JP2006037130A - ホットプレス用めっき鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度が必要とされ、高温プレスで製造される、自動車部品の構造部材に代表される部材に使用される、高温成形後に１２００ＭＰａ以上の強度を得ることができ、高温成形性及び対水素脆性に優れたアルミめっき鋼板、亜鉛めっき鋼板あるいはアルミ−亜鉛めっき鋼板の製造方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃを０．１%以上、０．５％以下含有する鋼板を焼鈍するに際し、水素濃度１５％以下、露点０℃以下の雰囲気にて６６０℃以上、Ａｃ３点以下の温度にて焼鈍した後に、アルミニウムもしくは亜鉛を主体とするめっきを施し、鋼中の拡散性水素を０．３ｐｐｍ以下とすることを特徴とするホットプレス用鋼板の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温でのプレスにより製造される自動車部品の構造部材に代表されるような強度が必要とされる部材に使用されるめっき鋼板およびその製造方法に関する。

地球環境問題に端を発する自動車の軽量化のためには、自動車に使用される鋼板をできるだけ高強度化することが必要となるが、一般に鋼板を高強度化していくと伸びやｒ値が低下し、成形性が劣化していく。このような課題を解決するために、温間で成形し、その際の熱を利用して強度上昇を図る技術が、特許文献１に開示されている。この技術では、鋼中成分を適切に制御し、フェライト温度域で加熱し、この温度域での析出強化を利用して強度を上昇させることを狙っている。
また、特許文献２では、プレス成形精度を向上させる目的で成形温度での降伏強度を常温での降伏強度より大きく低下する高強度鋼板が提案されている。しかしながら、これらの技術では得られる強度に限度がある可能性がある。一方、より高強度を得る目的で、成形後に高温のオーステナイト単相域に加熱し、その後の冷却過程で硬質の相に変態させる技術が特許文献３に提案されている。
しかしながら、成形後に加熱・急速冷却を行うと形状精度に問題が生じる可能性がある。この欠点を克服する技術としては、鋼板をオーステナイト単相域に加熱し、その後プレス成形過程にて冷却を施す、いわゆるホットプレスの技術が、非特許文献１や特許文献４に開示されている。
特開２０００−２３４１５３号公報 特開２０００−８７１８３号公報 特開２０００−３８６４０号公報 特開２００１−１８１８３３号公報 ＳＡＥ， ２００１−０１−００７８

自動車等に使用される高強度鋼板は高強度化されるほど、前述のような成形性の問題や、特に１０００ＭＰａを超えるような高強度材においては、従来から知られているように水素脆化（置きわれや遅れ破壊と呼ばれることもある）という本質的な課題がある。特にホットプレス用鋼板として用いられる場合、素材の水素量を下げることが望ましいが、本発明で対象とするめっき鋼板ではめっきの影響により拡散性水素の残留が起こりやすいため、その低減が重要である。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、高温成形後に１２００ＭＰａ以上の強度を得ることができる高温成形性に優れたアルミめっき鋼板、亜鉛めっき鋼板、あるいはアルミ−亜鉛めっき鋼板の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために種々の検討を実施した。その結果、めっきをする際の雰囲気及び温度を制御することで対水素脆性に優れたホットプレス用めっき鋼板が製造できることを見出した。すなわち、本発明の要旨とするところは下記のとおりである。
（１）質量％で、Ｃを０．１%以上、０．５％以下含有する鋼板を焼鈍するに際し、水素濃度１５％以下、露点０℃以下の雰囲気にて６６０℃以上、Ａｃ３点以下の温度にて焼鈍した後に、アルミニウムもしくは亜鉛を主体とするめっきを施し、鋼中の拡散性水素を０．３ｐｐｍ以下とすることを特徴とするホットプレス用鋼板の製造方法。
（２）質量％で、Ｃを０．１%以上、０．５％以下含有するスラブを加熱し、熱間圧延工程における圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とし、熱間圧延後の巻取温度を５００℃以上、７５０℃以下とし、酸洗、冷延を施し、水素濃度１０％以下、露点−５℃以下の雰囲気にて６６０℃以上、Ａｃ３点以下の温度にて焼鈍した後に、アルミニウムもしくは亜鉛を主体とするめっきを施し、鋼中の拡散性水素を０．３ｐｐｍ以下とすることを特徴とするホットプレス用鋼板の製造方法。
（３）鋼板が質量％で、Ｃ：０．１%以上、０．５％以下、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜３％を含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする（１）または（２）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
（４）鋼板のＰ，Ｓを質量％で、それぞれＰ≦０．１％、Ｓ≦０．０３％とすることを特徴とする（３）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
（５）鋼板が質量％で、さらにＣｒ：０．１〜５％、Ｍｏ：０．１〜３％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％、Ｖ：０．０１〜２％、Ｗ：０．０１〜３％のうち１種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（４）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
（６）鋼板が質量％で、さらにＮ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．００５〜１％、Ｎｂ：０．０１〜１％、Ａｌ：０．００５〜１％のうち１種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（５）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
（７）鋼板が質量％で、さらにＮｉ：０．０１〜５％、Ｃｕ：０．０１〜３％のうち１種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（６）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
（８）鋼板が質量％で、さらにＳｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｂ：０．００５〜０．１％のうち１種以上を含有することを特徴とする（３）乃至（７）に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。

