(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱装置および冷却装置を中空鋼部材に対して相対移動させながら、前記加熱装置により前記中空鋼部材を局部的にＡｃ３点以上１１００℃以下の温度域に加熱し、次いで冷却装置により冷却して熱処理することにより熱処理中空鋼部材を製造する方法であって、前記加熱装置および前記冷却装置に対する前記中空鋼部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、前記中空鋼部材の内部に、０．０１〜１体積％の酸素および不活性ガスを含む気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流すことを特徴とする熱処理中空鋼部材の製造方法。
【請求項２】
前記気体は、０．０１〜１体積％の酸素を含み、残部が不活性ガスおよび不可避的不純物からなるガスであることを特徴とする請求項１に記載された熱処理中空鋼部材の製造方法。
【請求項３】
前記気体の流速は、２．０ｍ／秒以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された熱処理中空鋼部材の製造方法。
【請求項４】
加熱装置および冷却装置を中空金属部材に対して相対移動させながら、前記加熱装置により前記中空金属部材を局部的に加熱し、次いで冷却装置により冷却して熱処理することにより熱処理中空金属部材を製造する方法であって、
前記加熱装置および前記冷却装置に対する前記中空金属部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、前記中空金属部材の内部に気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流し、
前記中空金属部材における、前記局部的に加熱した部位に曲げモーメントまたはせん断力を与えて二次元または三次元に屈曲した所望の形状に曲げ加工またはせん断加工することを特徴とする熱処理中空金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面の化成処理性に優れる熱処理中空金属部材の製造方法に関し、具体的には、中空の鋼材に熱処理または熱処理を伴う曲げ加工を行って製造され、高強度と優れた化成処理性を有することから、例えば自動車用として好適に用いられる熱処理中空金属部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題および衝突安全性能の観点から、自動車用構造部品の薄肉化および高強度化が求められている。これらの要求に応えるべく、高強度鋼板を素材とする自動車用構造部品が増加している。しかし、高強度鋼板を素材としてプレス成形により自動車用構造部品を製造すると、しわやスプリングバックといった成形不良が生じ易くなる。このため、高強度鋼板を素材としてプレス成形により自動車用構造部品を製造することは容易ではない。
【０００３】
このような問題を解決する手法として、鋼材を熱間で加工し、かつ急冷して焼入れすることにより高強度の成形品を製造する技術が実用化されている。例えば、熱間プレス（ホットスタンプともいう）は、成形素材である鋼板が高温で軟質かつ高延性になっているため、複雑な形状を寸法精度よく成形することが可能である。さらに、鋼板をオーステナイト域に加熱しておき、金型内で急冷することにより、マルテンサイト変態による鋼板の高強度化が同時に達成できる。
【０００４】
しかし、８００〜１０００℃といった高温に加熱するため、鋼板表面が酸化するという問題が生じる。このスケールが残存すると、次工程で塗装する場合に鋼板と塗膜の密着性が劣り、耐食性の低下を招く。そこでプレス成形後は、ショットブラスト等のスケール除去処理が必要となる。
【０００５】
特許文献１には、中空の鋼材（例えば鋼管）の曲げ加工方法において、加熱装置および冷却装置を鋼材に対して相対移動させながら、加熱装置により鋼材を局部的に加熱し、加熱により変形抵抗が大幅に低下した部位に曲げモーメントを与えて二次元または三次元に屈曲した所望の形状に曲げ加工し、次いで冷却装置により冷却して焼入れする技術（本明細書では「三次元熱間曲げ焼入れ（3DQ:3 Dimensional Hot Bending and Direct Quench）」という）が開示されている。この三次元熱間曲げ焼入れによれば、高い曲げ加工精度を有する、例えば９００ＭＰａ級以上の高強度の成形品を効率よく製造することができる。
【０００６】
しかし、この方法においても、鋼材をオーステナイト域に加熱して冷却媒体で急冷することによってマルテンサイト変態による鋼材の高強度化を図っているため、製造された成形品の表面に酸化スケールが生成して、次工程で塗装する場合に鋼材と塗膜の密着性が劣り、耐食性の低下を招くという問題がある。
