい。すなわち、A群元素がめっき層の表面に近い位置に濃化していることが好ましい。特に、Sr、MgおよびCaは、酸素との親和性が大きいため、めっき層の表面に近い位置に濃化する傾向が大きく、これらの元素は微量でも、塗装後耐食性が顕著に向上する効果がある。
上記検出強度の比を2.0倍以上とすることで、ホットスタンプ後の部材の表層部におけるA群元素の割合が高くなり、酸化膜層の表面に存在するA群元素の割合も高くなる。そのため、ホットスタンプ部材と化成処理液との界面における化成処理液のpHが上昇する。その結果、化成処理時にりん酸亜鉛結晶の析出量が多くなり、いわゆる化成処理性が高められる。また、これにより、化成処理後に電着塗装される電着塗膜の密着性が向上する。その結果、塗装後耐食性が向上する。
上述のようにアルミめっき層の厚みtを測定した上で、GDSで、めっき層の表面から厚み方向に0.1秒間隔で、0.060μm/秒のスパッタリング速度で、A群元素を測定し、最表面〜t/3位置までの範囲におけるA群元素の検出強度の最大値と、2/3t位置〜t位置までの検出強度の平均値を得る。A群元素が複数含まれている場合、最も検出強度の高い元素で判断する。図2は、本実施形態に係るアルミめっき鋼板について、GDSを用いて、めっき層の最表面から厚み方向にめっき層中のA群元素を測定した結果の一例である。
本実施形態に係るアルミめっき鋼板が備える鋼板は、ホットスタンプ法に好適に利用可能な鋼板であれば特に制限はない。本実施形態に係るホットスタンプ部材に適用可能な鋼板として例えば、化学成分が、質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.05%以下、S:0.020%以下、Al:0.10%以下、Ti:0.01〜0.10%、B:0.0001〜0.0100%、N:0.010%以下、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%を含有し、残部がFe及び不純物からなる鋼板を例示できる。鋼板の形態としては例えば熱延鋼板や冷延鋼板などの鋼板を例示できる。以下、鋼板が含む各成分の好ましい範囲について説明する。
Cは、目的とする機械的強度を確保するために含有される。C含有量が0.1%未満の場合には、十分な機械的強度の向上が得られず、Cを含有する効果が乏しくなる。
一方、C含有量が0.4%を超える場合には、鋼板の強度を更に硬化向上させることができるものの、伸び、絞りが低下しやすくなる。
従って、C含有量は、質量%で0.1%以上0.4%以下の範囲であることが望ましい。
Siは、鋼の機械的強度を向上させる強度向上元素の一つであり、Cと同様に目的とする機械的強度を確保するために含有される。Si含有量が0.01%未満の場合には、強度向上効果を発揮しにくく、十分な機械的強度の向上が得られない。
一方、Siは、易酸化性元素でもある。そのためSi含有量が0.60%を超える場合には、鋼板表層に形成したSi酸化物の影響により、溶融Alめっきを行う際に、濡れ性が低下し、不めっきが生じる恐れがある。
従って、Si含有量は、質量%で0.01%以上、0.60%以下の範囲であることが望ましい。
Mnは、鋼を強化させる強化元素の1つであり、焼入れ性を高める元素の1つでもある。更にMnは、不純物の1つであるSによる熱間脆性を防止するのにも有効である。Mn含有量が0.50%未満の場合には、これらの効果が得られない。そのため、Mn含有量を、0.50%以上とする。
一方、Mnはオーステナイト形成促進元素であるため、Mn含有量が3.00%を超える場合には、残留オーステナイト相が多くなり過ぎて強度が低下する恐れがある。
従って、Mn含有量は、質量%で0.50%以上、3.00%以下の範囲であることが望ましい。
Pは、鋼中に含まれる不純物である。鋼板に含まれるPは、鋼板の結晶粒界に偏析してホットスタンプされた成形体の母材の靭性を低下させ、鋼板の耐遅れ破壊性を低下させる場合がある。従って、鋼板のPの含有量は0.05%以下が好ましく、Pの含有量はできる限り少なくすることが好ましい。P含有量はで0%でもよい。
Sは、鋼中に含まれる不純物である。鋼板に含まれるSは硫化物を形成して鋼板の靭性を低下させ、鋼板の耐遅れ破壊性を低下させる場合がある。従って、鋼板のS含有量は0.020%以下が好ましく、鋼板のS含有量はできる限り少なくすることが好ましい。S含有量はで0%でもよい。
Alは、一般に鋼の脱酸目的で使用される。しかしながら、Al含有量が多い場合、鋼板のAc3点が上昇する。鋼板のAc3点が上昇すると、ホットスタンプの際に鋼の焼入れ性確保に必要な加熱温度を上昇させる必要があり、ホットスタンプ製造上は望ましくない。従って、鋼板のAl含有量は0.10%以下が好ましい。より好ましくは0.05%以下、さらに好ましくは0.01%以下である。
Tiは、鋼の強度を向上させる効果を有する元素の1つである。また、Tiは耐酸化性を向上させる効果を有する元素でもある。Ti含有量が0.01%未満の場合には、強度向上効果や耐酸化性向上効果が得られず、0.01%以上でこれらの効果が発揮される。
