(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
めっき鋼材の熱間プレス加工に先立って、４００℃以上Ａｃ３変態点以下の温度で５〜１０００ｓｅｃ間保持をし、さらに熱間プレス加工時に鋼材表面に鉄と亜鉛の固溶相を形成させることを特徴とする熱間プレス加工方法。
【請求項２】
前記保持後に７００〜１０００℃の温度で熱間プレスを行う請求項１記載の熱間プレス加工方法。
【請求項３】
前記めっき鋼材が亜鉛系めっき鋼材である請求項１または２記載の熱間プレス加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間プレス加工方法、特に自動車用の足廻り、シャ−シ、補強部品などの製造に使用される部品の熱間プレス加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の軽量化のため、鋼材の高強度化を図り、使用する鋼材の厚みを減ずる努力が進んでいる。しかし、鋼材としての鋼板をプレス成形、例えば絞り形成を行うことを考えた場合、使用する鋼板の強度が高くなると絞り成形加工時に金型との接触圧力が高まり鋼板のカジリや鋼板の破断が発生したり、またそのような問題を少しでも軽減しようと鋼板の絞り成形時の材料の金型内への流入を高めるためブランク押さえ圧を下げると成形後の形状がばらつく等の問題点がある。
【０００３】
また、形状安定性いわゆるスプリングバックも発生し、これに対しては例えば潤滑剤使用による改善対策等もあるが、780MPa級以上の高強度鋼板ではその効果が小さい。
【０００４】
このように難加工材料としての高強度鋼のプレス成形には問題点が多いのが現状である。なお、以下、この種の材料を「難プレス成形材料」という。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような難プレス成形材料をプレス成形する技術として、成形すべき材料を予め加熱して成形する方法が考えられる。いわゆる熱間プレス成形および温間プレス成形である。以下、単に熱間プレス成形と総称する。
【０００６】
しかし、熱間プレス成形は、加熱した鋼板を加工する成形方法であるため、表面酸化は避けられず、たとえ鋼板を非酸化性雰囲気中で加熱しても、例えば加熱炉からプレス成形のため取り出すときに大気にふれると表面に鉄酸化物が形成される。この鉄酸化物がプレス時に脱落して金型に付着して生産性を低下させたり、あるいはプレス後の製品にそのような酸化皮膜が残存して外観が不良となるという問題がある。しかも、このような酸化皮膜が残存すると、次工程で塗装する場合に鋼板との塗膜密着性が劣ることになる。またスケールが残存する場合、次工程で塗装してもスケール／鋼板間の密着性不芳のせいで塗膜密着性が劣る。
【０００７】
そこで熱間プレス成形後は、ショットブラストを行ってそのようなスケールを構成する鉄酸化層を除去することが必要となるが、これではコスト増は免れない。
【０００８】
また加熱時にそのようなスケールを形成させないために低合金鋼やステンレス鋼を用いてもスケール発生は完全に防止できないばかりか、普通鋼に比較して大幅にコスト高となる。
【０００９】
このような問題を解決すべく、特開2000−38640 号公報では、熱間成形時に母材鋼板の耐酸化抵抗性を持たせるためにアルミニウム被覆した鋼板を提案しているが、このような鋼板も普通鋼と比較した場合、大幅なコスト増となる。
【００１０】
このような熱間プレス成形時の表面酸化の問題に対する対策として加熱時の雰囲気とプレス工程全体の雰囲気をともに非酸化性雰囲気にすることも理論上有効ではあるが設備上大幅な高コストとなる。
【００１１】
このような事情からも、今日でも熱間プレスについては多くの提案はされているが、実用的な段階には至っていないのが現状である。
ここに、特許出願として提案されている現状の技術について概観すると次のようである。
【００１２】
