(57)【要約】      （修正有）【課題】高温成形後に１２００ＭＰａ以上の強度を得ることができ、かつ水素脆化の懸念の極めて少ない熱延・冷延鋼板、またAl系めっき鋼板あるいはZn系めっき鋼板を使用した熱間プレス方法および熱間プレス部品を提供する。【解決手段】鋼成分として質量%でC:0.05〜0.5%を含有する鋼板、またはAlもしくはZnを主体とするめっきを施した鋼板を使用して自動車部材を熱間プレス法で製造するに際し、プレス前の加熱温度をAc3以上、1100℃以下とし、加熱雰囲気中の水素濃度を6体積%以下、露点を10℃以下とすることを特徴とする高強度自動車部材の熱間プレス方法および熱間プレス部品。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼成分として質量%でC:0.05〜0.5%を含有する鋼板、またはAlもしくはZnを主体とするめっきを施した鋼板を使用して自動車部材を熱間プレス法で製造するに際し、プレス前の加熱温度をAc3以上、1100℃以下とし、加熱雰囲気中の水素濃度を6体積%以下、露点を10℃以下とすることを特徴とする高強度自動車部材の熱間プレス方法。
【請求項２】
加熱雰囲気中の水素濃度が1体積%以下、露点が10℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の高強度自動車部材の熱間プレス方法。
【請求項３】
加熱後鋼板をプレス機に導入し、成形する際のダイスとパンチ間の間隙（クリアランス）が使用する鋼材の板厚の1.0〜1.8倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱間プレス方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の熱間プレス方法を用いることを特徴とする熱間プレス部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷延、熱延鋼板もしくはＡｌ系またはZn系めっき鋼板を使用して自動車のピラー、ドアインパクトビーム、バンパービーム等の強度部材を製造する際の熱間プレス方法および熱間プレス部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、特開２０００−２３４１５３号公報に開示されている。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、特開２０００−８７１８３号公報では、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開２０００−３８６４０号公報に提案されている。
【０００３】
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鋼成分により決まるマルテンサイト変態の臨界冷却速度以上の冷却速度にて冷却を施す技術が文献（SAE、2001-01-0078）や、特開2001-181833号公報に開示されている。前者の文献においては加熱する際の表面のスケール発生を抑制するためにAlめっき鋼板を使用することが開示されている。このようなプレス工程を本発明においては熱間プレスと呼ぶ。
【０００４】
このようなめっき鋼板を使用した熱間プレスに関する先行技術としては、以下が挙げられる。特開2003-147499号公報において、Fe-Zn合金からなるめっき層で被覆した鋼板を熱間プレスに使用する例が、また特開2003-41343号公報にはFe-Al合金からなるめっき層で被覆されたAl系めっき鋼板を熱間プレスに使用する例がそれぞれ開示されている。
また、特開2002-282951号公報にてダイスとパンチを用いて、加熱された金属板材をプレスする方法として、成形性と焼き入れ性の観点で金型のクリアランスを規定した例が開示されている。
【特許文献１】特開2000-87183号公報
【特許文献２】特開2000-38640号公報
【特許文献３】特開2001-181833号公報
【特許文献４】特開2003-147499号公報
【特許文献５】特開2003-41343号公報
【特許文献６】特開2002-282951号公報
【非特許文献１】SAE、2001-01-0078