一方、Tiは、過剰に含有されると、例えば、炭化物や窒化物を形成して、鋼を軟質化させる恐れがある。特に、Ti含有量が0.10%を超える場合には、目的とする機械的強度を得られない可能性が高い。
従って、Ti含有量は、質量%で0.01%以上、0.10%以下の範囲であることが望ましい。
Bは、焼入れ時に作用して鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。B含有量が0.0001%未満の場合には、このような強度向上効果が低い。
一方、B含有量が0.0100%を超える場合には、介在物が形成されて鋼板が脆化し、疲労強度が低下する恐れがある。
従って、B含有量は、質量%で0.0001%以上、0.0100%以下の範囲であることが望ましい。
Nは、鋼中に含まれる不純物である。鋼板に含まれるNは、窒化物を形成して鋼板の靭性を低下させる場合がある。さらに、鋼板に含まれるNは、鋼板中にBが含有される場合、Bと結合して固溶B量を減らし、Bの焼入れ性向上効果を低下させる場合がある。従って、鋼板のN含有量は0.010%以下が好ましく、鋼板のN含有量はできる限り少なくすることがより好ましい。N含有量はで0%でもよい。
Mo:0〜1.00%
鋼板の焼入れ性を向上させるため、Cr、Moのいずれか一方または両方を含有させてもよい。その効果を得る場合には、いずれも含有量を0.01%以上とすることが好ましい。一方、含有量を1.00%以上としてもその効果は飽和する上、コストが上昇する。そのため、含有量を1.00%以下とすることが好ましい。
Ni:0〜2.00%
CuおよびNiは、ホットスタンプ部材(ホットスタンプ後の鋼板)の強度を高める作用を有する。したがって、必要に応じて含有させてもよい。
上記の効果を得たい場合には、CuまたはNiをそれぞれ0.01%以上含有させることが好ましい。
一方で、Cu含有量が1.00%、Ni含有量が2.00%を超えてもその効果は飽和する上、コストが上昇する。そのため、Cu含有量を1.00%以下、Ni含有量を2.00%以下とすることが好ましい。
Nbは金属組織の微細化を通じ、ホットスタンプ部材の強度を上昇させる作用を有する元素である。この効果を得るために、必要に応じて含有させてもよい。
上記の効果を得たい場合には、Nb含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
一方で、Nb含有量が1.00%を超えてもその効果は飽和する上、コストが上昇する。そのため、Nb含有量を1.00%以下とすることが好ましい。
Snは腐食環境において鋼の耐食性を向上させる元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Sn含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
しかしながら、Sn含有量が1.00%を超えると粒界強度が低下し、靭性が低下する。したがって、含有させる場合のSn含有量は1.00%以下とすることが好ましい。
Caは、介在物の形状を調整することによりホットスタンプ部材の靭性を向上させる作用を有する元素である。そのため、必要に応じて含有させてもよい。上記の効果を得たい場合には、Ca含有量を、0.01%以上含有させることが好ましい。
一方Ca含有量が0.10%超である場合、上記効果が飽和するだけでなく過剰なコストが発生する。したがって、含有させる場合でも、Ca含有量は0.10%以下とすることが好ましい。
上記のアルミめっき鋼板に、ホットスタンプ法による加熱・焼入れを行うことにより、ホットスタンプ部材とすることができる。アルミめっき鋼板が、上記した好ましい化学組成からなる場合、ホットスタンプによって、約1000MPa以上の引張強度を有するホットスタンプ部材とすることができる。
また、ホットスタンプ法においては、高温で軟化した状態でプレス加工を行うことができるので、容易に成形することができる。
上述したアルミめっき鋼板では、ホットスタンプの加熱時に、鋼板と大気等の雰囲気ガスとの界面の面積(界面積)が大きくなる。A群元素は雰囲気ガスとの親和性が高いため、表層に濃化するA群元素の量が増加し、酸化膜層の最表面におけるA群元素の割合が高くなる。図3は、本実施形態に係るアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られたホットスタンプ部材において、GDSを用いて、酸化膜層の最表面から厚み方向にA群元素を測定した結果の一例である。
ホットスタンプ工程において、アルミめっき鋼板がめっき層の融点以上に加熱されることでめっき層(Alめっき層)が溶融し、同時に鋼板とAlめっき層との間でFeとAlとが相互拡散し、Alめっき層中のAl相がAl−Fe合金相へと変化することで、Al−Fe金属間化合物層が形成される。Alめっき層中にSiが含まれていた場合は、Alめっき層中のAl相がAl−Fe−Si合金相にも変化する。Al−Fe合金相及びAl−Fe−Si合金相の融点は1150℃程度であり、一般的なホットスタンプ工程の加熱温度の上限よりも高いので、合金相が形成されることでこれらが鋼板表面に析出してAl−Fe金属間化合物層を形成する。Al−Fe合金相及びAl−Fe−Si合金相は複数種類あり、高温加熱や長時間加熱を行うと、よりFe濃度の高い合金相へと変化していく。また、Al−Fe金属間化合物層にA群元素が含まれる場合、A群元素は、金属間化合物、固溶体など種々の形態で存在し得る。
