JP6008066B2 - 高強度と優れた化成処理性を有する熱処理鋼製品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理後でも特段の酸化スケール除去工程を経ることなく、塗装下地処理としての化成処理性に優れ、塗装後の耐食性にも優れる熱処理鋼製品、及びその製造方法に関する。

近年、地球環境問題、及び衝突安全性能の観点から、自動車用構造部品の薄肉化、及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やすくなる。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。

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の製造する技術が実用化されている。例えば、熱間プレスは、鋼板が高温で軟質、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。

しかし、上記のような加工法では、鋼を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。

特許文献１には、金属材の曲げ加工方法において、加熱装置及び冷却装置を金属材に対して相対移動させながら、加熱装置により金属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又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（以下「熱間三次元曲げ加工」という）が開示されている。

熱間三次元曲げ加工は、主に自動車用部材に用いられる加工技術であり、車体軽量化と衝突安全性の向上という２つの相反するニーズに同時に対応するものとして開発された。熱間曲げ加工は、鋼管を局部的に加熱しながら水冷によって焼入れしつつ、同時に曲げモーメントを与えることによって曲げ加工を行うことにより、複雑な形状をした閉断面構造部材を一工程で製造できる技術であり、断面構造で１４７０ＭＰａ超の自動車部品の成形が可能となる。

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、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。

これらの問題に対して、本発明者らは、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わる発明を開示した。

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、酸化スケールを抑制した焼入れ鋼材を製造することが可能になる。

特開２００７−８３３０４号公報 特開２０１１−８９１５０号公報

本発明者らは特許文献２により開示された発明のさらなる向上を図るべく鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、加熱装置により鋼材が加熱される部分の周囲の空間に不活性ガスを吹き付けて充満させたとしても、酸化スケールを完全に無くすことは非常に困難であり、不可避なスケール（酸化膜）が発生すること、また、加熱及び冷却の条件によってはその不可避なスケールのために化成処理性が劣る場合があることを知見した。

スケールが厚膜であると剥離しやすく、鋼材の加工後の化成処理性や電着塗装生が損なわれる。また、スケールの厚みが不均一であると、化成処理や電着塗装にムラが生じる。しかしながら、加工後に酸化スケール除去工程を設け、酸化スケールを除去することは、コストの上昇につながるので好ましくない。

本発明は、このような新規な課題に鑑みてなされたものであり、熱処理後でも特段の酸化スケール除去工程を経ることなく、酸化スケールが付着したままでも塗装下地処理としての化成処理性に優れ、塗装後の耐食性にも優れる熱処理鋼製品、およびその製造方法を提供することを目的とし、さらに具体的には、めっきを施していない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と塗装後耐食性を有することから、例えば自動車用部材として好適に用いられる熱処理鋼製品、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らが如何なる場合に化成処理性が劣化するか調査を進めた結果、不活性ガスを吹き付けた雰囲気下での加熱によって少量のスケールが生成しても、化成処理の際にスケールが溶解して鉄イオンが供給される状態、あるいはさらに素地が溶解して鉄イオンが供給される状態であれば健全な化成皮膜が形成され、一方、生成したスケールが化成処理の際に十分に溶解しないものであると、化成処理性が劣ることが判明した。

本発明者がさらに鋭意検討を重ねた結果、スケールの膜厚が１μｍ以下であり、スケール中に含まれるＦｅＯが９０％以上であれば、化成時にＦｅイオン供給が十分になされ、良好な化成処理ができることが分かった。また、このようなスケールを実現するために、ガスチャンバ、加熱装置及び冷却装置を有する加工装置を用いて、不活性ガスを流しつつ、３次元曲げ加工を行い、その際、鋼材が６００℃以上の温度域に滞在する時間を１秒未満とすればよいことが分かった。本発明は、上記の知見に基きなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）表面に膜厚が１μｍ以下のスケールを有し、上記スケール中に含まれるＦｅＯの比率が９０％以上であり、閉じた横断面形状を有する中空の部材であることを特徴とする高強度と優れた化成処理性を有する熱処理鋼製品。

（２）前記鋼の組織がマルテンサイト、又は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする前記（１）の高強度と優れた化成処理性を有する熱処理鋼製品。

（３）前記スケールの膜厚の最大値と最小値が、膜厚の平均値の±１０％以内であることを特徴とする前記（１）又は（２）のいずれかの熱処理鋼製品。

（４）上流側から、ガスチャンバ、加熱装置及び冷却装置を有する加工装置を用いて前記（１）〜（３）のいずれかの熱処理鋼製品を製造する方法であって、ガスチャンバへ不活性ガスを導入し、加熱装置及び冷却装置を含む空間に不活性ガスを充満させつつ、鋼材を上記加工装置に対して相対移動させることにより、上記加熱装置により上記鋼材が局部的に加熱され、次いで、上記冷却装置により上記鋼材が冷却され、上記鋼材が６００℃以上の温度域に滞在する時間が１秒未満であり、かつ、上記加熱と上記冷却との間で、上記鋼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加工することを特徴とする熱処理鋼製品の製造方法。