例えば、熱間プレスの利点としては、プレス成形とともに熱処理を行えることが挙げられるが、その際にさらに同時に表面処理をも行うことが、特開平７−116900号公報に提案されている。もちろん、このような技術にも前述のような表面酸化の問題もあるが、複雑な形状の金型に防錆剤等の表面処理剤を均一に塗布することは難しく、またそのように金型に予め塗布した表面処理剤をプレス成形時に製品に均一に転写させることも難しい。もちろん、プレス成形後の処理としてめっき処理等の防錆処理を個別に行うことは自明であるが、そのような方法は生産性が低く、大幅なコスト増をもたらすことは明らかである。
【００１３】
このように高強度の鋼板を成形するために熱間でプレス成形する方法があるが生成した鉄酸化物を除去する工程が必要であるのと、たとえ鉄酸化物を除去しても鋼板のみでは防錆性に劣るのが現状である。
【００１４】
防錆性あるいは耐食性改善という面だけからでは、特開平６−240414号公報で提案されているように、例えばドア内のインパクトバーのような自動車用部品では、ドア内に浸入した腐食因子の水分が焼入鋼管の管内無塗装部を腐食させることがあるため、そのような焼入鋼管を構成する鋼材の鋼成分にCr、Mo等の元素を添加して耐食性を向上させている例もある。しかし、このような対策では、Cr、Mo添加でコスト高となるばかりでなく、プレス成形用の材料の場合、それらの合金成分の添加によるプレス成形性の劣化の問題がある。
【００１５】
ここに、本発明の課題は、実用性に優れた熱間プレス加工方法を提供することである。
さらに具体的には、本発明の課題は、表面性状の劣化を伴うことなく、プレス加工品の耐食性および塗装密着性が改善される熱間プレス加工方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
ここに本発明者らは、かかる課題を解決する手段について種々の角度から鋭意検討し、めっき鋼材を使用した熱間プレス加工に際しての加熱操作について種々検討を重ねた結果、熱間プレス加工温度に至るまでに中間温度で保持してFeとめっき層の相互拡散をさらに図ることが耐食性およびプレス加工性の改善に有効であることを知った。
【００１７】
すなわち、熱間プレスは700 〜1000℃という温度で加熱することを意味するのであって、この温度は、亜鉛系めっき金属の融点以上の温度であって、そのような高温に加熱した場合、めっき層は溶融し、表面より流失し、あるいは溶融・蒸発して残存しないか、残存しても表面性状は著しく劣ったものとなることが予測された。
【００１８】
かくして、溶融亜鉛めっき鋼板をそのまま加熱するのではなく、溶融亜鉛めっき (ＧＩ) 鋼板を合金化溶融亜鉛めっき (ＧＡ) 鋼板とすることでFe／Znの拡散の促進を図り、これにより予想外にも上述のような問題を回避でき、耐食性の更なる改善を図ることが可能であることを知り、難加工性材料である高張力鋼材などを熱間プレス加工する方法を開発した。
【００１９】
ここに、本発明においてはその際の加熱操作をさらに改善することで、最終的に得られる材料のプレス後外観、耐食性および塗装密着性を一層改善したものである。
【００２０】
かかる知見を基に完成された本発明は、次の通りである。
（１）めっき鋼材の熱間プレス加工に先立って、４００℃以上Ａｃ３変態点以下の温度で５〜１０００ｓｅｃ間保持をし、さらに熱間プレス加工時に鋼材表面に鉄と亜鉛の固溶相を形成させることを特徴とする熱間プレス加工方法。
【００２１】
（２）前記保持後に７００〜１０００℃の温度で熱間プレスを行う上記（１）記載の熱間プレス加工方法。
（３）前記めっき鋼材が亜鉛系めっき鋼材である上記（１）または（２）記載の熱間プレス加工方法。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明において上述のように限定する理由について詳述する。なお、本明細書において鋼組成およびめっき組成を規定する「％」は「質量％」である。
【００２３】
本発明によれば、溶融亜鉛系めっき鋼板を酸化性雰囲気下で加熱することで、その後に例えば900 ℃以上に加熱しても、表面の亜鉛系めっき層の蒸発が防止され、加熱後に熱間プレスを行うことができる。しかも、プレス成形後は亜鉛系めっき皮膜を備えていることから、それ自体すでに優れた耐食性を備えており、後処理としての防錆処理を必要としないというすぐれた効果を発揮することができる。