本実施形態に係るアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材の表面側(ホットスタンプ前のアルミめっき鋼板のめっき層の表層部(鋼板と反対側)に相当する部分)には、ホットスタンプ部材の最表面層として、酸化膜層が形成される。この酸化膜層は、ホットスタンプ部材を製造する際のホットスタンプの加熱過程で、アルミめっき鋼板のめっき層の表層が酸化されて生成される。酸化膜層は、A群元素と、Alと、酸素と、不純物とからなる。酸化膜層には更に、FeまたはSiの何れか一方または両方が含まれていてもよい。Fe、Siは、Al−Fe金属間化合物層に含有されていたものの一部が、酸化膜層の形成時に混入する場合がある。
酸化膜層に含まれるA群元素は、周期表における第2族元素、第4周期dブロック元素である。本実施形態において、周期表における第2族元素とは、Be、Mg、Ca、Sr、Baであり、第4周期dブロック元素とは、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znである。本実施形態に係るアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材の酸化膜層は、これらの元素のうち1種または2種以上を含んでいれば塗料密着性向上効果が得られる。A群元素は、主に酸化物として存在するが、A群元素の一部が元素単体、または、酸化物以外の化合物の形態で存在していてもよい。また、酸化物の形態も限定されない。酸化膜層のうち、A群元素以外の元素についても、酸化物の状態で存在するとよい。例えば、Alは酸化アルミニウムとして、その他の不純物は各不純物の酸化物として存在することが好ましい。また、酸化膜層にSiが含まれる場合のSiは、酸化シリコンとして存在することが好ましく、Feが含まれる場合のFeは、酸化鉄として存在することが好ましい。また、A群元素、Al、Si、Feはそれぞれ、他の元素とともに複合酸化物の形態で含まれていてもよい。
次に、本実施形態に係るアルミめっき鋼板およびホットスタンプ部材の製造方法の例について説明する。以下に説明する製造方法は、Alめっきを鋼板に施してアルミめっき鋼板とし、アルミめっき鋼板に対してホットスタンプ工程を行うことにより、鋼板表面にAl−Fe金属間化合物層及び酸化膜層を形成する例である。しかしながら、ここで述べる方法は一例であり、本方法に特に限定するものではない。
(めっき浴への浸漬)
例えば溶融めっき法により、鋼板の表面にAlめっき層を形成する。アルミめっき鋼板のめっき層(Alめっき層)は、鋼板の片面又は両面に形成する。
溶融めっき時やホットスタンプにおける加熱工程時などにおいて、このAlめっき層に含まれるAlの少なくとも一部は、鋼板中のFeと合金化しうる。そのため、このAlめっき層は、必ずしも成分が一定な単一の層で形成されるとは限られず、適宜合金化した層を含んでも良い。
また、めっき浴浸漬後は、ガスワイピング等によって、めっきの付着量を調整するが、ガスワイピング時の雰囲気(特に酸素濃度)は、A群元素の濃化に影響を与える。めっき層の最表面から厚みtの1/3倍の位置までの範囲(表面〜t/3)におけるA群元素の検出強度の最大値と、厚みtの前記2/3倍の位置から厚みtの1倍の位置までの範囲(2t/3〜t)におけるA群元素の検出強度の平均値との比を大きくする場合、ガスワイピング時の雰囲気における酸素濃度は5体積%超とすることが好ましく、酸素濃度が約20体積%の大気雰囲気とすることがより好ましい。
次に、溶融めっき浴から引き上げた直後の鋼板に対して、溶融めっき浴へ浸漬したことによって鋼板に付着した溶融金属(溶融状態のめっき金属)が凝固する前に、窒化物、炭化物、酸化物等の粒子を空気、窒素やアルゴンなどの冷却ガスとともに吹き付ける。吹き付けられた粒子が結晶の核となり、凝固しためっき金属において、Alめっき層の結晶粒径を小さくする効果がある。この効果は、粒子を吹き付ける表面側において特に大きい。
Alめっき層の結晶粒径を小さくすることで結晶粒界が増え、続いて行われるホットスタンプ加熱時に大気等の雰囲気ガスとの界面積が大きくなる。A群元素は雰囲気ガスとの親和性が高いので、ホットスタンプの加熱時に、A群元素がめっき層の表層部に濃化し、ホットスタンプ部材の酸化膜層の最表面におけるA群元素の割合が高くなる。
