JP6073025B1 - 切断端面を有する表面処理鋼板の部品およびその切断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面処理鋼板を素材として切断加工された端面を持つ部品に関し、切断端面の耐食性に優れる部品とその切断加工方法を提供する。【解決手段】切断加工された表面処理鋼板の切断端面を含む部品であって、前記切断端面の形状は、板厚方向に現れるダレＺの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるダレＸの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上である部品。また、切断加工するに当たり、ダイとパンチとの間のクリアランスが前記表面処理鋼板の板厚の１〜２０％であり、かつ、ダイまたはパンチの少なくともいずれか一方の肩部に、前記表面処理鋼板の板厚の０．１２倍以上の曲率半径が付与された金型を用いて切断加工する。【選択図】図２

Description

この発明は、自動車や家電製品などの部品として用いられる、表面処理鋼板を素材として切断加工された端面を持つ部品に関し、切断端面の耐食性に優れる部品およびその切断加工方法に関する。

従来、自動車や家電などに用いられる部品として、冷延鋼板からなる素材を切断および塑性加工して所定形状にし、その後に表面処理を施したものが用いられていたが、近年では、部品の耐食性の向上や工程省略によるコスト削減などを目的として、あらかじめ表面処理を施した鋼板を素材として用い、これを切断および塑性加工することによって、塑性加工後の表面処理を省略する部品が多くなってきている。ここで、切断および塑性加工後に表面処理を施す場合、切断端面も同時に表面処理されるため、切断端面における耐食性は平面部と同等になる。他方で、表面処理鋼板を素材として用い、切断および塑性加工後の表面処理工程を省略する場合は、切断端面は切断加工されたままとなり、鋼素地が露出した状態となるため、その部品が置かれた環境によっては、切断端面において赤錆が発生する場合がある。切断端面の赤錆は、外観上の不良となるばかりでなく、時間の経過とともに赤錆発生領域が表面処理された平面部にまで広がるため、部品の強度の低下が懸念され、また、特に家電製品の場合には、錆の欠落による電気的短絡なども懸念される。

打抜き加工された端面の防錆能力を向上させる方法として、例えば特許文献１では、板厚２ｍｍ以下のＺｎ系めっき鋼板において、パンチかダイの何れかの肩部に前記Ｚｎ系めっき鋼板の板厚の０．１〜０．５倍の曲率半径を持たせた金型を用いて打抜き加工を行うことで、打抜き加工後の打抜き端面の剪断面比率を９０％以上にして、かつ、剪断面の亜鉛被覆率を５０％以上にする方法が提案されている。また、特許文献２では、切断端面の形状を、以下に示す式（１）を満足するようにする方法が提案されている。
ｔ^２／（Ｍ・Ｒｓ）≦０．２・・・（１）
ここで、ｔ：板厚、Ｍ：Ｚｎ目付量、Ｒｓ：剪断面比率である。

特許第５２７２５１８号公報 特開平１０−２８０１１６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２で提案されている方法では、板厚が２．０ｍｍ以下までを対象としており、板厚が２．０ｍｍを超える材料に適用しようとしても、剪断面への亜鉛被覆が不十分となることで赤錆が発生するため、適用できない場合が出てくる。
このため、本発明では、主に板厚が２．０ｍｍを超える表面処理鋼板を素材として用いた場合であっても、切断加工された端面における赤錆発生を抑制できる部品を提供することを目的とする。

本発明者らは、上掲の目的を実現すべく実験、検討を行った結果、切断加工後の早期における、切断加工された端面（以下、「切断端面」という場合がある。）への赤錆の発生が、切断端面の板厚方向に現れるダレの大きさ（以下、「ダレＺ」という場合がある。）と、平面方向に現れるダレの大きさ（以下、「ダレＸ」という場合がある。）によって、大きく影響を受けることを知見した。そして、これらの値を一定の範囲内に制御することにより、切断端面における赤錆の発生を抑えられるため、耐食性を格段に向上させることができるとの結論に達した。その要旨は、下記のとおりである。

（１）切断加工された表面処理鋼板の切断端面を含む部品であって、前記切断端面の形状は、板厚方向に現れるダレＺの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるダレＸの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上である、切断端面の耐食性に優れる部品。