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、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上述した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。従って熱間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重要となる。
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、かつ水素脆化の懸念の極めて少ない熱延・冷延鋼板、またAl系めっき鋼板あるいはZn系めっき鋼板を使用した熱間プレス方法およびプレス部品を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、プレス前のオーステナイト単相域に加熱する際の雰囲気及び温度を制御することが耐水素脆性に優れた熱間プレス用めっき鋼板が製造するために極めて重要であることを見出した。つまりこの加熱の際の雰囲気中に水素が含有されているとこの水素が鋼板に侵入し、また水分が含有されていても同様に水素が鋼板に侵入する可能性があることから、これらの成分を少なくすることが重要である。また水素脆化を防止するために金型のクリアランスを適正に選択することが重要であることも見出した。かかる知見に基づく本発明の要旨とするところは下記のとおりである。
（１）鋼成分として質量%でC:0.05〜0.5%を含有する鋼板、またはAlもしくはZnを主体とするめっきを施した鋼板を使用して自動車部材を熱間プレス法で製造するに際し、プレス前の加熱温度をAc3以上、1100℃以下とし、加熱雰囲気中の水素濃度を6体積%以下、露点を10℃以下とすることを特徴とする高強度自動車部材の熱間プレス方法。
（２）加熱雰囲気中の水素濃度が1体積%以下、露点が10℃以下であることを特徴とする請求項（１）に記載の高強度自動車部材の熱間プレス方法。
（３）加熱後鋼板をプレス機に導入し、成形する際のダイスとパンチ間の間隙（クリアランス）が使用する鋼材の板厚の1.0〜1.8倍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方法。
（４）（１）乃至（３）のいずれか一に記載の熱間プレス方法を用いることを特徴とする熱間プレス部品。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、熱延、冷延鋼板、またＡｌ系めっき鋼板あるいはZn系めっき鋼板を使用して熱間プレス工法により高強度部材を製造することができ、なおかつ水素脆化なく使用することが可能となるものであり、その工業的意義は極めて大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に本発明の限定理由について説明する。
前述したように、本発明は熱延、冷延鋼板、またはＡｌ系、Zn系めっき鋼板を700℃以上に加熱後、熱間で成形して直ちに金型で冷却、焼入れして所望の強度を得るもので、本発明においては加熱、プレス成形前の鋼板を規定するものとする。鋼板成分としては焼入れ性に優れていることが必要で、このためにはC量0.05%以上が必要であり、望ましくは0.1%以上である。他の鋼中元素については、Si、Mn、Ti、B、Cr、Mo、Al、P、S、N等の元素が添加される場合がある。Siは疲労特性に効果があり含有させる場合は0.05〜1％とするのが望ましい。Mn、B、Cr、Moは焼入れ性の向上に寄与するので含有させる場合はMn：0.5〜3%、B：0.05%以下、Cr：2%以下、Mo：0.5%以下とするのが望ましい。Ti、AlはAl系めっき鋼板の耐酸化性を向上させるので含有させる場合はTi：0.5%以下、Al：0.1%以下とするのが望ましい。
【０００９】
めっき種としてはAｌ系、またはZn系めっきを施した鋼板が考えられ、これらを熱間プレスに用いると、表面の酸化鉄の生成を抑制し、耐食性を付与することが可能となる。
まずAl系めっき層の構成について述べる。現在種々の用途向けにAl系めっき鋼板が製造されており、本発明はこれらの鋼板の適用が可能である。Al系めっき層の構成としては、Alを主成分とし、溶融Alめっき時の合金層の生成を抑制するためにSiを望ましくは3〜15％含有させた鋼板がある。この他にめっき層の耐食性をより向上させる元素としてCr、Mg、Ti、Sn等があり、これらを添加することも可能である。この際にはCr：0.1〜1%、Mg：0.5〜10%、Ti：0.1〜1%、Sn：1〜5%含有させるのが望ましい。なおAl系めっき層中にはFeが不純物として含有され、この量は通常0.05〜0.5%である。