粒子の吹き付け速度は、鋼板面に垂直な方向に向かって30〜70m/sとすることが好ましい。吹き付けられた粒子は、結晶の核となるのと同時に溶融状態のめっき金属を冷却する効果を有する。粒子の吹き付け速度が30m/s未満の場合、単位時間あたりに接触するめっき金属との界面積が小さいため冷却速度が不足し、結晶の核の数が少なくなる。その結果、ホットスタンプ後においても結晶粒径が大きくなってしまい、塗料密着性、塗装後耐食性が劣る。一方、粒子の吹き付け速度が70m/sよりも大きいと、粒子の吹き付けによりめっき金属の凹凸が大きくなるために、ホットスタンプした後においても凹凸が大きくなり過ぎて、塗装後耐食性が低下してしまう。
以上のようにして製造されたアルミめっき鋼板に対して、ホットスタンプを実施することによってホットスタンプ部材が得られる。ホットスタンプ法では、アルミめっき鋼板を必要に応じてブランキング(打ち抜き加工)した後、アルミめっき鋼板を加熱して軟化させる。そして、軟化したアルミめっき鋼板をプレス加工して成形し、その後、冷却する。成形と同時に冷却してもよい。鋼板は、加熱及び冷却により焼入れされ、約1000MPa以上の高い引張強度が得られる。加熱方法としては、通常の電気炉、ラジアントチューブ炉に加え、赤外線加熱等を採用することが可能である。
また、酸素濃度が5%以下の雰囲気中でホットスタンプする場合は、加熱時間は3分以上とすることが好ましい。酸素濃度が低い場合、加熱時間が3分より短いと酸化膜層の厚みが十分大きくならないので、酸化膜層3中のA群元素の割合や、酸化膜層の表層部へのA群元素への濃化が不十分となる。
加熱時間の上限を限定する必要はないが、10分以下であることが好ましい。10分より長いと生産性が低くなり、経済的に不利となる。
また、Al被覆層を形成する方法の一例として、蒸着や溶射によって、鋼板に対して先にAlを付着させ、次いで、A群元素を付着させてもよい。これにより、Al層とA群元素とからなるAl被覆層が形成される。
また、Al被覆層を形成する方法の別の例として、A群元素を含ませた蒸着源または溶射源を用いて蒸着又は溶射を行って、Al及びA群元素を同時に鋼板に付着させてもよい。Al被覆層におけるA群元素の割合は、0.001%〜30.00質量%であることが好ましい。
結果を表2A〜表2C、表3に示す。めっき層の残部はAl及び不純物であった。
結果を表3に示す。
表中には記載していないが、いずれの例においても、Al−Fe金属間化合物層の厚みは0.1〜10.0μmの範囲だった。
塗料密着性は特許第4373778号に記載の方法に準じて評価した。すなわち、試料を60℃の脱イオン水に240時間浸漬後にカッターで1mm間隔の碁盤目を100個切り、碁盤目部の剥離した部分の個数を目視で測定することで算出した面積率に基づいて評点付けした。
(評点)
3:剥離面積0%以上10%未満
2:剥離面積10%以上70%未満
1:剥離面積70%以上100%以下
塗装後の耐食性評価は、JIS H8502:1999に規定する中性塩水噴霧サイクル試験方法で行った。塗膜にダイヤモンドカッターでクロスカット疵を入れ、腐食試験180サイクル後のカット疵からの塗膜膨れの幅(片側最大値)を計測した。以下の基準で評価が2または3であれば、塗装後耐食性に優れると判断した。
(評価)
3:膨れ幅0mm以上1.5mm未満
2:膨れ幅1.5mm以上3mm未満
1:膨れ幅3mm以上
発明例A1〜A66、B1〜B11は塗料密着性に優れていた。その結果塗装後耐食性についても優れていた。これに対しめっき層中にA群元素を含有していない比較例a1、めっき層の厚み及び/または結晶粒径が発明範囲外であるa2、a3、a6、a7、a8、a9、a10は、塗料密着性及び塗装後耐食性に劣っていた。また、a4、a5は、粒子の吹き付けを行わなかったのでめっき層の平均粒径が大きかった。その結果、A群元素が酸化膜層の表層部に濃化せず、塗料密着性、塗装後耐食性が劣っていた。
[1]本発明の一態様に係るアルミめっき鋼板は、鋼板と、前記鋼板の表面に形成されためっき層とを有し、前記めっき層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなり、前記めっき層の厚みtが10〜60μmであり、前記めっき層の最表面から前記厚みtの2/3倍の位置までの厚さ範囲において、平均結晶粒径が、2t/3以下、かつ15μm以下であり、GDSを用いて、前記めっき層の前記最表面から前記厚み方向に前記めっき層中の前記A群元素を測定した場合に、前記めっき層の前記最表面から前記厚みtの1/3倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の最大値が、前記厚みtの前記2/3倍の位置から前記厚みtの1倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の平均値の、2.0倍以上である。
[2]上記[1]に記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層の化学組成が、質量%で、前記A群元素の含有量の合計:0.001〜30.00%、Si:0〜20.0%、Fe:0〜10.0%、残部:Alおよび不純物であってもよい。