（５）さらに、前記冷却の過程において前記鋼材が６００℃から３００℃までの温度域に滞在する時間を３秒間以内とする前記（４）の熱処理鋼製品の製造方法。

本発明により、化成処理の際にスケールが溶解して健全な化成皮膜が形成されるので、ショットブラストなどのスケール除去工程を経ることなく化成処理・塗装工程に供しても、化成処理性に優れ、ひいては塗装後の耐食性にも優れるので、めっきによる犠牲防食が必須なほど重防食性は求められないにしても、ある程度の耐食性が必要な用途に用いるのに好適な熱処理鋼製品が提供される。

本発明に係る熱処理鋼製品の適用部位としては、自動車部品の場合には、高強度化を図ることによって車両軽量化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、ピラー、ドアビーム、ルーフやバンパなどのレインフォース類、フレーム類、アーム類などが例示される。

本発明で用いることができる加工装置の一例を示す図である。

本発明に係る熱処理用製品とその製造方法の限定理由を以下に説明する。

本発明の熱処理鋼製品は、めっきを施していない鋼材を素材として製造され、その熱処理後の製品表面には、ごく薄いスケール（酸化膜）を有する。その膜厚は１μｍ以下とする必要がある。

スケールの膜厚が１μｍを超えると、化成処理の際に溶けずに残存するスケールが多く、鉄イオンの供給が不十分となって化成処理性が劣化する。また、スケールが厚くなるとスケールの上に化成皮膜が形成されてもスケールと地鉄の間で剥離が生じやすくなり、塗膜密着性が劣る。したがって、スケールの膜厚は、１μｍ以下とし、好ましくは０．５μｍ以下である。

また、スケール中は、ＦｅＯを９０％以上含有する必要がある。この比率は、製品表面のＸ線回折分析によってＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３それぞれのＸ線強度を求め、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４とＦｅ_２Ｏ_３のＸ線強度の合計に対するＦｅＯのＸ線強度の比を計算することにより求めることができる。

ＦｅＯの比率が９０％未満であると、化成処理の際に溶けずに残存するスケールが多く、鉄イオンの供給が不十分となって化成処理性が劣化する。その理由は必ずしも明らかではないが、次のように考えられる。

スケールは、まず高温時にＦｅＯが生成し、酸化の進行に伴いＦｅ_３Ｏ_４が生成したり、冷却過程において一部のＦｅＯが共析変態を起こしてＦｅ_３Ｏ_４が生成したりする。製品においてスケール中のＦｅＯ比率が減り、Ｆｅ_３Ｏ_４の比率が多くなると、Ｆｅ_３Ｏ_４はＦｅＯに比べて化成処理液中で溶解しにくいため、化成処理性が劣化する。

本発明の鋼製品は、熱処理によって得られる高強度を有しながら化成処理性にも優れる必要があるので、鋼組織はマルテンサイトからなる。ただし、必要とされる強度及び性能に応じて、マルテンサイトの一部を焼戻しマルテンサイトに換えてもよい。また、熱処理の過程で不可避的に残留する、炭化物や残留オーステナイトが含まれてもよい。

なお、熱処理鋼製品の中に必要上意図的に設けられた非熱処理部、及び熱処理部と非熱処理部の境界領域においては、鋼組織は上記の限りではなく、製品中の一部にそのような部分を設けてもよい。

本発明の熱処理鋼製品の形状は特に限定されないが、閉じた横断面形状を有する中空の部材が好適である。熱処理鋼製品は、たとえば熱間三次元曲げ加工により製造することができる。熱間三次元曲げ加工は、高強度で高剛性の任意の曲げ形状を有する中空部材を得るのに好適である。

本発明の熱処理鋼製品は、上流側から、ガスチャンバ、加熱装置及び冷却装置を有する加工装置を用いて製造される。以下、図１を用いて、より具体的に説明する。

図１は、本発明で使用される加工装置の一例を示すものであり、鋼材１１を加工装置１０に対して相対移動させ加工を行う。加工装置は上流側から、ガスチャンバ１２、加熱装置１３及び冷却装置１４を有している。図１では、構造の理解のため、断面を描いているが、ガスチャンバ１２、加熱装置１３及び冷却装置１４は鋼材１１の周全体を覆うように設けられている。

ガスチャンバ１２には、アルゴンや窒素などの不活性ガスが導入され、加熱装置１３及び冷却装置１４を含む空間に不活性ガスを充満させる。鋼材１１は、加熱装置１３により局所的に加熱され（１１ａ）、その後冷却装置１４で冷却される。ここで、加熱及び冷却の過程において、鋼材１１が６００℃以上の温度域に滞在する時間は１秒間未満とする。

鋼材の加熱部分の周囲の空間に大気が含まれる状態で熱処理を行うと、スケールが厚く生成して、化成処理性および塗装後耐食性が劣化する。一方、加熱部分の周囲の空間に不活性ガスを吹き付けて充満させたとしても、鋼材の酸化が急速に進む６００℃以上の温度域での滞在時間が１秒間を超えると、スケールが厚く成長したり、スケールの酸化の程度が進んでＦｅ_３Ｏ_４の比率が増加したりするため、化成処理性が劣化する。