【００２４】
素地鋼材
本発明にかかる熱間プレス用の素地鋼材は、溶融亜鉛系めっき時のめっき濡れ性、めっき後のめっき密着性が良好であれば特に限定しないが、熱間プレスの特性として、熱間成形後に急冷して高強度、高硬度となる焼き入れ鋼、たとえば高張力鋼板が実用上は特に好ましい。
【００２５】
例えば、Si含有鋼やステンレス鋼のようにめっき濡れ性、めっき密着性に問題のある鋼種でもプレめっき処理等のめっき密着性向上手法を用いてめっき密着性を改善することで本発明に用いることができる。
【００２６】
鋼材の焼き入れ後の強度は主に含有炭素(C) 量によってきまるため、高強度の成形品が必要な場合は、Ｃ含有量0.1 ％以上、3.0 ％以下とすることが望ましい。このときに上限を超えると、靭性が低下するおそれがある。
【００２７】
特に、本発明の場合、プレス成形が難しいと言われている難プレス成形材である高張力鋼板、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、Ｖ等を添加した機械構造用鋼板、高硬度鋼板等についてその実用上の意義が大きい。
【００２８】
素材としてのプレス成形母材の形態は、一般には板材であるが、本発明の対象とする熱間プレスの形態として曲げ加工、絞り成型、張出し成型、穴拡げ成型、フランジ成型等があるから、その場合には、棒材、線材、管材などを素材として用いてもよい。
【００２９】
亜鉛系めっき層
本発明による亜鉛系めっき鋼板の場合、具体的なめっき操作としては、溶融した亜鉛および亜鉛合金めっき浴に鋼板を浸漬して引き上げる。めっき付着量の制御は引き上げ速度やノズルより吹き出すワイピングガスの流量調整により行う。合金化処理はめっき処理後にガス炉や誘導加熱炉などで追加的に加熱して行う。かかるめっき操作は、コイルの連続めっき法あるいは切り板単板めっき法のいずれによってめっきを行ってもよい。
【００３０】
もちろん、所定厚みのめっき層が得られるのであれば、例えば、電気めっき、溶射めっき、蒸着めっき等その他いずれの方法でめっき層を設けてもよい。
亜鉛系めっき層の組成は特に制限がなく、純亜鉛めっき層であっても、Al、Mn、Ni、Cr、Co、Mg、Sn、Pbなどの合金元素をその目的に応じて適宜量添加した亜鉛合金めっき層であってもよい。その他原料等から不可避的に混入することがあるBe、Ｂ、Si、Ｐ、Ｓ、Ti、Ｖ、Ｗ、Mo、Sb、Cd、Nb、Cu、Sr等のうちのいくつかが含有されることもある。
【００３１】
しかし、純亜鉛めっき層または合金化亜鉛めっき層の方が低コストで望ましい。
亜鉛合金めっきとしては、次のような系が例示される。
【００３２】
亜鉛−鉄合金めっき、亜鉛−コバルト合金めっき、亜鉛−クロム合金めっき、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき、亜鉛−マンガン合金めっきなどである。
【００３３】
めっき付着量は片面当たり90g/m2以下が良好である。90g/m2を超えると亜鉛酸化層の形成が不均一となり外観上問題がある。下限は特に制限しないが、薄過ぎるとプレス成形後に所要の耐食性を確保できなくなったり、あるいは加熱の際に鋼板の酸化を抑制するのに必要な酸化亜鉛層を形成できなくなったりすることから、通常は20g/m2程度以上、好ましくは30g/m2以上確保する。加熱温度が高くなるなど、より過酷な加熱の場合、望ましくは40〜80g/m2の範囲で性能良好となる。
【００３４】
通常、溶融亜鉛めっき浴には、Alが含有されており、本発明の場合にも、めっき皮膜中Al含有量は0.08〜0.4 ％の範囲であれば良い。さらに望ましくは0.08〜0.3 ％である。めっき皮膜中のFe含有量を高くするにはAl濃度が低いほうがよい。
【００３５】
保温条件
保温に要する加熱方法は、炉加熱、直接通電、誘導加熱、高周波加熱、直火加熱等が挙げられるが本発明で規定する所定の加熱パターンを実現できるものであればよい。
【００３６】
昇温速度は５〜200 ℃/secの範囲が望ましい。あまり昇温速度が低いと生産性が低く、一方、200 ℃/sec超では通電加熱等の加熱設備が大がかりとなりコスト高となる。