（２）ダイとパンチからなる金型を用いて表面処理鋼板を切断加工する方法であって、ダイとパンチとの間のクリアランスが前記表面処理鋼板の板厚の１〜２０％であり、ダイまたはパンチの少なくともいずれか一方の肩部に、前記表面処理鋼板の板厚の０．１２倍以上の曲率半径が付与された金型を用いて切断し、切断加工した切断端面の形状が、板厚方向に現れるだれダレＺの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるだれダレＸの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上となるように切断する、切断加工方法。

以上説明したように、本発明によれば、表面処理鋼板を素材として用いた場合であっても、切断加工を行った切断端面において耐食性に優れる部品を提供することができる。

本発明に係る切断加工の実施の一形態であり、（ａ）は、ダイ肩に曲率半径を付与した切断加工方法を説明する模式図であり、（ｂ）は、パンチ肩に曲率半径を付与した切断加工方法を説明する模式図である。 切断端面におけるダレＺおよびダレＸを説明するための模式的な断面図である。 めっき金属が切断端面に回り込む長さＬを説明するための模式的な断面図である。

本発明者らは、表面処理鋼板の板厚、切断加工の条件、表面処理条件などを種々の範囲で変化させた実験を行い、切断端面における赤錆の発生状況と、切断端面の形状などとの関係を調査した。その結果、切断端面のダレの大きさが、ダレＺについては板厚の０．１０倍以上の範囲に、ダレＸについては板厚の０．４５倍以上の範囲に入るように切断加工を行えば、切断加工後の時間経過とともに切断端面における赤錆の発生を抑制できることがわかった。

ここで、切断加工は、剪断手段を用いて、切断、打抜、穴明け等が行われる。図２は、切断加工された鋼板の断面形状を模式的に示したものである。切断加工を行った後の切断端面には、図２に示すように、「ダレ」、「剪断面」、「破断面」が形成される。このうち「ダレ」は、鋼板へのパンチの進行とともに、鋼板の表面に引張力が作用し、鋼板の表面が変形して形成されるものである。本明細書では、板厚方向に現れるものを「ダレＺ」といい、平面方向に現れるものを「ダレＸ」という。

このような条件で表面処理鋼板が剪断加工されることにより、鋼板に掛かる引張力と剪断力がともに高められ、素地鋼板の表面に被覆されためっき金属層が、切断端面に回り込むようになる。そのようなめっき金属層の回り込みにより、切断端面のうち剪断面の少なくとも一部が被覆され、この被覆されためっき金属層が犠牲防食作用をもたらすため、切断端面における赤錆の発生が抑制される。

このときの、めっき金属層が切断端面に回り込んだ長さは、図３の図中に示した符号Ｌで示されるように、表面処理鋼板の厚さ方向に沿って、めっき金属層の厚さを含むダレＺの厚さと、剪断面に回り込んだめっき金属層の長さの合計として定義される。

ダレＺおよびダレＸの上限は、板厚や剪断加工の条件に応じて適宜設定される。このうち、ダレＺの上限は、板厚の０．４０倍以下が好ましく、板厚の０．２５倍以下がより好ましい。また、ダレＸの上限は、板厚の１．５０倍以下が好ましく、板厚の１．００倍以下がより好ましい。

本発明に従い、ダレの大きさが前述の範囲になるように切断端面の形状を制御することにより、引張力によってめっき金属の変形、移動が促進され、切断端面へのめっき金属の回り込み量が多くなるため、切断端面がめっき金属を被覆する領域も広くなる。このことにより、切断端面における初期耐食性が向上する。ダレの大きさがより小さい場合は、めっき金属の変形、移動が少なくなるため、切断端面へのめっき金属の回り込みが不十分となってしまう。

ここで、ダレの大きさの制御は、切断工具のクリアランスや工具の金型肩部の曲率半径にて行うことが容易であるが、金型を動かす切断速度（打抜き速度）などの条件の変更などにより行うこともできる。

（表面処理鋼板）
本発明において用いられる表面処理鋼板としては、表面にめっきが施された鋼板を用いることが好ましい。ここで、めっきとしては、Ｚｎ系、Ｚｎ−Ａｌ系、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ―Ｓｉ系の金属めっき又は合金めっきが挙げられる。その中でも、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金めっきが施された鋼板を用いることが好ましい。ここで、合金めっきとしては、めっきの全モル数に対して、Ｚｎを８０質量％以上含有することが好ましく、９０質量％以上含有することがより好ましい。