本発明によれば、高温成形後に高強度となる高温成形性に優れたアルミめっき鋼板あるいはアルミ−亜鉛めっき鋼板が製造でき、工業的に価値の大きなものである。

以下、本発明について詳細に説明する。
まず、鋼成分を限定した理由について述べる。Ｃは冷却後の組織をマルテンサイトとして材質を確保するために添加する元素であり、強度１０００ＭＰａ以上を確保するためには０．１％以上添加する必要がある。ところが、添加量が多すぎると、衝撃変形時の強度確保が困難となるため、その上限を０．５％とした。
Ｓｉ：０．１〜２％
Ｓｉは固溶強化元素であり、比較的安価に鋼板の強度を上昇させることができ０．１％以上で効果が認められるが、１％を超えて添加しても効果が飽和し、まためっき性が劣化するため、その上限を２％とした。
Ｍｎ：０．１〜３％
Ｍｎは、強度や焼入れ性の観点から有用な元素であり０．１％以上で効果が認められるが、３％を超えて添加してもコストが上昇しまた効果が飽和するため、上限を３％とした。

Ｐ≦０．１％
Ｐは固溶強化元素であり、比較的安価に鋼板の強度を上昇させることができる。ただし、添加量がむやみに増加すると高強度材での靭性を低下させるなどの悪影響が出るため上限を０．１％とした。
Ｓ≦０．０３％
Ｓは不可避的に含まれる元素であり、靭性を低下させるなど加工性劣化の要因となるため、低いほど望ましく、０．０３％以下とすることで加工性に対する問題は解消されるため、その範囲を０．０４％以下とした。
Ｃｒ：０．１〜５％
Ｃｒは焼入れ性の観点から有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、５％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストも上昇するので上限を５％とした。
Ｍｏ：０．１〜３％
Ｍｏは焼入れ性の観点から有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、３％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストも上昇するので上限を３％とした。

Ｂ：０．０００３〜０．００５％
Ｂも焼入れ性の観点から有用な元素であり、０．０００３％以上の添加が必要である。但し、０．００５％を超えて添加しても効果は飽和し、また鋳造欠陥や熱間圧延時の割れを生じさせるなど製造性を低下させるので、上限を０．００５％とした。
Ｖ：０．０１〜２％
Ｖは焼入れ性の観点から有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、２％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストも上昇するので上限を２％とした。
Ｗ：０．０１〜３％
Ｗは焼入れ性の観点から有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、３％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストも上昇するので上限を３％とした。

Ｎ：０．０１％以下
Ｎは不可避的に含まれる元素であり、特性の安定化の観点からは固定することが望ましく、Ｔｉ，Ｎｂ，Ａｌ等にて固定可能であるが、Ｎ量が増加すると固定用に添加する元素が多量となり、コストアップを招くことになるため、その上限を０．０１％とした。
Ｔｉ：０．００５〜０．５％
ＴｉはＮ固定の観点から添加することができ、質量％にてＮの約３．４倍添加することが必要であるが、Ｎは低減しても１０ｐｐｍ程度であるので、下限を０．００５％とした。またＴｉを過剰に添加しても焼入れ性を低下させ、また強度も低下させるためその上限を０．５％とした。
Ｎｂ：０．０１〜１％
ＮｂはＮ固定の観点から添加することができ、質量％にてＮの約６．６倍添加することが必要であるが、Ｎは低減しても１０ｐｐｍ程度であるので、下限を０．０１％とした。またＮｂを過剰に添加しても焼入れ性を低下させ、また強度も低下させるためその上限を０．５％とした。

Ａｌ：０．００５〜１％
ＡｌはＮ固定の観点から添加することができ、また脱酸剤としても有用であり、この場合には鋼中に０．００５％以上含有させることが必要であるが、１％を超えて添加しても上記の観点では効果も飽和するため上限を１％とした。
Ｎｉ：０．０１〜５％、
Ｎｉは焼入れ性に加え、耐衝撃特性改善に繋がる低温靭性の観点で有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、５％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストも上昇するので上限を５％とした。
Ｃｕ：０．０１〜３％
Ｃｕも焼入れ性に加え、靭性の観点で有用な元素であり、０．１％以上にて効果を発揮する。但し、３％を超えて添加しても効果は飽和し、またコストを上昇させるばかりでなく鋳片性状の劣化や熱間圧延時の割れや疵発生を生じさせるためその上限を５％とした。