【００３７】
加熱期間中の最高到達温度は、焼き入れ硬化させるためには相変態点温度より高温に加熱して相変態点温度より高温でプレス金型により急冷する必要があることを考慮して決めればよい。
【００３８】
ここに、本発明によれば、熱間プレス加工に先立って昇温、保持、均熱を行う場合、そのような加熱期間中に一時的にAc3 変態点を超えて加熱しても400 ℃以上Ac3 変態点以下の温度範囲で５〜1000sec 間保持するが、その作用効果は、Feの拡散を十分なものとし、例えば亜鉛系めっき鋼材の場合、溶融亜鉛めっき (ＧＩ) 鋼材から合金化溶融亜鉛めっき (ＧＡ) 鋼材へ変化させ最終的に鉄と亜鉛の固溶相を形成させることにある。この固溶相は、プレス加工後の製品品質を決定する重要な役割がある。すなわち、固溶相が形成されないと、プレス加工時、例えば成型時にめっき被膜の剥離が生じ、プレス後の外観を劣化させる。
【００３９】
上記のように加熱期間中の最高加熱温度は特に制限されないが、その加熱期間中の中間的な保温で、400 ℃以上Ac3 変態点以下の温度範囲の保持時間が、５sec 未満の場合、十分に固溶相が形成されず、プレス加工時あるいはそれに先立つ加熱に際して亜鉛のめっき成分が蒸発し塗膜密着性や耐食性が劣る。
【００４０】
また、1000sec を超えて保温されると、鉄の拡散が進みすぎめっき表面の亜鉛濃度が低下し、酸化鉄を生じるようになり、プレス後の外観を損なうのみならず、塗膜密着性や耐食性も低下する。
【００４１】
鋼板の加熱／熱間プレス加工
上述のようにして用意された表層にめっき層を備えた亜鉛系めっき鋼板を次いで上述のように中間温度での保温（保持）を含めて所定の熱間プレス加工温度にまで加熱し、プレス加工 (成形) を行う。本発明の場合、熱間プレス加工 (成形) を行うことから、最終的に通常700 〜1000℃に加熱するが、素材鋼板の種類によっては、プレス成形性がかなり良好なものがあり、その場合にはもう少し低い温度に加熱するだけでよい。本発明の場合、鋼種によってはいわゆる温間プレスの加熱領域に加熱する場合も包含されるが、いわゆる難プレス成形材料に適用するときに本発明の効果が効果的に発揮されることから、通常は、上述のように700 〜1000℃に加熱する。
【００４２】
このときのプレス成形に先立つ加熱温度は焼き入れ鋼であれば目標とする硬度となる焼入温度に加熱したのち一定時間保持し高温のままプレス成形を行い、その際に金型で急冷する。通常の鋼種、条件では、このときに加熱の際の最高到達温度はおよそ700 ℃から1000℃の範囲であればよい。
【００４３】
また、加熱処理後のめっき層におけるFe含有量は、めっき皮膜の融点に影響するので高い方が有利である。常温のプレス成形では皮膜中Fe量が増加するとめっき皮膜の加工性が低下するのでFe含有量は高くても13％前後であった。しかし、本発明においては熱間プレス成形では常温よりも鋼板およびめっき皮膜が軟質のためFe含有量が高くても成形が可能である。Fe含有量は80％以下である。望ましくはFe含有量は５〜80％の範囲であり、さらに望ましくは10〜30％である。Fe含有量が下限未満では加熱後の酸化皮膜に不均一さが生じ、上限を超えるとZn−Fe合金化に時間がかかり生産性が低下しコストアップとなる。
【００４４】
かかるFe含有量は、熱間プレス成形の際に問題となるのであって、したがって、前述のように予めプレス成形前に加熱が行われる場合には、その時の加熱条件はプレス成形直前の加熱処理を考慮した条件で行うことが好ましい。
【００４５】
このようにして加熱された熱間プレス用鋼板には、本発明によれば次いで、熱間プレス成形が行われるが、このときの熱間プレス成形は特に制限はなく、通常行われているプレス成形を行えばよい。熱間プレス成形の特徴として成形と同時に焼入れを行うことから、そのような焼入れを可能とする鋼種を用いることが好ましい。もちろん、プレス型を加熱しておいて、焼き入れ温度を変化させ、プレス後の製品特性を制御してもよい。
【００４６】
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【００４７】
