(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量%で、C:0.05〜0.7%、Si:0.1〜1%、Mn:0.7〜2%、P:0.003〜0.1%、S:0.003〜0.1%を含有し、かつ、その硬度(Hv)が400以上である鋼の表面に、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3、FeAl、Al固溶α-Feの1または2種以上から成る被覆層を有し、当該鋼と当該被覆層の合計の厚みの最も厚い部位と最も薄い部位の差が当該合計の厚みの10%以上とし、更に成形部には当該被覆層と塗膜との界面に片面当たり0.5g/m2以上の燐酸塩皮膜を有することを特徴とする成形部の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部材。
【請求項２】
プレス工程におけるプレス開始温度が600〜690℃であることを特徴とする請求項１に記載の成形部の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部材の熱間プレス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＡｌ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成形部の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部材および強度部材を製造する際の熱間プレス方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題を発端とした低燃費化の動きから自動車用鋼板の高強度化に対する要望が強い。しかし一般に高強度化は加工性、成形性の低下を伴い、高強度、高成形性を両立する鋼板が望まれている。
【０００３】
これに対応するものの１つとして、残留オーステナイトのマルテンサイト変態を利用したTRIP(TRansformation Induced Placiticity)鋼があり、近年用途が拡大しつつある。この鋼により、成形性の優れた1000MPa級の高強度鋼板は製造することは可能であるが、更に高強度、例えば1500MPa以上というような超高強度鋼で成形性を確保することは困難である。
【０００４】
そこで、高強度、高成形性を両立する別の形として最近注目を浴びているのが熱間プレス（ホットプレス、ダイクエンチ、プレスクエンチ等とも呼称される）である。これは鋼板を800℃以上のオーステナイト域で加熱した後に熱間で成形することにより高強度鋼板の成形性の課題を無くし、成型後の冷却により焼きを入れて所望の材質を得るというものである。
【０００５】
この工法は超高強度の部材を成形する方法として有望であるが、通常は大気中で鋼板を加熱する工程を有しており、表面に酸化物（スケール）が生成するので、これをショットブラストや酸洗等の後工程で除去する必要があった。ところがショットブラストでは完全にスケールを排除することが難しく、またショットによる変形の可能性があった。酸洗も廃水処理等をする必要があり、環境負荷の観点から対応策を講じる必要がある場合があり、これらが製造コストアップに繋がる場合があった。これを改善する技術として、0.15〜0.5%の炭素を含有する鋼板にＡｌめっきした試料を使用して加熱時の酸化抑制を図る技術が知られており、例えば特開2003-181549号公報、特開2004-244704号公報に開示されている。
【特許文献１】特開2003-181549号公報
【特許文献２】特開2004-244704号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これら公報に開示された技術は塗装後耐食性に優れた高強度の成形部品を効率良く製造するのに有効であるが、なお以下のような課題を抱えていた。
【０００７】
この技術を用いて製造した場合にAlめっき層は加熱されることでAlと鋼板のFeとの相互拡散により金属間化合物に変化する。この金属間化合物層(合金層とも呼ばれる)は非常に硬質かつ脆性であり、プレス成形時に追従できない。またその表面は非常に安定であり、通常自動車製造工程で塗料密着性、塗装後耐食性を向上させるために用いられる化成処理(燐酸塩処理)が表面に付着しない。近年では自動車材料としてAl材が使用されることも増えつつあり、Alを処理可能な化成処理薬剤も開発されているが、Al用の化成処理材を使用してもこの金属間化合物層への化成処理は不可能であった。