【０００７】
これらの問題に対して、本出願人は特許文献２により、鋼材をその長手方向へ送りながら、送られる鋼材を焼入れ可能温度域に加熱した後に冷却して鋼材を焼入れる際に、酸化スケールの発生を抑制もしくは解消することができる焼入れ鋼材の製造方法及び製造装置に関する発明を開示した。
【０００８】
この発明によれば、鋼材をその長手方向へ送りながら、送られる鋼材から離間して第１の位置に配置される加熱装置により鋼材を焼入れ可能温度域に加熱し、第１の位置よりも鋼材の送り方向の下流の第２の位置に配置される冷却装置により鋼材に冷却媒体を吹き付けることにより鋼材を焼入れる際に、鋼材における、加熱装置により加熱された部分の周囲の空間に、不活性ガス又は還元性ガスを充満させることで、酸化スケールの生成を抑制した焼入れ鋼材を製造方法することが可能になる。さらに、鋼材の内部に不活性ガス又は還元性ガスを供給することにより、鋼材の内面におけるスケールの形成をも抑制もしくは解消することができるようになる。
【０００９】
一方、金属管の管内の清浄化に着目した熱処理方法として、特許文献３に開示された発明がある。この発明では、第１の方法として、ペイオフテーブルに載置された金属管コイルから巻き解かれた金属管を加熱炉に通して連続的に熱処理した後、レシービングテーブルに巻き取る金属管の熱処理方法において、レシービングテーブル側の金属管コイルの管端から熱処理中の金属管内にパージガスを吹き込んで金属管内の残油を除去する。第２の方法として、ペイオフテーブルに載置された金属管コイルから巻き解かれた金属管を加熱炉に通して連続的に熱処理した後、レシービングテーブルに巻き取る金属管の熱処理方法において、ペイオフテーブル側の金属管コイルの管端から熱処理中の金属管内にパージガスを吹き込んで金属管内の残油を除去する。第３の方法として、ペイオフテーブルに載置された金属管コイルから巻き解かれた金属管を加熱炉に通して連続的に熱処理した後、レシービングテーブルに巻き取る金属管の熱処理方法において、ペイオフテーブル側の金属管コイルの管端から熱処理中の金属管内にパージガスを吹き込んだ後、レシービングテーブル側の金属管コイルの管端から熱処理中の金属管内にパージガスを吹き込んで金属管内の残油を除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−８３３０４号公報
【特許文献２】特開２０１１−８９１５０号公報
【特許文献３】特開平９−２１７１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
例えば自動車の構造部材として用いられる中空金属部材のうち、自動車の使用状態においてその内部に水分が侵入する可能性があるものについては、中空部材の外面側だけでなく内面側についても耐食性が必要であり、内面側にも塗装およびその下地処理としての化成処理が施される。このため、それらに用いられる熱処理中空金属部材には、内面の化成処理性に優れることが要求される。
【００１２】
特許文献１により開示された製造方法において、熱処理で酸化スケールが部材外面に生成すると、前述の通り塗膜の密着性が劣り耐食性が低下するが、中空部材の内面に関しては、中空部材の内部の空間に存在する酸素の量が限定され、かつ内面は冷却水や水蒸気に触れることもないため、外面に比べればスケールの生成量は少ない。しかし、ある程度の量のスケールは生成して、極端な塗膜密着性の劣化はもたらさないまでも、内面の化成処理性に悪影響を及ぼす。
【００１３】
その内面のスケール生成を抑制するため、特許文献２により開示された方法により中空部材の内部に不活性ガスまたは還元性ガスを供給すれば、内面のスケールの生成を抑制もしくは解消することができる。
【００１４】
しかしながら、本発明者らが発明のさらなる向上を図るべく鋭意検討を重ねたところ、製造条件によっては、スケールの生成を抑制したにも関わらず化成処理性がやや劣る場合があることが分かった。その理由は以下のことと関連があると考えられる。
【００１５】
熱処理に供される中空金属部材の素材の表面は、素材の製造過程において潤滑油が付着したままの状態となっているか、場合によっては熱処理に供されるまでの期間に錆が発生することを防ぐために防錆油が塗布された状態となっている。
【００１６】
この状態の素材を加熱すると、それらの油分が熱分解して煤等の生成物の微粒子を含むガスが発生する。部材の外面側ではそのガスが周囲に分散して影響が無いものの、部材の内面側ではガスがその場に留まって熱処理後の部材内面に接触し、ガスに含まれる熱分解生成物が付着すると考えられる。
【００１７】