ここで、表面処理鋼板におけるめっき付着量は、好ましくは６０ｇ／ｍ^２、より好ましくは９０ｇ／ｍ^２を下限とし、また、好ましくは４５０ｇ／ｍ^２、より好ましくは１９０ｇ／ｍ^２を上限とする。特に、表面処理鋼板へのめっき付着量を９０ｇ／ｍ^２以上にすることで、切断端面にめっき金属が回り込み易くなるため、剪断加工後の耐食性を向上できる。

本発明は、板厚が大きい表面処理鋼板を用いても、切断端面の耐食性に優れる部品が得られる。切断加工に供される表面処理鋼板の板厚は、作製される部品の形状、機械的強度、重量等に基づいて適宜に設定できる。例えば、２．０ｍｍを超える板厚の表面処理鋼板を用いても、切断端面にめっき金属が十分に回り込み、切断端面を被覆するので、切断加工後の耐食性が向上する。

（切断加工）
表面処理鋼板への切断加工には、ダイとパンチからなる金型が用いられる。ここで、図１の（ａ）、（ｂ）は、金型２、３によって表面処理鋼板１が切断加工される形態を示している。図１の（ａ）、（ｂ）に示されるように、ダイ３と板押さえ５とで挟持された表面処理鋼板１は、パンチ２の押し込みによって剪断されて、分離した部品７が得られる。ダイ３の肩部（図１（ａ））またはパンチ２の肩部（図１（ｂ））のうち少なくともいずれか一方には、曲率半径を付与して湾曲形状にすることが好ましい。

金型におけるダイ３またはパンチ２の少なくとも一方の肩部が、表面処理鋼板に接する部位において湾曲した形状であると、切断加工を行う際に、ダイ３の肩部またはパンチ２の肩部に沿うように鋼板が変形するため、鋼板が平面方向に引っ張られ易くなって、ダレＸ及びダレＺの増大に寄与する。そのため、金型に付与される曲率半径は、表面処理鋼板の板厚の０．１２倍以上が好ましい。例えば、図１（ｂ）の実施形態は、パンチ２の肩部が湾曲形状である金型を用いた例である。ダイ３と板押さえ５とで挟持された側の表面処理鋼板は、当該パンチ２が押し込まれるにつれて、上述した鋼板表面の変形が生じ易くなり、その切断端面においてめっき金属の回り込みが促進され、切断端面の耐食性が良好である部品７が得られる。図２に示した模式図は、図１（ｂ）の右側に位置する部品７の切断端面に相当する。図１（ａ）に示すようなダイ３の肩部が湾曲形状である金型を用いる場合は、ダイ３の穴側に落ちる部品７の切断端面において、上述した鋼板表面の変化が生じ易くなり、めっき金属の回り込みが促進されて、切断端面の耐食性が良好である部品７が得られる。

また、金型に付与する曲率半径の上限は、表面処理鋼板の板厚の０．５０倍以下が好ましく、０．３０倍以下がより好ましい。

金型における、ダイとパンチとの間のクリアランスは、表面処理鋼板の板厚の２０％以下が好ましい。これにより、パンチ２による鋼板への剪断力を大きくすることができるため、ダレＺを大きくし易くできる。他方で、ダイとパンチとの間のクリアランスは、鋼板を平面方向に引っ張られ易くすることで、ダレＸを大きくし易くする観点から、表面処理鋼板の板厚の１％以上が好ましく、３％以上がより好ましい。

金型による表面処理鋼板の打ち抜き速度は、ダイとパンチとの間のクリアランスに基づいて設定することができ、好ましくは１０ｍｍ／ｓ、より好ましくは２０ｍｍ／ｓ以上を下限としてもよい。他方で、金型による表面処理鋼板の打ち抜き速度の上限は、好ましくは２００ｍｍ／ｓ、より好ましくは１２０ｍｍ／ｓ以下としてもよい。

