JP2020041176A - 熱間プレス用鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱間プレスの加熱プロセス中に酸化によって失われる金属Ｚｎ量を低減し、耐食性に優れた熱間プレス用鋼板を提供することを目的とする。
【解決手段】鋼板表面に、片面当たりのめっき付着量が１２０ｇ／ｍ^２以下のＺｎ合金めっき層を有し、さらに前記Ｚｎ合金めっき層の表面に、９００℃における酸化物の標準反応ギブズエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は、主に自動車用鋼板に使用される熱間プレス用鋼板に関するものである。

近年、自動車の分野では素材鋼板の高性能化と共に軽量化が促進されており、防錆性を有する高強度溶融亜鉛めっき鋼板または電気亜鉛めっき鋼板の使用が増加している。しかし、多くの場合、鋼板の高強度化に伴ってそのプレス成形性が低下するため、複雑な部品形状を得ることは困難になる。例えば自動車用途で、防錆性が必要であり、かつ難成形部品としてはシャシーなどの足回り部材やＢピラーなどの骨格用構造部材が挙げられる。

このような背景から、近年では冷間プレスに比べてプレス成形性と高強度化の両立が容易である熱間プレスによる自動車用部品の製造が急速に増加しており、熱間プレス技術の諸課題を解決する様々な技術が開示されている。

例えば、特許文献１では、鋼板表層のめっき層融点を８００℃以上とすることで、液体金属脆化割れの無い熱間プレス部材を得る製造方法が開示されている。

また、特許文献２では、めっき層表層にＺｎＯを主体とする酸化皮膜を備えることで、熱間プレス加熱時の亜鉛蒸発を防止する熱間プレス用鋼板が開示されている。

また、特許文献３では、熱間プレス前に空気ジェットなどを用いて鋼板を４５０〜７００℃に急速中間冷却した後、プレスによる金型冷却を実施することによってマイクロクラックの無い熱間プレス部材を製造する方法が開示されている。

特許第５８１７４７９号公報 特許第３５８２５０４号公報 特許第５７２７０３７号公報

上述した様に、熱間プレス技術の諸課題に対して、鋼板、めっきおよび工法などの観点から様々な解決策が提案され、熱間プレス技術の進歩・発展を支えてきた。

しかしながら、熱間プレス部品の生産量増加や新規部品への技術適用に伴って、従来に無かった新たな課題が顕在化するようになってきた。

例えば、Ｚｎめっき層を有する熱間プレス用鋼板を熱間プレス成形した場合、Ｚｎめっき表層には凹凸のあるＺｎＯ主体の酸化皮膜が形成する。このようなめっき表層のＺｎＯ形成は、本来犠牲防食作用によって鋼板の耐食性を担保するべき金属Ｚｎが減少すること意味する。したがって、非加熱材（熱間プレスしない材料）と同等の犠牲防食性を担保するためには、熱間プレスの加熱プロセス中に酸化によって失われる金属Ｚｎ量を加味してめっきを厚目付けする必要があり、これはコストアップを招く。また、一般的な連続めっき製造ラインでは、めっきの厚目付けのためにラインスピードが制限されるため、生産性も低下するという課題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、熱間プレスの加熱プロセス中に酸化によって失われる金属Ｚｎ量を低減し、耐食性に優れた熱間プレス用鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らは、Ｚｎ合金めっき層の表面に、湿式プロセスまたは乾式プロセスによって種々の金属層を成膜し、得られた熱間プレス部材について、熱間プレス後の耐食性を調査した。その結果、酸素との反応性に富んだ金属層、すなわち、酸素親和力の高い易酸化金属である９００℃における酸化物の標準反応ギブズエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層をＺｎ合金めっき層表面に付与することで、熱間プレス成形時に金属層がＺｎよりも優先的に酸化され、Ｚｎ酸化による金属Ｚｎ量の減少が抑制可能であり、優れた耐食性を得られることを見出した。

本発明は上記知見に基づくものであり、その特徴は以下の通りである。
［１］鋼板表面に、片面当たりのめっき付着量が１２０ｇ／ｍ^２以下のＺｎ合金めっき層を有し、
さらに前記Ｚｎ合金めっき層の表面に、９００℃における酸化物の標準反応ギブズエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。
［２］前記金属層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒのうちの１種または２種以上から選択される金属または合金であることを特徴とする［１］に記載の熱間プレス用鋼板。
［３］前記Ｚｎ合金めっき層は、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層、Ｚｎ−Ｆｅ合金めっき層、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層のうちのいずれか１種であることを特徴とする［１］または［２］に記載の熱間プレス用鋼板。
［４］前記Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層は、１０〜２５質量％のＮｉを含み、残部はＺｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする［３］に記載の熱間プレス用鋼板。