このため、特許文献２により開示された発明のように、鋼材の内部に不活性ガスまたは還元性ガスを滞留、充満させるだけでは、スケールの生成は抑制できても、油分から発生した熱分解生成物の付着を充分に防ぐことは難しく、発生したガスが部材の内部に留まらないようにすることが重要であることが判明した。
【００１８】
また、特許文献２では不活性ガス又は還元性ガスを鋼材の送り方向の後端部から鋼材内部へ供給し、送り方向の先端部から外部へ排出することを例示しているが、この場合、油分から発生した熱分解生成物が熱処理後の製品側を通過することになり、熱処理後の部材内面に付着すると考えられることも判明した。
【００１９】
上記問題に対し、金属管の管内の清浄化に着目した熱処理方法である、特許文献３により開示された第１の方法を応用し、送り方向の先端部からパージガスを吹き込んで、加熱し気化させた油分を送り方向の後端部から外部へ排出することが考えられる。
【００２０】
しかし、特許文献３により開示された熱処理方法は、熱交換器等の銅管または銅合金管を対象に想定した技術であり、その加熱温度は高くても７００℃程度であるために、油分の気化および再凝縮を前提にしたこの方法が成り立つが、鋼の高周波焼き入れを目的として急速に９００〜１１００℃の温度域へ加熱すると、油分が熱分解して煤等の生成物の微粒子が発生し、これがパージガスの流れによって送り方向の後端側の部材内面に付着すると、その部分があとで加熱されても気化せずそのまま残留し、化成処理性に影響を及ぼすという問題があることが判明した。
【００２１】
なお、油分から発生する熱分解生成物を無くすために、熱処理に供する前に鋼材に脱脂を行うことも考えられるが、工程追加によるコストの増大や、中空部材の特に内面側に付着している油分を脱脂することの困難さ、および脱脂をするとその乾燥過程でも錆が発生する可能性があることなどから、脱脂を行ってから熱処理することは現実的ではない。
【００２２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、油分から発生した熱分解生成物が熱処理後の製品内面に付着しないようにすること、および送り方向後端部側の未加熱の部材内面に付着する熱分解生成物による化成処理性の劣化が無いようにすることにより、優れた化成処理性を有する熱処理中空金属部材の製造方法を提供することを目的とする。より具体的には、本発明は、中空金属部材に熱処理または熱処理を伴う曲げ加工を行って製造され、高強度と優れた化成処理性を有することから、例えば自動車用として好適に用いられる熱処理中空金属部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者らは、熱処理中空金属部材の製造方法において、油分から発生した熱分解生成物が送り方向先端側の熱処理後の製品内面に付着しないよう中空部材内部の気体の流れを制御するとともに、送り方向後端側の部材内面に熱分解生成物が付着しても部材内部のガス中に微量含まれる酸素により燃焼させることで、優れた化成処理性を確保できることを知見し、本発明を完成するに至った。本発明は、以下に列記の通りである。
【００２４】
（１）加熱装置および冷却装置を中空鋼部材に対して相対移動させながら、前記加熱装置により前記中空鋼部材を局部的にＡｃ３点以上１１００℃以下の温度域に加熱し、次いで冷却装置により冷却して熱処理することにより熱処理中空鋼部材を製造する方法であって、前記加熱装置および前記冷却装置に対する前記中空鋼部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、前記中空鋼部材の内部に、０．０１〜１体積％の酸素および不活性ガスを含む気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流すことを特徴とする熱処理中空鋼部材の製造方法。
【００２５】
（２）前記気体は、０．０１〜１体積％の酸素を含み、残部が不活性ガスおよび不可避的不純物からなるガスであることを特徴とする１項に記載された熱処理中空鋼部材の製造方法。
【００２６】
（３）前記気体の流速は、２．０ｍ／秒以下であることを特徴とする１項または２項に記載された熱処理中空鋼部材の製造方法。
【００２７】
（４）加熱装置および冷却装置を中空金属部材に対して相対移動させながら、前記加熱装置により前記中空金属部材を局部的に加熱し、次いで冷却装置により冷却して熱処理することにより熱処理中空金属部材を製造する方法であって、
前記加熱装置および前記冷却装置に対する前記中空金属部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、前記中空金属部材の内部に気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流し、