Ｓｎ：０．００５〜０．１％
Ｓｂ：０．００５〜０．１％
Ｓｎ、Ｓｂ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り，０．００５％〜０．１％で添加できる。いずれも０．００５％未満では効果が認められず、０．１％を超えて添加すると製造時の疵が発生しやすくなったり、また靭性の低下を引き起こしたりするため上限を０．１％とした。
その他の成分については特に規定しない。Ｚｒ，Ａｓ等の元素がスクラップから混入する場合があるが、通常の範囲であれば本発明鋼の特性には影響しない。
また本発明の特徴であるめっき前の焼鈍については、鋼板の軟質化のためには６６０℃以上の温度が必要であり、特にアルミめっきを施す場合はめっき浴温高いため、焼鈍温度は７００℃以上が望ましい。またＡｃ３点を超えた高温では水素溶解度が高くなり拡散性水素も多量となるために、Ａｃ３点以下の焼鈍とする。また拡散性水素量は焼鈍する雰囲気にて大きく変わり、前述の焼鈍条件と合わせ、後述するように雰囲気中の水素濃度が１５％以下で且つ露点が０℃以下にすることで鋼中の拡散性水素を低く制御することができる。

熱間圧延は通常の熱延工程、あるいは仕上圧延においてスラブを接合し圧延する連続化熱延工程のどちらでも可能である。熱間圧延の際の圧延終了温度は生産性や板厚精度、また異方性改善の観点からＡｒ３変態点以上とする。熱間圧延後の冷却は通常の方法で行うが、その際の巻取温度は生産性の観点からは５００℃未満とすると、熱延板の強度が高くなりまた靭性も低下し、熱処理が必要になり、また巻取温度が高すぎる場合には酸洗性が劣化するため７５０℃以下とする。
それ以外の鋼板の製造条件については特に規定しないが、以下に望ましい製造条件について説明する。前述したような成分の鋼を鋳造し、得られた熱片スラブを直接または加熱した後、あるいは冷片を再加熱して熱間圧延を施す。その際、熱片スラブを直接圧延することと再加熱後に圧延することでの特性変化はほとんど認められない。また、再加熱温度は特に限定しないが、生産性を考慮して１０００℃から１３００℃の範囲とすることが好ましい。
酸洗、冷間圧延は常法でよく、その後焼鈍−めっきの工程は通常一連の工程にて実施され、焼鈍工程では上述の雰囲気制御が必要であるが、めっきの条件については通常の方法で問題ない。つまり、アルミめっきであれば浴中Ｓｉ濃度は５〜１２％が適しており、亜鉛めっきであれば、浴中Ａｌ濃度は０．１〜５０％が適している。以上の製造条件ではめっき前に鋼板表面に金属プレめっきを施していないが、ＮｉプレめっきやＦｅプレめっき、その他めっき性を向上させる金属プレめっきを施しても特に問題は無い。また、アルミめっき層中にＭｇやＺｎが混在しても、アルミ−亜鉛めっき層中にＭｇが混在しても特に問題なく同様の特性の鋼板を製造することができる。

次に、本発明の拡散性水素の規定について、実施例を用いて説明する。
表１に示す成分の鋼を実験室にて溶製し５０ｋｇの鋼塊とし、１２００℃の温度に再加熱後、４ｍｍまで熱延し、酸洗を行い、１．６ｍｍまで冷間圧延を施した。その後、種々の温度にて焼鈍してアルミめっきを行いめっき鋼板を製造した。さらにこれらのめっき鋼板を露点−３５℃の窒素雰囲気にて９００℃に加熱し、５分間この温度で保定後、常温の金型でプレス成形を行った。その後、打ち抜き加工を施し、打ち抜き面での亀裂発生有無を調査し、耐水素脆化特性を評価した。打ち抜きの条件は、ポンチ１０ｍｍφ、ダイス１０．５ｍｍφ、クリアランスは１５．６％にて２０ｍｍ／ｍｉｎで実施した。なお、打ち抜き速度やクリアランスを変化させても評価結果としては大きな差は認められなかった。
まためっき後の鋼板の拡散性水素量を測定した。拡散性水素量は、めっき鋼板作成後に３０分以内にせん断加工して試験片を作成し、試験片を石英管中に入れＡｒにて置換した後１００℃/ｈｒにて昇温し、２５０℃まで発生した水素をガスクロマトグラフにより測定する昇温法にて実施した。水素測定がすぐにできない場合は試験片を液体窒素中に保管を実施した。