本発明によれば、熱間プレスの加熱プロセス中に酸化によって失われる金属Ｚｎ量を低減し、耐食性に優れた熱間プレス用鋼板が得られる。

以下、本発明について具体的に説明する。なお、以下の説明において、鋼成分組成の各元素の含有量、めっき層成分組成の各元素の含有量の単位はいずれも「質量％」であり、以下、特に断らない限り単に「％」で示す。

まず、熱間プレス用鋼板のＺｎ合金めっき層の限定理由について述べる。

片面当たりのめっき付着量が１２０ｇ／ｍ^２以下のＺｎ合金めっき層
一般的なめっき製造ラインで１２０ｇ／ｍ^２超えの厚めっきを形成させるためには、ラインスピードを大幅に抑制する必要があり、コストアップを招く。したがって、片面当たりのめっき付着量は１２０ｇ／ｍ^２以下とする。なお、好ましくは、９０ｇ／ｍ^２以下である。また、１０ｇ／ｍ^２未満では熱間プレス加熱時のＦｅスケール生成抑制効果が不十分になるため、１０ｇ／ｍ^２以上であることが好ましい。また、自動車用熱間プレス部材は主に足回りや骨格部材など耐食性を必要とする部位に適用される。そのため、めっき層としては犠牲防食作用を有するＺｎ合金めっき層であることが必要である。

防錆性の観点から、めっき層の主成分がＺｎであれば組成に関しては特に限定されないが、Ｚｎ合金めっき層としては、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層、Ｚｎ−Ｆｅ合金めっき層、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層のうちのいずれか１種が好ましい。

また、本発明では、Ｚｎ合金めっき層は、１０〜２５質量％のＮｉを含み、残部はＺｎおよび不可避的不純物からなるＺｎ−Ｎｉ合金めっき層であることが好ましい。Ｚｎ合金めっき層中のＮｉ量を１０〜２５質量％に制御することで、融点の高いＮｉ_２Ｚｎ_１１、ＮｉＺｎ_３、Ｎｉ_５Ｚｎ_２１のいずれかの結晶構造を有するγ相が形成されるため、他のＺｎ合金めっき層に比べて耐液体金属脆化の観点で有利である。

次に、Ｚｎ合金めっき層の表面に形成される金属層について説明する。

９００℃における酸化物の標準反応ギブズエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層
本発明では、Ｚｎ合金めっき層の表面に、９００℃における酸化物の標準反応ギブスエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層を有する。一般に熱間プレス成形時において、鋼板は室温からオーステナイト単相域である９００℃前後まで加熱される。この温度域において、Ｚｎめっき層表面に酸素との反応性に富んだ金属層として、９００℃における酸化物の標準反応ギブスエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層をＺｎ合金めっき層表面に付与することで、熱間プレス成形時にＺｎより易酸化元素からなる金属層が優先的に酸化される。その結果、Ｚｎ酸化による金属Ｚｎ量の低減を抑制し、更なる犠牲防食作用が担保される。Ｚｎ酸化による金属Ｚｎ量低減を抑制するために、熱間プレス成形時において、Ｚｎよりも酸素親和力の高い元素、すなわち、９００℃における酸化物の標準反応ギブスエネルギーがＺｎよりも高い金属を金属層の金属として選択することが必要である。

金属層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒのうちの１種または２種以上から選択される金属または合金であることが好ましい。ここに挙げた金属はいずれも９００℃における酸化物の標準反応ギブスエネルギーがＺｎよりも高い金属である。金属層の付着量の下限について、微量でも金属層が無い場合に比べてＺｎ酸化による金属Ｚｎ量低減の抑制効果が認められるが、本発明においては、０．１ｇ／ｍ^２以上が好ましい。また、上限も特に規定しないが過剰な厚さの金属層はコスト増加を招くため、３０ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。より好ましくは１０ｇ／ｍ^２以下、さらに好ましくは５ｇ／ｍ^２以下である。

なお、標準反応ギブズエネルギーについては、エリンガム図を用いて算出することができる。

金属層の形成方法については、特に制限されず、例えば、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、コールドスプレーといった乾式プロセスや、電気めっき、非水電気めっき、無電解めっき、溶融めっきといった湿式プロセスを用いて形成することができる。

本発明において、１４７０ＭＰａ級を超えるような熱間プレス部材を得るためには、めっき層の下地鋼板としては、例えば、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．３５％、Ｓｉ:０．１〜０．５％、Ｍｎ：１．０〜３．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０１％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する冷延鋼板または熱延鋼板を用いることができる。以下に各成分の限定理由を記載する。