[3]上記[1]または[2]に記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層の前記化学組成において、質量%で、Sr含有量、Mg含有量およびCa含有量の合計が0.001%未満であり、前記A群元素の含有量の合計が0.05〜30.00%であってもよい。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板は、前記鋼板の化学組成が、質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.05%以下、S:0.020%以下、Al:0.10%以下、Ti:0.01〜0.10%、B:0.0001〜0.0100%、N:0.010%以下、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Ni:0〜2.00%、Nb:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、Ca:0〜0.10%、残部:Fe及び不純物であってもよい。
[5]上記[1]〜[4]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層が、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cuからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなっていてもよい。
[6]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材の製造方法は、上記[1]〜[5]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板を850〜950℃の温度域に加熱し、前記温度域で2分以上保持した後、ホットスタンプを行う。
[7]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材は、上記[1]〜[4]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材であって、表面にBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素と、Alと、酸素とを含む酸化膜層を有する。
[8]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材は、上記[5]に記載のアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材であって、表面にBe、Ca、Sr、Ba、Sc、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cuからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素と、Alと、酸素とを含む酸化膜層を有する。
[1]本発明の一態様に係るアルミめっき鋼板は、鋼板と、前記鋼板の表面に形成されためっき層とを有し、前記めっき層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、前記めっき層の化学組成が、質量%で、前記A群元素の含有量の合計:0.001〜30.00%、Si:0〜20.0%、Fe:0〜10.0%、および残部:Alおよび不純物からなり、前記めっき層の厚みtが10〜60μmであり、前記めっき層の最表面から前記厚みtの2/3倍の位置までの厚さ範囲において、平均結晶粒径が、2t/3以下、かつ15μm以下であり、GDSを用いて、前記めっき層の前記最表面から前記厚み方向に前記めっき層中の前記A群元素を測定した場合に、前記めっき層の前記最表面から前記厚みtの1/3倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の最大値が、前記厚みtの前記2/3倍の位置から前記厚みtの1倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の平均値の、2.0倍以上である。
[2]上記[1]に記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層の前記化学組成において、質量%で、Sr含有量、Mg含有量およびCa含有量の合計が0.001%未満であり、前記A群元素の含有量の合計が0.05〜30.00%であってもよい。