【０００８】
このとき熱間プレス工程で合金化したAlめっき層は部分的に欠落し、化成処理も付着しないために厳しい成形を受けた箇所の塗装後耐食性は低下するという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記の課題を克服するために加熱工程および熱間プレス工程に着目し、適正な製造条件とそのときの金属間化合物層の状態について種々検討した結果以下の知見を得た。
【００１０】
一般に化成処理は冷延鋼板、亜鉛めっき系鋼板あるいはAl板の塗料密着性並びに塗装後耐食性を向上させる効果を持っているとされているが、Al系めっき鋼板を加熱して金属間化合物とした層に対しても同様の効果を有している。ここでAl系めっき鋼板とはAlめっき鋼板、Al合金めっき鋼板を総称したものである。具体的にはAl、Al-Si、Al-Zn、Al-Mg、Al-Si-Mg、Al-Ti等がそれに当たる。しかし先述したように通常の条件で熱間プレスをした表面には化成処理は付着せず、厳しい成形部に対しては塗装後耐食性の懸念がある。表面処理鋼板の場合、成形部でめっき損傷が起こった部位の耐食性が最も劣位であるのは明白で、腐食による板厚減少、ひいては強度低下の懸念はこのような部位で最も大きい。
【００１１】
しかし部品形状あるいはプレス条件を調整することで成形部に化成処理を付着させることが可能である。金属間化合物層に化成処理が付着しない理由は金属間化合物層の表面に生成する極めて安定な酸化皮膜によるものであることを知見した。この酸化皮膜は加熱炉内で生成するもので、プレス工程で表面を擦過することで化成処理性を向上させることができる。表面を強く擦るためには増肉部となることが必要で、プレス品の板厚差が大きい方が化成処理性は良好になる傾向を示す。またプレス成形の開始温度を低くすることで成形部の化成処理性が大幅に向上する。成形開始温度が高いとプレス成形で表面の酸化皮膜が破れてもその箇所に再度酸化皮膜が生成するのに対し、成形開始温度が低いと成形部に酸化皮膜が生成し難く、結果としてその部位の化成処理性が向上しているものと考えている。このようにして化成処理皮膜を付着させることで極めて優れた塗装後耐食性が得られる。
【００１２】
このとき成形部や表面擦過部には化成処理皮膜が生成し、その量は通常の化成処理皮膜量と同程度の2〜3g/m2(片面)あるいは若干少ない程度である。皮膜形状も通常のものと同様である。表面の酸化皮膜が擦過されていない箇所には化成処理皮膜は殆ど生成しないため、付着量を測定する時は部位を選ぶ必要がある。縦壁部のような均一に成形された箇所が最も正確な値を求めるには適している。また引張方向の応力が掛かっているような成形部、代表的には曲げ加工部の外面側等であるが、このような部位では金属間化合物層の局部的な割れが起こり、このとき割れの底部でも化成処理皮膜は生成している。
【００１３】
本願発明はこのような理由から塗装後耐食性に優れた高強度部材並びにその製造方法を規定するものである。その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量%で、C:0.05〜0.7%、Si:0.1〜1%、Mn:0.7〜2%、P:0.003〜0.1%、S:0.003〜0.1%を含有し、かつ、その硬度(Hv)が400以上である鋼の表面に、FeAl2、Fe2Al5、FeAl3、FeAl、Al固溶α-Feの1または2種以上から成る被覆層を有し、当該鋼と当該被覆層の合計の厚みの最も厚い部位と最も薄い部位の差が当該合計の厚みの10%以上とし、更に成形部には当該被覆層と塗膜との界面に片面当たり0.5g/m2以上の燐酸塩皮膜を有することを特徴とする成形部の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部材。