Ｃ：０．２０〜０．３５％
Ｃは、鋼組織としてマルテンサイトなどを形成させることで強度を向上させる。１４７０ＭＰａ級を超えるような強度を得るためには０．２０％以上必要である。一方、０．３５％を超えるとスポット溶接部の靱性が劣化する。したがって、Ｃ量は０．２０〜０．３５％とすることが好ましい。

Ｓｉ:０．１〜０．５％
Ｓｉは鋼を強化して良好な材質を得るのに有効な元素である。そのためには０．１％以上必要である。一方、０．５％を超えるとフェライトが安定化されるため、焼き入れ性が低下する。したがって、Ｓｉ量は０．１〜０．５％とすることが好ましい。

Ｍｎ：１．０〜３．０％
Ｍｎは鋼の高強度化に有効な元素である。機械特性や強度を確保するためは１．０％以上含有させることが必要である。一方、３．０％を超えると焼鈍時の表面濃化が増加し、めっき密着性の確保が困難になる。したがって、Ｍｎ量は１．０〜３．０％とすることが好ましい。

Ｐ：０．０２％以下
Ｐ量が０．０２％を超えると鋳造時のオーステナイト粒界へのＰ偏析に伴う粒界脆化により、局部延性の劣化を通じて強度と延性のバランスが低下する。したがって、Ｐ量は０．０２％以下とすることが好ましい。

Ｓ：０．０１％以下
ＳはＭｎＳなどの介在物となって、耐衝撃性の劣化や溶接部のメタルフローに沿った割れの原因となる。したがって、極力低減することが望ましく０．０１％以下とすることが好ましい。また、良好な伸びフランジ性を確保するため、より好ましくは０．００５％以下とする。

また、本発明では上記した基本成分のほかに鋼板の特性の更なる改善を意図して、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｂ：０．０００２〜０．００５０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｓｂ：０．００３〜０．０３０％のうちから選ばれた少なくとも１種を必要に応じて適宜含有させることが可能である。

Ｎｂ：０．０５％以下
Ｎｂは鋼の強化に有効な成分であるが、過剰に含まれると形状凍結性が低下する。したがって、Ｎｂを含有させる場合は０．０５％以下とする。

Ｔｉ：０．０５％以下
ＴｉもＮｂと同様に鋼の強化には有効であるが、過剰に含まれると形状凍結性が低下するという課題がある。したがって、Ｔｉを含有させる場合は０．０５％以下とする。

Ｂ：０．０００２〜０．００５０％
Ｂはオーステナイト粒界からのフェライト生成および成長を抑制する作用を有するため、０．０００２％以上の添加が好ましい。一方、過剰なＢの添加は成形性を大きく損なう。したがって、Ｂを含有させる場合は０．０００２〜０．００５０％とする。

Ｃｒ：０．１〜０．３％
Ｃｒは鋼の強化および焼き入れ性を向上させるために有用である。このような効果を発現するためには０．１％以上の添加が好ましい。一方、合金コストが高いため０．３％超えの添加では大幅なコストアップを招く。したがって、Ｃｒを含有させる場合は０．１〜０．３％とする。

Ｓｂ：０．００３〜０．０３０％
Ｓｂも熱間プレスのプロセス中に鋼板表層の脱炭を抑止する効果がある。このような効果を発現するためには０．００３％以上の添加が必要である。一方、Ｓｂ量が０．０３０％を超えると圧延荷重の増加を招くため生産性を低下させる。したがって、Ｓｂを含有させる場合は０．００３〜０．０３０％とする。

上記以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からな。

本発明の熱間プレス用鋼板を用いて熱間プレス部材を製造するための熱間プレス工程は何ら限定されるものではなく、公知の熱間プレス工程が適用可能である。例えば、本発明の熱間プレス用鋼板に対して、Ａｃ３変態点〜９５０℃の温度範囲に加熱し、次いで、熱間プレス加工を行い、引き続き金型や水などの冷媒を用いて冷却を行うことにより熱間プレス部材が製造される。なお、上記加熱温度とは鋼板の最高到達温度のことをいう。また、上記加熱を行う方法としては、電気炉やガス炉などによる加熱、火炎加熱、通電加熱、高周波加熱、誘導加熱などを例示できる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。下記の実施例は本発明を限定するものではなく、要旨構成の範囲内で適宜変更することは、本発明の範囲に含まれるものとする。