焼鈍温度と拡散性水素量およびホットプレス後の後加工時の微小クラックとの関係を図１に示す。焼鈍温度が高くなるほど拡散性水素量は高くなり、また鋼板の拡散性水素量が０．３ｐｐｍ以上になると水素脆化感受性が高くなり、鋼板として拡散性水素量を制御する必要があることが明らかとなった。
また同一材を用いて窒素を主体とした雰囲気にて水素量と露点を変え７５０℃にて１分の焼鈍をした場合の、雰囲気と拡散性水素量との関係を図２に示す。この結果より露点を０℃以下、水素量を１５％以下に制御することで鋼板中の拡散性水素量を０．３ｐｐｍ以下に制御することが可能である。
以上より、鋼板の拡散性水素量はめっき時の雰囲気の水素量および焼鈍温度にて変化し、ホットプレス後の後加工（ピアス）部での水素脆化挙動が大きく変わることが判明した。原板の拡散性水素量が０．３ｐｐｍ以下であれば、後加工後の水素に起因する微小亀裂の発生を抑えることが容易な鋼板となる。

上記の現象を鋼板の成分及び焼鈍条件を変えた結果を表２、及び表３に示す。表２に示す成分の鋼板は前述の表１に示す鋼板と同様に実験室にて製造し、加熱温度を１０５０℃から１２５０℃にて再加熱後に熱間圧延し、酸洗−冷延をして１．６ｍｍの鋼板とした。焼鈍条件を変えめっき処理（アルミめっきあるいはアルミ−亜鉛めっき（ガルバリウム鋼板）及び亜鉛めっき）を行い、鋼板の拡散性水素量を測定した。めっきの付着量はアルミめっきでは両面で１６０ｇ/ｍ²、ガルバリウム鋼板は両面で１５０ｇ/ｍ²、亜鉛めっきは１８０ｇ/ｍ²とした。
これらの鋼板を露点−３５℃の窒素雰囲気にて９００℃に加熱し、５分間この温度で保定後、常温の金型でプレス成形を行った。その後、打ち抜き加工を施し、打ち抜き面での亀裂発生有無を調査し、耐水素脆化特性を評価した。打ち抜きの条件は、ポンチ１０ｍｍφ、ダイス１０．５ｍｍφ、クリアランスは１５．６％にて２０ｍｍ／ｍｉｎで実施した結果を合わせて表３に示す。表３に示すように本発明条件範囲では水素脆化による微小亀裂は認められないが、本発明の範囲を超えた条件にて製造した鋼板では微小亀裂が認められ、水素脆化感受性が高いことが認められた。

本発明におけるの焼鈍温度と拡散性水素量およびホットプレス後のせん断加工後の微小亀裂発生の関係を示す図である。 本発明におけるの焼鈍雰囲気と拡散性水素量の関係を示す図である。

Claims (8)

1. 質量％で、Ｃを０．１%以上、０．５％以下含有する鋼板を焼鈍するに際し、水素濃度１５％以下、露点０℃以下の雰囲気にて６６０℃以上、Ａｃ３点以下の温度にて焼鈍した後に、アルミニウムもしくは亜鉛を主体とするめっきを施し、鋼中の拡散性水素を０．３ｐｐｍ以下とすることを特徴とするホットプレス用鋼板の製造方法。
2. 質量％で、Ｃを０．１%以上、０．５％以下含有するスラブを加熱し、熱間圧延工程における圧延終了温度をＡｒ３変態点以上とし、熱間圧延後の巻取温度を５００℃以上、７５０℃以下とし、酸洗、冷延を施し、水素濃度１０％以下、露点−５℃以下の雰囲気にて６６０℃以上、Ａｃ３点以下の温度にて焼鈍した後に、アルミニウムもしくは亜鉛を主体とするめっきを施し、鋼中の拡散性水素を０．３ｐｐｍ以下とすることを特徴とするホットプレス用鋼板の製造方法。
3. 鋼板が質量％で、Ｃ：０．１%以上、０．５％以下、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．１〜３％を含有し、残部不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
4. 鋼板のＰ，Ｓを質量％で、それぞれＰ≦０．１％、Ｓ≦０．０３％とすることを特徴とする請求項３に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
5. 鋼板が質量％で、さらにＣｒ：０．１〜５％、Ｍｏ：０．１〜３％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％、Ｖ：０．０１〜２％、Ｗ：０．０１〜３％のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項３乃至請求項４に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
6. 鋼板が質量％で、さらにＮ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．００５〜１％、Ｎｂ：０．０１〜１％、Ａｌ：０．００５〜１％のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項３乃至請求項５に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
7. 鋼板が質量％で、さらにＮｉ：０．０１〜５％、Ｃｕ：０．０１〜３％のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項３乃至請求項６に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
8. 鋼板が質量％で、さらにＳｎ：０．００５〜０．１％、Ｓｂ：０．００５〜０．１％のうち１種以上を含有することを特徴とする請求項３乃至請求項７に記載のホットプレス用鋼板の製造方法。
   

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