（２）プレス工程におけるプレス開始温度が600〜690℃であることを特徴とする（１）に記載の成形部の塗装後耐食性に優れた高強度自動車部材の熱間プレス方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、Ａｌ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、めっき剥離をほとんど生じることなく製造でき、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】
【００１５】
Al系めっき鋼板を加熱したときの合金層構造について説明する。図１ に代表的な合金化後の断面組織を示すが、合金化後のFe-Al系被覆層は一般に５層構造となることが多い。これを図１では１層〜５層で表している。１層、３層の層中のAl濃度は約50％、第２層のAl濃度は約30％、第4層、第5層はそれぞれ15〜30%、1〜15%の幅を持つ組成となる。第4層と第5層の界面付近にボイドの生成が観察されることもある。なお第5層下部の組織は鋼素地であり、マルテンサイトを主体とする焼入組織となっている。図３にFe-Aｌの二元系状態図を示す。1層、3層はFeAl2を主成分とし、4層、5層はそれぞれFeAl、αFeに対応する。2層はFe-Al二元系状態図から説明できないSiを含有する層でその詳細は未だ明らかではないが、FeAl2とFe-Al-Si化合物が微細に混じりあったようなものであると推定している。
次に、本発明の限定理由について説明する。
【００１６】
本発明においてAl系めっき鋼板を加熱炉内で加熱することでAlおよびFeを主体とする金属間化合物層に変化させ、成形後に化成処理工程を付与して表面に化成処理皮膜(燐酸塩皮膜)を付着させたものでその付着量は片面当たり0.5g/m2以上とする。燐酸塩皮膜の種類は特に限定しないが、通常は燐酸亜鉛あるいは燐酸鉄系の被膜である。化成処理液もAl処理用に限らず通常の冷延鋼板用の化成処理液でも構わない。その付着量は0.5g/m2以上で塗装後耐食性に効果が認められる。通常は電着塗装あるいは中塗りや上塗り塗装等の塗膜が更に表面を覆っているが、これらの皮膜は市販の塗料除去薬品、例えば三彩化工(株)のネオリバー等を使用して剥離することができる。
【００１７】
前述したように化成処理皮膜の付着は部位に依存するためどこを測定するかにより変わりうるが、通常熱間プレス部品は縦壁を有することが多く、このような部位で測定することが好ましい。測定手法は蛍光X線が最も簡便であるが、プレス部品の場合には平坦部がない場合も多いため蛍光X線での測定が困難であれば化成処理皮膜を化学的に剥離し、剥離前後の重量変化から測定することが望ましい。
【００１８】
化成処理皮膜を良好に生成させるためには部品形状として最も板厚の厚い部位と最も板厚の薄い部位の差が全板厚の10%以上とする。これは前述したようにプレス工程での増肉部は金型と強く接触して表面の酸化皮膜を排除するためである。縦壁部や曲線部などの成形部は酸化皮膜が排除される。成形部のひとつである減肉部は引張加工が掛かることが多く、めっきの割れが生じてこのような部位にも化成処理皮膜は付着し易くなる。
【００１９】
成形条件としてはプレス開始温度が600〜690℃とすることが必要である。熱間プレスは金型で急冷することで鋼板に焼きを入れて高強度を獲るものであるが、プレス開始温度が低すぎると十分な焼入れ後の強度が得られない。またプレス開始温度が690℃以上では成形部に酸化皮膜が生成して成形部に化成処理皮膜を付着させることが困難になる。
【００２０】
加熱、プレス工程における他の条件は特に限定するものではない。加熱方式は電気炉等の炉を使用した輻射加熱、近赤外線等を使用した輻射加熱、高周波誘導加熱、通電加熱等の方法があり、現在最も熱間プレスで使用されているのは炉を使用した輻射加熱である。このときの加熱雰囲気として大気、燃焼ガス、窒素等ありうるが、特に加熱雰囲気は限定しない。加熱温度も特に限定しないが、通常鋼板をオーステナイト変態させるために850℃以上まで加熱されている。
【００２１】
プレス成形後の酸化皮膜の生成を抑制するためにプレス機付近の雰囲気を制御するという考え方もない訳ではないが、プレス全体を雰囲気制御するのは設備的に大掛かりとなること、Alは極めて酸素との親和性が高く、Alの酸化を抑制するためには高濃度の水素が必要なことから実際的には殆ど有りえない。
【００２２】