なお、加熱後表面にはFeAl3、Fe2Al5、Fe3Al、Fe2Al8Si等の金属間化合物が生成し得る。これらの相は代表的には５層構造となる複層構造をとる傾向にあるが、これらの相構造がどのようなものになろうと本願発明の主旨が損なわれるものではない。またその組成としてはAl、Feを主成分とし、Alめっき浴にSiを添加したときにはSiも5〜10%程度含有される。これらの元素の組成が合計で90%以上を占める。また微量の合金化していないAlが残存することもありうるが、少量であれば特に性能には影響しない。加熱後Al系の酸化物や窒化物が表面を覆うがこれらの量については特に規定しない。
【００１０】
次にZn系めっき層の構成について述べる。Zn系めっき鋼板は現在種々の組成のものが製造されており、本発明はこれらの鋼板の適用が可能である。代表的なZn系めっき層の構成としては、次のようなものが挙げられる。Zn-0.2%Al、Zn-5%Al-0.1%Mg、Zn-5%Al-0.1%Mg-ミッシュメタル、Zn-7%Al-3%Mg、Zn-11%Al-3%Mg-0.1%Si、Zn-55%Al-1.6%Si等。この他にZn-0.1%Al浴でめっきした後に加熱することでZn-10%Feに変化させたようなものもある。この他にめっき層の耐食性をより向上させる元素としてCr、Mg、Ti、Sn等があり、これらを添加することも可能である。この際にはCr：0.1〜1%、Mg：0.5〜10%、Ti：0.1〜1%、Sn：1〜5%含有させるのが望ましい。
なお、加熱後表面にはζ、δ1、Γ、Γ1相等の金属間化合物やZnを固溶したフェライト相が生成し得る。これらの相は層状に分布したり、あるいは粒状に分布し得るがこれらの相構造がどのようなものになろうと本願発明の主旨が損なわれるものではない。またその組成としてはAlを含有するめっきであれば前記したFe-Al系化合物が生成することもありうる。Zn系めっきの場合、加熱後にZn系、あるいはAl系の酸化膜が生成するがこれらが生成しても本発明の趣旨を損なうものではない。
【００１１】
Al系、Zn系めっきの付着量、めっき前処理、後処理については特に限定するものではないが、めっき付着量は片面50g/ｍ2以上であることが望ましい。めっき付着量が多いほど、加熱時の酸化抑制効果、加熱、成形後部品にした際の耐食性が向上するためである。めっき後処理として一次防錆、潤滑性を目的としてクロメート処理、樹脂被覆処理等ありうるが、有機樹脂は加熱すると消失してしまうため好ましくない。クロメート処理も近年の6価クロム規制を考慮すると、電解クロメート等の3価の処理皮膜が好ましい。クロメート皮膜を付与せず、塗油だけとすることも耐食性に優れたAl系めっき鋼板の場合には可能である。
本発明において加熱時の温度と雰囲気を規定するものであり、その温度はAc3以上、1100℃以下とする。これは鋼板が完全にオーステナイト単相域に変態するためにAc3温度以上が必要であり、一方加熱温度が高すぎると表面が酸化したり、鋼中への水素の侵入が活発になることによる。Zn系めっきを使用する場合にはこれに加えてZnの沸点が約910℃であまり高温ではZnが完全に蒸散して鋼板の酸化が激しくなるために1000℃を上限とすることが望ましい。さらに望ましくは、上限温度920℃である。下限温度は800℃とすることが望ましい。Ac3温度以上に加熱しても加熱後に鋼板を炉から出してプレス機に移送する間に温度が低下してフェライトが生成してしまうことがあるためである。
【００１２】
加熱雰囲気は水素濃度を6体積%以下とする。これは前述したように鋼中に水素が侵入することで水素脆化の懸念を高めるためである。下限は特に設けず、低い方が好ましい。より好ましくは水素量が1%以下である。同様に雰囲気中の水分も容易に鋼中に水素として侵入し得ることを本発明において知見した。このため雰囲気中水分も低い方が好ましく、実用上露点を測定して水分量を測定するが、露点の上限を10℃とする。なお、露点と水分量の換算については下の式が知られ、この時の水分量としては1.2体積%である。特にZn系めっき鋼板を使用するときには雰囲気中に酸素が含有されている方が、鋼板表面にZnの酸化物を形成してZnの蒸発を抑制する傾向にある。このためZn系めっき鋼板を使用するときには雰囲気中に酸素を1〜21%含有することが好ましい。また、めっき鋼板だけでなく、めっきを施さない鋼板（裸材）についても加熱中の水素侵入があるので加熱雰囲気中の水素濃度と水分量の管理が必要である。