前記中空金属部材における、前記局部的に加熱した部位に曲げモーメントまたはせん断力を与えて二次元または三次元に屈曲した所望の形状に曲げ加工またはせん断加工することを特徴とする熱処理中空金属部材の製造方法。
【発明の効果】
【００２８】
本発明により、油分から発生した生成物が製品内面に付着することを防げるので、その付着物が化成皮膜の形成を阻害することを防ぐことができ、内面の化成処理性に優れ、ひいては塗装後の耐食性にも優れる熱処理中空金属部材を提供することができる。
【００２９】
本発明に係る熱処理中空金属部材の適用部位としては、自動車部品の場合には、鋼の焼入れで高強度化することにより車両軽量化および衝突安全性向上を図ることができるとともに耐食性が要求される部位であることが好ましく、例えば、各種ピラー、ドアビーム、ルーフやバンパーなどのレインフォース類、フレーム類、さらにはアーム類等が例示される。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明に係る熱処理中空金属部材の製造方法の限定理由を以下に説明する。
本発明では、加熱装置および冷却装置を中空金属部材に対して相対移動させながら、中空金属部材を局部的に加熱および冷却して熱処理を行い、熱処理中空金属部材を製造する。この際に、本発明では、加熱装置および冷却装置に対する中空金属部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、中空金属部材の内部に気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流す。
【００３１】
中空金属部材内部の気体を、滞留させたり、あるいは送り方向の後端部から先端部に向けて流したのでは、中空金属部材の加熱部分で付着油分から発生したガスが熱処理後の製品内面に接触して熱分解生成物が付着し、その付着物が化成皮膜の形成を阻害するおそれがある。
【００３２】
また、加熱装置および冷却装置に対する中空金属部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて気体を流す場合であっても、気体の流速が０．１ｍ／秒未満では、発生したガスが製品側に流れてくることを防ぐ効果を十分に得られない。このため、本発明では、加熱装置および冷却装置に対する中空金属部材の相対的な送り方向の先端部から後端部へ向けて、中空金属部材の内部に気体を０．１ｍ／秒以上の流速で流す。
【００３３】
本発明における中空金属部材の内部に流す気体の流速は、室温状態での中空金属部材の内部の空間断面における平均値とし、中空金属部材の内部で流速を直接測定せずとも室温状態での気体流量を空間断面積で除することにより求められる。
【００３４】
こうすることにより、加熱部分で発生したガスは、中空金属部材の送り方向の後端部側に流れ、未加熱の中空金属部材の内面と接触することになるが、そこに熱分解生成物が付着したとしても、その箇所はその後に加熱される部分であるので、ガス中に微量含まれる酸素により燃焼すると考えられ、優れた化成処理性を確保することができる。
【００３５】
ところで、中空金属部材の後端部は、中空金属部材を送るための冶具（例えばチャック）と接続しているため、加熱することができないが、本発明が対象としている自動車等の強度部材、構造部材において部材後端の非加熱部を切り落とすとコスト的に不利となるため、これらの部分も含めて製品とすることが重要である。さらに、本発明が対象としている部材では、その途中に意図的に加熱しない部分を設けることも可能である。
【００３６】
これらのように、中空金属部材の内面に熱分解生成物が付着した箇所がその後に加熱されない場合も想定されるが、もともと中空金属部材の内面に付着している油分の上に熱分解生成物が付着した状態であるので、この部材が化成処理・塗装される工程において、化成処理の直前に行われる脱脂により油分とともに除去されるため悪影響を及ぼさない。
【００３７】
また、中空金属部材の内部に流す気体は、不活性ガスを主体とし０．０１〜１体積％以下の酸素を含むガスであることが好ましい。酸素濃度を１体積％以下とすることにより、加熱された部分の素材表面の酸化を緩やかにしてスケールの生成を抑制できるので、油分から発生する熱分解生成物の付着を防ぐ効果と相乗して、化成処理性をより向上することができる。
【００３８】
不活性ガスとしては、アルゴンや窒素などを用いることが例示される。酸素濃度が１体積％を超えると、スケールの形成が顕著となるので、酸素濃度１体積％以下とすることが好ましい。一方、酸素濃度が０．０１体積％未満であると、油分から発生した熱分解生成物が送り方向の後端側の部材内面に付着した場合に、その後にこの部分が加熱されても、ガス中の酸素により十分燃焼せずに残留すると考えられ、化成処理性が相対的に劣るため、酸素濃度を０．０１体積％以上とすることが好ましい。
【００３９】