次に鋼板表面に精製する金属間化合物層について述べる。本発明においてAl系のめっき鋼板を使用するもので、この鋼板を加熱して表面まで金属間化合物を生成させている。金属間化合物とならない金属Alが残存すると塗装後耐食性という観点で望ましくない。これは表面からX線回折等の手法で金属Alの有無を分析することで容易に判定できる。金属間化合物層とは図１に示したように5層となることが多いが、特に構造を限定するわけではない。金属間化合物層と鋼板の界面は2〜3vol%のナイタールエッチングをすることで判別できる。この層の厚みが厚いほど耐食性は向上するが、その反面成形時に欠落し易くなる。通常この厚みは5〜50μmである。なお、本発明に用いるAl系のめっき鋼板のめっき付着量は、６０〜200g/m2が望ましい。これより少ないと熱間プレス後の部品の合金層が十分生成せず、耐食性が確保できない。これより多すぎると熱間プレス時にめっき層が十分に合金化せず金型にめっき金属が粉状に付着する。
【００２３】
次に鋼成分の限定理由を述べる。本発明は金型によるプレスと焼入を同時に行うところに特徴があり、鋼板としては焼入されやすい成分である必要がある。この焼入性の向上という目的から鋼中C量は0.05％以上であることが望ましく、またC量が高すぎると鋼板の靱性の低下が著しくなるため、0.7%以下が望ましい。これ以外の鋼成分について、Si:0.1〜1%、Mn:0.7〜2%、P:0.003〜0.1%、S:0.003〜0.1%であることが望ましい。Mnは焼入れ性に寄与する元素で0.7%以上の添加が有効である。一方焼入れ後の靭性という観点からは2%を超えることは好ましくない。Siを1%超添加するとAｌめっき性が低下し、P、Sをそれぞれ0.1%超添加すると焼入れ後の靭性が低下する。Si、P、Sをそれぞれ0.1、0.003、0.003%以下とすることは製鋼工程における経済合理性に反する。なお焼入性向上という点から更にCr、B、Tiの添加が好ましい。添加する場合にはCr：0.05〜1%、Ti：0.01〜0.1%、B：0.001〜0.01%の範囲とすることが望ましい。
【００２４】
その他の元素として、Ａ ｌ 、 Ｎ 、 Ｍ ｏ 、 Ｎ ｂ 、 Ｎ ｉ 、 Ｃ ｕ 、 Ｖ 、 Ｓ ｎ 、 Ｓ ｂ 等の添加がありうる。望ましい添加範囲はＡ ｌ ： ０ ． １ ％ 以下、Ｎ ： ０ ． ０ １ ％ 以下、Ｍ ｏ ： ０ ． ５ ％ 以下、Ｔ ｉ ： ０ ． ５ ％ 以下、Ｎ ｂ ： ０ ． １ ％ 以下、Ｎ ｉ ： １ ％ 以下、Ｃ ｕ ： １ ％ 以下、Ｖ ： ０ ． １ ％ 以下、Ｓ ｎ 、 Ｓ ｂ ： ０ ． １ ％ 以下である。
プレスされた後の部品は溶接、化成処理、電着塗装等を経て製品となる。通常はカチオン電着塗装が用いられることが多く、その膜厚は1〜30μm程度である。電着塗装の後に中塗り、上塗り等の塗装が施されることもある。
【００２５】
鋼板へのAl系めっきの方法については特に限定するものでなく、溶融めっき法をはじめとして電気めっき法、真空蒸着法、クラッド法等が可能である。現在工業的に最も普及しているのは溶融めっき法であり、通常めっき浴としてAl-10%Siを使用することが多く、これに不可避的不純物のFeが混入している。これ以外の添加元素として、Ｍ ｎ 、 Ｃｒ 、 Ｍ ｇ 、 Ｔ ｉ 、 Ｚ ｎ 、 Ｓ ｂ 、 Ｓ ｎ 、 Ｃ ｕ 、 Ｎ ｉ 、 Ｃ ｏ 、 Ｉ ｎ 、 Ｂ ｉ 、 ミッシュメタル等がありうるが、めっき層がＡ ｌ を主体とする限り、適用可能である。Ｚ ｎ 、 Ｍ ｇ の添加は赤錆を発生し難くするという意味で有効であるが、蒸気圧の高いこれら元素の過剰な添加はＺ ｎ 、 Ｍ ｇ のヒューム発生、表面へのＺ ｎ 、 Ｍ ｇ 起因の粉体状物質の生成等があり、Ｚｎ ： ６ ０ ％ 以上、 Ｍ ｇ ： １ ０ ％ 以上の添加は望ましくない。
【００２６】
本発明において、Ａ ｌ めっきのめっき前処理、後処理等については特に限定するものではない。めっき前処理としてＮ ｉ 、 Ｃ ｕ 、 Ｃ ｒ 、 Ｆ ｅ プレめっき等もありうるが、これも適用可能である。また、めっき後処理としては一次防錆、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。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。その他、無機系のクロメート以外の後処理も適用可能である。潤滑性を狙ってアルミナ、シリカ、ＭｏＳ２等を予め処理することも可能である。加熱前に燐酸塩系の処理をすることも可能であるが、燐酸塩は加熱工程で変質して防食作用を失ってしまうので、加熱工程の後に化成処理皮膜を付与させることが望ましい。