下地鋼板として、質量％で、Ｃ：０．３０％、Ｓｉ：０．２５％、Ｍｎ：１．２％、Ｐ：０．００５％、Ｓ：０．００５％、Ｎｂ：０．００５％、Ｔｉ：０．０２％、Ｂ：０．００２０％、Ｃｒ：０．２％、Ｓｂ：０．００８％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する、板厚１．４ｍｍの冷延鋼板を用いた。この冷延鋼板の表面に、表１に示すめっき方法で、種々のＺｎ合金めっき層を形成した。次いで、Ｚｎ合金めっき層の表面に、表１に示す成膜法で種々の金属層を被覆し、熱間プレス用鋼板を得た。なお、めっき層について、所望の組成が得られるよう溶融めっき浴組成を調整し、浴温度を各組成の融点＋２０℃とした。また、ワイピング圧力を調整することで付着量を制御した。電気めっき処理の条件は、所望の組成が得られるように浴中の金属塩比および電流値を調整し、ライン速度を変えることで付着量を制御した。また、金属層のＰＶＤの成膜条件は、所望の金属ターゲットを使用し、電圧および処理時間を制御することで所望の付着量を制御した。金属層の電気めっき処理の条件は、所望の組成が得られるように浴中の金属塩比および電流値を調整し、ライン速度を変えることで付着量を制御した。

得られた熱間プレス用鋼板から１５０ｍｍＣ×３００ｍｍＬの試験片を採取し、電気炉によって９００℃まで４分間で加熱し、９００℃で１分間保持した後、電気炉から試験片を取り出しハット型金型によって７００℃で熱間プレスを実施した。成形後の部品形状は上面の平坦部長さ１００ｍｍ、側面の平坦部長さ５０ｍｍ、下面の平坦部長さ５０ｍｍである。また、金型の曲げＲは上面の両肩、下面の両肩いずれも７Ｒである。

以上より得られたハット成形部品を腐食試験（ＳＡＥ−Ｊ２３３４）に供し、６０サイクル後の側面平坦部中央（１００ｍｍＣ×３０ｍｍＬの領域）の耐食性を調査し、以下の基準で評価した。
○：平均腐食深さが、金属層無しの場合と比較して１００μｍ以上減少
△：平均腐食深さが、金属層無しの場合と比較して０μｍ以上１００μｍ未満減少
×：平均腐食深さが、金属層無しの場合と比較して増大
評価○であれば、耐食性に優れた熱間プレス用鋼板と判断した。

表１に評価結果を示す。

表１によれば、本発明の熱間プレス用鋼板は優れた耐食性を有する。

実施例１において評価したＺｎ−Ｎｉ合金めっき層を有する熱間プレス用鋼板について、耐ＬＭＥ特性（ＬＭＥ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ、液体金属脆化）について評価した。具体的には、実施例１で得られたハット成形部品の上面肩Ｒ部から断面ＳＥＭ観察用サンプルを採取し、観察により肩Ｒ外側で断面長さ５ｍｍの視野における母材に浸入しているクラック深さを２５０μｍピッチで合計２０か所測定し、以下の基準で耐ＬＭＥ特性を評価した。
○：クラック発生無しまたはクラック深さの平均値が１０μｍ未満
△：クラック深さの平均値が１０μｍ以上２００μｍ未満
×：クラック深さの平均値が２００μｍ以上
評価が○であれば、耐ＬＭＥ特性に優れるとした。

表２に耐ＬＭＥ特性の評価結果を示す。

表２の結果から、本発明の熱間用プレス鋼板において、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層が１０〜２５質量％のＮｉを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるＺｎ−Ｎｉ合金めっき層であれば、耐食性に加えて優れた耐ＬＭＥ特性も兼ね備えることが分かる。

Claims (4)

1. 鋼板表面に、片面当たりのめっき付着量が１２０ｇ／ｍ^２以下のＺｎ合金めっき層を有し、
   さらに前記Ｚｎ合金めっき層の表面に、９００℃における酸化物の標準反応ギブズエネルギーがＺｎよりも高い金属からなる金属層を有することを特徴とする熱間プレス用鋼板。
2. 前記金属層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒのうちの１種または２種以上から選択される金属または合金であることを特徴とする請求項１に記載の熱間プレス用金属鋼板。
3. 前記Ｚｎ合金めっき層は、Ｚｎ−Ａｌ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金めっき層、Ｚｎ−Ｆｅ合金めっき層、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層のうちのいずれか１種であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間プレス用鋼板。
4. 前記Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層は、１０〜２５質量％のＮｉを含み、残部はＺｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項３に記載の熱間プレス用鋼板。