さらに、中空金属部材の内部に流す気体の流速は２．０ｍ／秒以下とすることが好ましい。０．１ｍ／秒以上の流速で気体を流せば、発生したガスを製品内面に接触させない効果を十分得られ、このような観点からは中空金属部材の内部に流す気体の流速の上限を特に定める必要はないが、流速を過剰に高めると中空金属部材の加熱部分に単位時間当たりに接触する酸素の量が多くなることによりスケールの形成が顕著となり、化成処理性が劣る可能性がある。よって、中空金属部材の内部に流す気体の流速は２．０ｍ／秒以下とすることが好ましい。
【００４０】
本発明の一つの態様として、中空金属部材に加熱および冷却を行う間で、中空金属部材における、加熱により変形抵抗が大幅に低下した部位に曲げモーメントまたはせん断力を与えて二次元または三次元に屈曲した所望の形状に曲げ加工またはせん断加工する、いわゆる三次元熱間曲げ焼入れにより、熱処理中空金属部材を製造することが好ましい。三次元熱間曲げ焼入れによって、高強度で高剛性の任意の曲げ形状を有する熱処理中空金属部材を製造できるためである。
【００４１】
なお、中空金属部材として中空の鋼材を用いて三次元熱間曲げ焼入れにより任意の曲げ形状を有する熱処理中空鋼材を製造する場合、鋼材を、３００℃／秒以上３０００℃／秒以下の昇温速度でＡｃ３点以上１１００℃以下の温度域に加熱し、この温度域に０．２秒間以上０．８秒間以下保持した後、３００℃／秒以上２０００℃／秒以下の冷却速度で室温まで冷却することが、例示される。
【００４２】
本発明が目的とする熱処理中空金属部材の内面の化成処理性の改善と併せて、外面についても、その塗装後耐食性を改善するための方法を同時に実施することが望ましく、例えば特許文献２により開示された方法で実施することが好ましい。
【実施例】
【００４３】
本発明の効果を確認するため、表１に示す化学組成を有する矩形断面の電縫鋼管（４０ｍｍ×４０ｍｍ×肉厚１．６ｍｍ）を素材として準備した。
【００４４】
【表１】
0006575119.tif 000002
【００４５】
この素材鋼管を、特許文献２により開示された三次元熱間曲げ焼入れ装置を用いて、表２に示す条件で熱処理を行い、製品である熱処理鋼管を製造した。
【００４６】
素材鋼管の送り速度を８０ｍｍ／秒として加工を行い、外面の加熱部雰囲気は、窒素吹き付けとした。後述する表２では、素材鋼管の内部の気体の流速は、素材鋼管の送り方向の先端部から後端部に向かう向きを正の数値で表し、逆の向きを負の数値で表す。なお、表２のＮｏ．３については三次元熱間曲げ焼入れ装置の冷却過程の制御により焼戻しを施した。
【００４７】
得られた熱処理鋼管の断面組織を、ナイタールエッチング後に走査型電子顕微鏡を用いて５００倍の倍率で４視野観察し、鋼組織を確認した。
【００４８】
また、熱処理鋼管の内面および外面について、Ｘ線光電子分光分析によりスケールの膜厚を測定した。
【００４９】
さらに、熱処理鋼管を、脱脂後に日本パーカライジング株式会社製の表面調整剤ＰＬ−Ｘで処理し、日本パーカライジング株式会社製ＰＢＬ３０８０を用いて当該処理液の標準条件で１２０秒間の化成処理を施し、化成処理後の表面を走査型電子顕微鏡で観察し、化成皮膜の被覆状況を評価した。
【００５０】
具体的には、化成皮膜が付着していないスケと呼ばれる部分が多く存在すると塗装後の耐食性が低下することから、走査型電子顕微鏡により倍率５００倍で１０視野観察し、均一に化成皮膜が形成されてスケの面積率が５％以下のものを化成処理性が優れるとして○と評価し、スケの面積率が１０％以下のものを化成処理性に問題は無いとして△と評価し、スケの面積率が１０％を超えるものを化成処理性に問題ありとして×と評価した。
【００５１】
また、前記同様の化成処理を行った上で、日本ペイント製ＰＮ−１１０で膜厚２０μｍ狙いの電着塗装を実施して塗装品とし、この塗装品について、塗膜密着性試験として４０℃温水２４０時間浸漬後の碁盤目テープ剥離評価を行うとともに、ＪＡＳＯ複合サイクル腐食試験の１８０サイクル後のカット部の錆・膨れを評価した。
【００５２】
塗膜密着性試験においては、大きく剥がれた格子が無く、カット交差部の小さな剥がれも５面積％以下であるものを良好と判定した。ＪＡＳＯ試験の錆・膨れの評価においては、カット両側における錆または膨れの最大の幅が８ｍｍ以下であるものを良好と判定した。
【００５３】
結果を表２にまとめて示す。なお、表２の「鋼組織」の欄におけるＭはマルテンサイトを示し、ＴＭは焼戻しマルテンサイトを示す。塗装後耐食性の評価結果は、良好を○、不良を×と表記した。
【００５４】
【表２】
0006575119.tif 000003
【００５５】
表２に示すように、本発明で規定する範囲を満足することにより、内面の化成処理性に優れ、ひいては塗装後の耐食性にも優れる熱処理中空金属部材が提供されることがわかる。