【実施例】
【００２７】
（ 実施例１ ）
通常の熱延、冷延工程を経た、表１ 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−還元炉タイプのラインを使用し、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。この際のめっき浴組成としてはＡｌ−９％Ｓｉ−２％Ｆｅであった。浴中のＦｅは浴中の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。この鋼板を大気炉中で900℃に加熱した後、所定の温度まで大気中で冷却して、その後プレス成形した。金型間での冷却速度は約50〜200℃/秒であった。このときの成形形状を図２に示す。この成形品は約50mmの平坦な縦壁を有している。プレス成形後日本パーカライジング（株）製化成処理液ＰＢ−３０８１Ｍで化成処理を施し、その縦壁部の化成処理付着量を蛍光X線で測定し、また化成皮膜の生成状況をSEMで観察した。更にその一部は日本ペイント（株）製カチオン電着塗料パワーニクス１10を約20μm厚みで塗装し、塗装後耐食性の評価に供した。またダイスの肩rおよび皺押さえ力を変えることで成形品の板厚減少率を調整した条件でも成形した。このときの最大-最小板厚の差異の板厚に対する比率を計算した。
【００２８】
【表１】
0004456581.tif 000002
塗装後耐食性の評価に当たっては、その後、カッターで塗膜にクロスカットを入れ、自動車技術会で定めた複合腐食試験（ＪＡＳＯ−６１０Ｍ）を１５０サイクル（５０日）行ない、クロスカットからの膨れ幅（両側最大膨れ幅） を測定した。このときの腐食の判定基準を下に示す。
〔膨れ幅〕
○ ： ６ ｍ ｍ 以下
△ ： ６ ｍ ｍ 超〜 ９ ｍ ｍ
× ： ９ ｍ ｍ 超
また成形後に縦壁部の一部を切出して焼入れ後の母材硬度を測定した。測定はビッカース硬度で荷重は10kgfとした。このときの硬度の測定結果も表中に示す。
〔断面硬度〕
○：Hv430以上
△：Hv400超430未満
×：Hv400未満
【００２９】
【表２】
0004456581.tif 000003
表２に成形開始温度と最大-最小板厚差の板厚に対する比率、燐酸塩付着量、断面硬度並びに塗装後耐食性の評価結果を示す。成形開始温度が高い場合(番号1)、あるいは最大-最小板厚差の板厚に対する比率が低い場合(番号8)には燐酸塩が付着せず、塗装後耐食性は不良であるが、成形開始温度を下げる、あるいは板厚比率を高くすることで良好な縦壁部の塗装後耐食性が得られている。また成形開始温度が低すぎると(番号5)母材硬度が低下している。番号6、7のように付着量が少ない場合でも良好な塗装後耐食性が得られた。
（ 実施例２ ）
【００３０】
【表３】
0004456581.tif 000004
表３に示した様々な鋼成分を持つ冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）に実施例１ と同じ要領で溶融Ａｌめっきを施した。めっき付着量は両面160g/m2とした。これらのＡｌめっき鋼板を、大気炉加熱により900℃に加熱し、650℃まで空冷後1対の平板状金型に挟んで焼入れた。焼入後の硬度（ビッカース硬度、荷重１0ｋｇ）を測定した結果も表３に示しているが、鋼中C量が低いと焼入後の硬度が低下するため、C量として0.05%以上あることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術によるＡ ｌ めっき層の加熱後の光学顕微鏡断面組織を示す図である。
【図２】従来技術によるＡ ｌ めっき層の腐食試験後の光学顕微鏡による腐食状況を示す図である。
【図３】Fe-Al二元系状態図を示す図である。
【図１】
0004456581.tif 000005
【図２】
0004456581.tif 000006
【図３】
0004456581.tif 000007