[3]上記[1]または[2]に記載のアルミめっき鋼板は、前記鋼板の化学組成が、質量%で、C:0.1〜0.4%、Si:0.01〜0.60%、Mn:0.50〜3.00%、P:0.05%以下、S:0.020%以下、Al:0.10%以下、Ti:0.01〜0.10%、B:0.0001〜0.0100%、N:0.010%以下、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Ni:0〜2.00%、Nb:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、Ca:0〜0.10%、残部:Fe及び不純物であってもよい。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板は、前記めっき層が、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cuからなる群から選択される1種または2種以上の前記A群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなっていてもよい。
[5]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材の製造方法は、上記[1]〜[4]のいずれかに記載のアルミめっき鋼板を850〜950℃の温度域に加熱し、前記温度域で2分以上保持した後、ホットスタンプを行う。
[6]本発明の別の態様に係るホットスタンプ部材は、鋼板と、前記鋼板上に形成されたAl−Fe金属間化合物層と、前記Al−Fe金属間化合物層の表面に形成された酸化膜層と、からなるホットスタンプ部材であって、前記酸化膜層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素と、Alと、酸素とを含み、前記Al−Fe金属間化合物層および前記酸化膜層に含まれる前記A群元素の含有量の合計が0.001〜30.00%である。
[7]上記[6]に記載のホットスタンプ部材は、前記酸化膜層が、Be、Ca、Sr、Ba、Sc、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cuからなる群から選択される1種または2種以上の前記A群元素と、Alと、酸素とを含んでいてもよい。
Claims (7)
- 鋼板と、
前記鋼板の表面に形成されためっき層とを有し、
前記めっき層が、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素を含み、残部がAl、Feおよび不純物からなり、
前記めっき層の厚みtが10〜60μmであり、
前記めっき層の最表面から前記厚みtの2/3倍の位置までの厚さ範囲において、平均結晶粒径が、2t/3以下、かつ15μm以下である
ことを特徴とするアルミめっき鋼板。 - 前記めっき層の化学組成が、質量%で、
前記A群元素の含有量の合計:0.001〜30.00%、
Si:0〜20.0%、
Fe:0〜10.0%、
残部:Alおよび不純物である
ことを特徴とする請求項1に記載のアルミめっき鋼板。 - 前記めっき層の前記化学組成において、質量%で、
Sr含有量、Mg含有量およびCa含有量の合計が0.001%未満であり、
前記A群元素の含有量の合計が0.05〜30.00%である
ことを特徴とする請求項1または2に記載のアルミめっき鋼板。 - GDSを用いて、前記めっき層の前記最表面から前記厚み方向に前記めっき層中の前記A群元素を測定した場合に、
前記めっき層の前記最表面から前記厚みtの1/3倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の最大値が、前記厚みtの前記2/3倍の位置から前記厚みtの1倍の位置までの範囲における前記A群元素の検出強度の平均値の、2.0倍以上である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルミめっき鋼板。 - 前記鋼板の化学組成が、質量%で、
C:0.1〜0.4%、
Si:0.01〜0.60%、
Mn:0.50〜3.00%、
P:0.05%以下、
S:0.020%以下、
Al:0.10%以下、
Ti:0.01〜0.10%、
B:0.0001〜0.0100%、
N:0.010%以下、
Cr:0〜1.00%、
Mo:0〜1.00%、
Cu:0〜1.00%、
Ni:0〜2.00%、
Nb:0〜1.00%、
Sn:0〜1.00%、
Ca:0〜0.10%、
残部:Fe及び不純物、
であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルミめっき鋼板。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルミめっき鋼板を850〜950℃の温度域に加熱し、
前記温度域で2分以上保持した後、ホットスタンプを行う、
ことを特徴とするホットスタンプ部材の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルミめっき鋼板をホットスタンプして得られるホットスタンプ部材であって、
表面にBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Znからなる群から選択される1種または2種以上のA群元素と、Alと、酸素とを含む酸化膜層を有する
ことを特徴とするホットスタンプ部材。
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