【実施例】
[実施例１]
本例では、厚さが1.0mm のAc3 変態点温度が820 ℃である表１に示す成分を有する鋼板に、表２に示す各種めっきを施した。これらの鋼板は、加熱帯、保持帯および均熱（加熱）帯の３つのゾーンを持つトンネル炉を使用し、それぞれの帯域において昇温、保温および均熱を行った。
【００４８】
鋼板にはそれぞれ熱電対を取り付け温度を測定しながら加熱した。各ゾーンの炉温度を表３に示す。まず加熱帯に鋼板を挿入し、保持帯の設定温度になったとき、加熱帯から保持帯に鋼板を移動させ、所定の時間だけ所定温度に保温後、均熱帯に移動させ所定時間後取り出し、円筒絞り成形を行った。ここで表２に示す中間保温時間は、これらの加熱帯、保温帯および均熱帯で加熱または保温を行っているとき、400 ℃以上Ac3 変態点以下の温度範囲に在った合計時間を示す。
【００４９】
比較例として鋼板に直接通電加熱法によって920 ℃まで急速昇温させた。昇温速度はおよそ210 ℃/secであった。これを加熱パターンＤとする。
このようにして加熱しためっき鋼板に円筒絞り成形試験を行った。つまり、直径90mmの円形ブランクを、ポンチ径50mm、ポンチ肩方Ｒ５mm、ダイス径52.4mm、ダイス肩Ｒ５mmで成形を行った。
【００５０】
成形高さは25mm、板押え力(BHF) は１トンF とした。成形後の表面状態の目視判定を行いプレス後外観の評価を行った。剥離なしを合格：○で表示、剥離ありを不合格：×で表示した。
【００５１】
このようにして得られた熱間プレス成形品について下記要領で塗膜密着性、塗装後耐食性( 単に耐食性という) をぞれぞれ評価した。
塗膜密着性試験
本例で得た円筒絞り体から切り出した試験片に、日本パーカライジング (株) 製PBL-3080で通常の化成処理条件により燐酸亜鉛処理したのち関西ペイント製電着塗料GT-10 を電圧200Vのスロープ通電で電着塗装し、焼き付け温度150 ℃で20分焼き付け塗装した。塗膜厚みは20μm であった。
【００５２】
試験片を50℃のイオン交換水に浸漬し240 時間後に取り出して、カッターナイフで1mm 幅の碁盤目状に傷を入れ、ニチバン製のポリエステルテープで剥離テストを行い、塗膜の残存マス数を比較し、塗膜密着性を評価した。なお、全マス数は100 個とした。
【００５３】
評価基準は残存マス数  90〜100 個を良好：評価記号○、0 〜89個を不良：評価記号×とした。
塗装後耐食性試験
本例で得た円筒絞り体から切り出した試験片に、日本パーカライジング (株) 製PBL-3080で通常の化成処理条件により燐酸亜鉛処理を行ったのち関西ペイント製電着塗料GT-10 を電圧200Vのスロープ通電で電着塗装し、焼き付け温度150 ℃で20分焼き付け塗装した。塗膜厚みは20μm であった。
【００５４】
試験片の塗膜にカッターナイフで素地に達するスクラッチ傷を入れた後、JIS Z2371 に規定された塩水噴霧試験を480 時間行った。傷部からの塗膜膨れ幅もしくは錆幅を測定し、塗装後耐食性を評価した。
【００５５】
評価基準は錆幅、塗膜膨れ幅のいずれか大きい方の値で４mm未満を良好：評価記号○、４mm以上を不良: 評価記号×とした。
これらの結果は表２にまとめて示すが、本発明例の符号１〜13はいずれも良好な特性を示すが、本発明の条件から外れた符号14〜18は、プレス後外観、塗膜密着性および耐食性が不合格であった。
【００５６】
【表１】
0003758549.tif 000002
【００５７】
【表２】
0003758549.tif 000003
【００５８】
【表３】
0003758549.tif 000004
【００５９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、例えば高張力鋼板およびステンレス鋼板などの難プレス成形材料の熱間プレス成形が可能となり、その際に、加熱炉の雰囲気制御設備が不要となるほか、プレス成形時の鋼板酸化物の剥離処理工程も不要となり生産工程を簡素化できる。また犠牲防食効果のある亜鉛めっき層を有するためプレス成形製品の耐食性も向上する。