表面処理鋼板として、板厚が０．８、１．２、２．３、３．２、４．５、６．０（ｍｍ）で、めっき付着量９０、１９０（ｇ／ｍ^２）であるＺｎ−６％Ａｌ−３％Ｍｇ（質量比）合金めっき鋼板を用いた。切断加工は、１辺の長さが４０ｍｍの角型ダイ３と、クリアランスに応じて辺の長さを変更したパンチ２を用い、板押さえ５により表面処理鋼板１を保持して行った。このとき、ダイ３の肩部またはパンチ２の肩部の少なくともどちらか一方に曲率半径４を付与して湾曲形状にした。

剪断加工して得られた部品の形状について、ダレＺとダレＸの大きさを測定した。また、切断端面へのめっき回り込みについて、部品の直辺部の中央部分の断面を顕微鏡にて観察し、表面処理鋼板の厚さ方向についての、めっき金属が端面に回り込んだ長さＬを測定した。なお、測定されたサンプルは、図１（ａ）、（ｂ）の部品７に示すように、曲率を付与したダイまたはパンチと相対する側に位置して、切断加工により分離された表面処理鋼板である。

切断加工して得られた部品を屋外にて大気曝露試験を行い、切断端面へ目立った赤錆が発生するまでの日数を１５日ごとに観察した。その結果を表１に示す。表１には、各部品に用いた表面処理鋼板や、切断加工の条件も合わせて示している。ここで、金型の曲率半径（板厚比）は、ダイ３の肩部またはパンチ２の肩部に付与された丸みを板厚で除したものである。意図的に丸みを付与していないものは、この欄に「＜０．０１」と記すとともに、「曲率を付与した金型」欄に「無」と表示した。また、本発明例１３では、ダイ、パンチの両方に、板厚比の曲率半径が０．１４となる丸みを付与した。

表１に示すように、本発明に相当する本発明例１〜１５は、板厚方向に現れるダレＺの大きさが表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるダレＸの大きさが表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上であった。その切断端面は、赤錆発生まで９０日以上の良好な耐食性を示した。また、本発明例１〜１５は、板厚（［Ａ］）に対するめっきの回り込み長さＬ（［Ｂ］）の割合を示す［Ｂ］／［Ａ］値が０．３０以上の高い範囲にあった。

それに対し、比較例１、２、４、５は、ダレＺが０．１０未満であったため、切断端面の赤錆発生までの日数は、９０日を下回っており、本発明例と比べて耐食性が劣った。これらの比較例は、金型に曲率を設けていないため、ダレＺが低減したと推察される。

比較例３は、ダレＸが０．４５未満であったため、切断端面の赤錆発生までの日数が９０日を下回っており、本発明例と比べて耐食性が劣った。また、比較例１〜５は、板厚に対するめっきの回り込み長さＬの割合（［Ｂ］／［Ａ］）が０．３０未満の範囲にあった。

以上によると、切断端面の形状に関して、ダレＺ及びダレＸの両方を所定以上の範囲とすることにより、良好な耐食性を有する切断端面が得られることを確認できた。

１ 表面処理鋼板
２ パンチ
３ ダイ
４ 金型の肩に付与した曲率半径
５ 板押さえ
６ クリアランス
７ 部品
１０ めっき金属層

Claims (4)

1. 切断加工された表面処理鋼板の切断端面を含む部品であって、
   前記切断端面の形状は、板厚方向に現れるダレＺの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるダレＸの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上であり、
   前記切断端面の表面は、当該表面処理鋼板の表面に被覆されためっき金属層が回り込んだ当該めっき金属層によって被覆された、切断端面の耐食性に優れる部品。
2. 前記表面処理鋼板が、Ｚｎ系めっき鋼板である請求項１に記載の切断端面の耐食性に優れる部品。
3. ダイとパンチからなる金型を用いて表面処理鋼板を切断加工する方法であって、
   ダイとパンチとの間のクリアランスが前記表面処理鋼板の板厚の１〜２０％であり、
   ダイまたはパンチの少なくともいずれか一方の肩部に、前記表面処理鋼板の板厚の０．１２倍以上の曲率半径が付与された金型を用いて切断し、
   切断加工した切断端面の形状が、板厚方向に現れるダレＺの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．１０倍以上であり、かつ、平面方向に現れるダレＸの大きさが前記表面処理鋼板の板厚の０．４５倍以上となるように切断する、切断加工方法。
4. 前記表面処理鋼板が、Ｚｎ系めっき鋼板である請求項３に記載の切断加工方法。

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