【数１】
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【００１３】
加熱方法については特に規定を設けず、ラジアントチューブ等で輻射加熱しても、誘導加熱、通電加熱等を使用してもよい。このときの加熱速度も限定しない。これは当然板厚、形状に大きく依存する。
熱間プレスはオーステナイト相から冷却して焼入組織を得ることに特徴があり、当然加熱後の冷却速度の影響が大きい。本発明においては鋼成分により決まるマルテンサイト組織を得るための臨界冷却速度以上で冷却することが必要となるが、目安として700℃から350℃までの平均冷却温度が15℃/sec以上であることが望ましい。この冷却速度は鋼成分に依存し、焼入れ性の良好な鋼では20℃/sec程度の冷却速度でも所望のマルテンサイトを主体とする組織が得られるし、鋼種によっては30℃/sec程度の冷却速度が必要となると考えられる。
プレス時にはダイスとパンチの間隙（クリアランス）が重要な因子の１つであるが、本発明においてはこのクリアランスが板厚の1.0〜1.8倍であることが望ましい。クリアランスが狭いと板が流入し難く、しごき加工となるため鋼板表面にカジリが発生し、水素脆化の起点となる可能性があると考えられる。また広いと焼入され難くなる傾向にあり、部品中にて強度むらが生じて部品内に残留応力が残って水素脆化の懸念が高まると考えられる。
【実施例】
【００１４】
次に実施例で本発明をより詳細に説明する。
（実施例１）
表１に示すような鋼成分を有する板厚1.4mmの冷延鋼板を種々の条件で加熱し、その後第１図に示すハット形状の金型で成形した。クリアランスは板厚の1.1倍とした。その後ハットのフランジ部に5mmφ、クリアランス0.5mm(両側)の打抜きを10点行い、７日経過後に20倍のルーペで打抜き部を観察して微小クラックの有無判定した。加熱は試料を雰囲気制御した電気炉内に挿入することで行った。900℃までの昇温時間はほぼ4分、炉からプレスまでの時間は約10秒で、プレス開始温度は約750℃だった。冷却は金型で行い、700℃から350℃までの平均冷速は40℃/秒であった。加熱条件と微小クラックの有無を表２に示す。なお、ハット成形後一部の切出し荷重10kgfでビッカース硬度を測定したところ、全ての水準においてHv：410〜510の範囲にあり、組織はマルテンサイト組織を示した。また熱間プレス後にはこれらの鋼板の表面には酸化鉄が発生した。
実施例１のNo.8は露点が高いために微小クラックが5個以上発生した。No.1とNo.3は水素量が1%以上であったため、微小クラックが少量発生した。
【００１５】
【表１】
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【表２】
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（実施例２）
【００１６】
通常の熱延、冷延工程を経た、表３に示すような鋼成分の冷延鋼板（板厚1.4mm）を材料として溶融Alめっきを行った。溶融Alめっきは無酸化炉−還元炉タイフ゜のラインを使用し、めっき後ガスワイピング法でめっき付着量を片面80g/ｍ2に調節し、その後冷却した。この際のめっき浴組成としてはAl-10%Si-2%Fe、浴温は660℃であった。浴中のFeはめっき機器やストリップから供給される不可避のものである。めっき外観は不めっき等なく良好であった。このようにして製造した溶融Alめっき鋼板を種々の条件で加熱し、その後第１図に示すハット形状の金型で成形した。クリアランスは板厚の1.1倍とした。その後ハットのフランジ部に5mmφ、クリアランス0.5mm(両側)の打抜きを10点行い、7日経過後に20倍のルーペで打抜き部を観察して微小クラックの有無判定した。加熱は試料を雰囲気制御した電気炉内に挿入することで行った。900℃までの昇温時間はほぼ4分、炉からプレスまでの時間は約10秒で、プレス開始温度は約750℃だった。冷却は金型で行い、700℃から350℃までの平均冷速は40℃/秒であった。加熱条件と微小クラックの有無を表４に示す。なお、ハット成形後一部の切出し荷重10kgfでビッカース硬度を測定したところ、全ての水準においてHv：410〜510の範囲にあり、組織はマルテンサイト組織を示した。また熱間プレス後にはこれらの鋼板の表面には酸化鉄が発生しなかった。
【００１７】
【表３】
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【表４】