したがって、本発明においては、加熱装置の上流側にガスチャンバを設けた加工装置を用い、ガスチャンバに不活性ガスを導入し、加熱前の鋼材の周囲の空間を含め、鋼材の加熱された部分の周囲、冷却された部分の周囲の空間を不活性ガスで充満させる。さらに、加熱及び冷却の過程において、鋼材が６００℃以上に滞在する時間は、１秒間未満とし、好ましく０．５秒間以下とする。

さらに、鋼材が冷却される過程においては、鋼材が６００℃から３００℃までの温度域に滞在する時間を３秒間以内とすることが好ましい。高温でスケールが生成した後、冷却過程において６００℃近辺以下になると、ＦｅＯが共析変態を起こしてＦｅ_３Ｏ_４が生成する。そのため、その反応が進行しやすい６００℃から３００℃の温度域を速く通過させてＦｅ_３Ｏ_４の生成を抑制し、ＦｅＯのまま低温まで持ち来るようにすることが、化成処理性を良好にする上で好ましい。

さらに、本発明においては、鋼材の加熱部分の周辺に十分に不活性ガスを充満させることによって、スケールの膜厚を均一にすることが可能となる。好ましくは、スケールの膜厚の最大値と最小値を、膜厚の平均値の±１０％以内とすることが可能となる。

製品に必要とされる強度及び性能に応じて、焼戻しなどの熱処理を追加してもよい。その場合は、すべての熱処理を通算して、６００℃以上の滞在時間を１秒間未満とし、さらに好ましくは、６００℃から３００℃の滞在時間を３秒間以内とすることが有効である。

なお、図１中に描いた位置決め装置２１ａ、２２ｂ、産業用ロボット３２、チャック３３等は、本発明で用いることのできる加工装置の好適な例を示すものであり、本発明がこの図面により限定されるものではないことはいうまでもない。また、図示されていないが、冷却装置１４の下流側に遮蔽板を設け、不活性ガスがガスチャンバ１２、加熱装置１３及び冷却装置１４を含む空間により充満しやすくなるようにしてもよい。

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。

この鋼管素材を、図１に示す熱間三次元曲げ加工装置を用いて、表２に示す条件で熱処理を行い、熱処理鋼製品とした。なお、表２のＮｏ．３については熱間三次元曲げ加工装置の冷却過程の制御により焼戻しを施した。

得られた熱処理鋼製品は、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。

また、鋼管の表面について、Ｘ線光電子分光分析によりスケールの膜厚を測定するとともに、Ｘ線回折によってスケール組成の分析を行い、ＦｅＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３それぞれのＸ線強度を求めて、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４とＦｅ_２Ｏ_３のＸ線強度の合計に対するＦｅＯのＸ線強度の比を計算し、スケール中のＦｅＯ比率とした。

ここで、Ｘ線強度の比は、Ｘ線源をＣｕＫα（４０ｋＶ−５０ｍＡ）とした際の、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４とＦｅ_２Ｏ_３のＸ線回折ピークをＲｉｅｔｖｅｌｄ法により評価したものである。

また、得られた熱処理鋼製品について、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た。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った。また、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。

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１２ｍｍ以下であるものを良好と判定した。

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。

表２に示すとおり、本発明で規定する範囲を満足することにより、ショットブラストなどのスケール除去工程を経ることなく化成処理・塗装工程に供しても、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鋼製品が提供されることが確認できた。

Claims (5)

1. 表面に膜厚が１μｍ以下のスケールを有し、
   上記スケール中に含まれるＦｅＯの比率が９０％以上であり、
   閉じた横断面形状を有する中空の部材である
   ことを特徴とする高強度と優れた化成処理性を有する熱処理鋼製品。
2. 前記鋼の組織がマルテンサイト、又は、マルテンサイト及び焼戻しマルテンサイトからなることを特徴とする請求項１に記載の高強度と優れた化成処理性を有する熱処理鋼製品。
3. 前記スケールの膜厚の最大値と最小値が、膜厚の平均値の±１０％以内であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理鋼製品。
4. 上流側から、ガスチャンバ、加熱装置及び冷却装置を有する加工装置を用いて請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱処理鋼製品を製造する方法であって、
   ガスチャンバへ不活性ガスを導入し、加熱装置及び冷却装置を含む空間に不活性ガスを充満させつつ、
   上記加工装置を鋼材に対して相対移動させることにより、上記加熱装置により上記鋼材が局部的に加熱され、次いで、上記冷却装置により上記鋼材が冷却され、
   上記鋼材が６００℃以上の温度域に滞在する時間が１秒未満であり、かつ、
   上記加熱と上記冷却との間で、上記鋼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加工する
   ことを特徴とする熱処理鋼製品の製造方法。
5. さらに、前記冷却の過程において前記鋼材が６００℃から３００℃までの温度域に滞在する時間を３秒間以内とする請求項４に記載の熱処理鋼製品の製造方法。

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