2006051543.tif 000007
【００１８】
表４に示すように加熱雰囲気及び温度により鋼中に侵入する水素量が変化して微小クラックに対する感受性が変化する。水素濃度が10vol%のNo.5、露点が15℃のNo.8には5個以上のクラック発生が認められた。水素濃度、露点を下げるにつれてクラックの発生は抑制されていくが、No.6、11、16のような場合には若干のクラックが発生した。
（実施例3）
【００１９】
表５に示すような鋼成分を有する板厚1.4mmの冷延鋼板を用いて種々のZn系めっきを施した。このときのめっき種と浴成分、浴温を表６に示す。これらのZn系めっき鋼板を使用して実施例１と同様にハット成形を行い、打抜き加工後の微小クラックの入り方を観察した。この時の加熱条件とクラック発生状況の関係を表７に示す。冷却は金型で行い、700℃から350℃までの平均冷速は20℃/秒であった。実施例１と同様に成形後の断面硬度を測定したところ、全てHv：410〜510の間にあり、組織もマルテンサイト組織を示した。また熱間プレス後にはこれらの鋼板の表面には酸化鉄が発生しなかった。
【００２０】
【表５】
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【表６】
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【表７】
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【００２１】
実施例１、２と同様に表７のNo.8は露点が高いために微小クラックが発生した。No.1、３は水素量が1%よりも大きいため、微小クラックが若干発生した。 またNo.１〜3は酸素濃度が低いために、炉内でのZnの蒸発に伴う炉内の汚れ、鋼板表面の劣化が認められた。
（実施例４）
【００２２】
通常の熱延、冷延工程を経た、表８に示すような鋼成分の冷延鋼板（板厚1.4mm）を材料として用いた。その一部は溶融Alめっき、または溶融Zn系めっきを施した。溶融めっきは無酸化炉−還元炉タイフ゜のラインを使用し、めっき後ガスワイピング法でめっき付着量を調節し、その後冷却しためっき外観は不めっき等なく良好であった。めっき種と浴成分、浴温を表９に示す。
【００２３】
【表８】
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【表９】
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【００２４】
このようにして製造した鋼板を種々の条件で加熱し、その後第１図に示すハット形状の金型で成形した。熱間プレス時のクリアランスを表１０に示す。その後ハットのフランジ部に5mmφ、クリアランス0.5mm(両側)の打抜きを10点行い、7日経過後に20倍のルーペで打抜き部を観察して微小クラックの有無判定した。加熱は試料を雰囲気制御した電気炉内に挿入することで行った。900℃までの昇温時間はほぼ4分、炉からプレスまでの時間は約10秒で、プレス開始温度は約750℃だった。冷却は金型で行い、700℃から350℃までの平均冷速は40℃/秒であった。加熱条件と微小クラックの有無を表１０に示す。なお、ハット成形後一部の切出し荷重10kgfでビッカース硬度を測定したところ、全ての水準においてHv：410〜510の範囲にあり、組織はマルテンサイト組織を示した。
【００２５】
【表１０】
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【００２６】
表１０のNo.1、 7、 13は熱間プレス時の金型のクリアランスが制限以下であったため５個以上の微小クラックが認められた。表１０のNo.6、 12 、 18は熱間プレス時の金型のクリアランスが制限以上であったため、強度むらが生じて部品内に残留応力が残って５個以上の微小クラックが認められた。No.5、 11、 17は熱間プレス時の金型のクリアランスが大きめであったため強度むらが生じて部品内に残留応力が残る傾向を示すため、微小クラックが若干発生した。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例の加工試験に用いるハット形状の金型の外形図である。
【図１】
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