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特許7433972STAF(登録商標)工法用Al系めっき鋼管及びAl系めっき鋼管部品、並びにそれらの製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-09
(45)【発行日】2024-02-20
(54)【発明の名称】STAF(登録商標)工法用Al系めっき鋼管及びAl系めっき鋼管部品、並びにそれらの製造方法
(51)【国際特許分類】
   C23C 2/12 20060101AFI20240213BHJP
   C23C 2/26 20060101ALI20240213BHJP
   C22C 38/00 20060101ALI20240213BHJP
   C22C 38/04 20060101ALI20240213BHJP
   C22C 38/58 20060101ALI20240213BHJP
   C21D 9/00 20060101ALI20240213BHJP
   C22C 21/02 20060101ALN20240213BHJP
【FI】
C23C2/12
C23C2/26
C22C38/00 301T
C22C38/04
C22C38/58
C21D9/00 A
C22C21/02
【請求項の数】 7
(21)【出願番号】P 2020026538
(22)【出願日】2020-02-19
(65)【公開番号】P2021130844
(43)【公開日】2021-09-09
【審査請求日】2023-02-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】592260572
【氏名又は名称】日鉄めっき鋼管株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】服部 保徳
(72)【発明者】
【氏名】栗山 智啓
(72)【発明者】
【氏名】村田 康
(72)【発明者】
【氏名】三浦 拓也
(72)【発明者】
【氏名】鶴田 旭
(72)【発明者】
【氏名】野際 公宏
【審査官】瀧口 博史
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-073779(JP,A)
【文献】特開2019-073778(JP,A)
【文献】特開2010-018860(JP,A)
【文献】特開2003-027203(JP,A)
【文献】特開2011-137210(JP,A)
【文献】特表2013-515618(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C23C 2/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
鋼管の少なくとも外面に合金化率が35%以上のAl系めっき層を有し、
前記Al系めっき層の最小厚さに対する前記Al系めっき層の最大厚さの比が1.2~2.0であるSTAF(登録商標)工法用Al系めっき鋼管。
【請求項2】
前記鋼管は、C:0.10~0.50質量%、Si:0.10~2.00質量%、Mn:0.10~3.00質量%を含み、残部がFe及び不可避的不純物である組成を有する、請求項1に記載のAl系めっき鋼管。
【請求項3】
前記鋼管は、Cr:0.10~5.00質量%、Mo:0.01~3.00質量%、Ni:0.01~3.00質量%、Cu:0.01~3.00質量%、Ti:0.01~0.20質量%、Al:0.002~0.10質量%、B:0.0003~0.0050質量%から選択される1種以上をさらに含む、請求項2に記載のAl系めっき鋼管。
【請求項4】
前記Al系めっき層の付着量が20~100g/m2である、請求項1~3のいずれか一項に記載のAl系めっき鋼管。
【請求項5】
請求項1~4のいずれか一項に記載のAl系めっき鋼管の製造方法であって、
鋼板の少なくとも1つの表面にAl系めっき層を形成する工程と、
前記Al系めっき層が形成された前記鋼板を造管し、少なくとも外面に前記Alめっき層が形成された鋼管を製造する工程と、
前記Al系めっき層の合金化率が35%以上となるように、前記鋼管の管軸方向を水平方向にして加熱する工程と
を含む、Al系めっき鋼管の製造方法。
【請求項6】
請求項1~4のいずれか一項に記載のAl系めっき鋼管のSTAF(登録商標)工法による成形体を含むAl系めっき鋼管部品であって、
前記Al系めっき鋼管部品は、少なくとも1つの表面にAl系めっき層を有し、前記Al系めっき層の最小厚さに対する前記Al系めっき層の最大厚さの比が1.0~10.0であるAl系めっき鋼管部品。
【請求項7】
請求項1~4のいずれか一項に記載のAl系めっき鋼管をA1変態点以上の温度に加熱し、前記Al系めっき鋼管内に高圧流体を供給して成形を行った後、焼入れを行うAl系めっき鋼管部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱間成形用Al系めっき鋼材及びAl系めっき鋼材部品、並びにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車のボディやフレームなどの車体部品には鋼材が一般に用いられている。例えば、近年、車体部品を軽量化するために鋼管が用いられることが多くなっている。また、車体部品間の接合を行うためにフランジ部が車体部品に形成されることがある。
フランジ部を有する鋼材部品(以下、「フランジ付き鋼材部品」という)の製造方法としては、冷間プレス、ハイドロフォーミング、ホットスタンピングなどを用いた方法が知られている。冷間プレス及びホットスタンピングを用いた方法は、2枚の鋼板を、組み合わせた際にパイプ本体部及びフランジ部となる形状にプレス成形した後、これらを溶接することでフランジ付き鋼材部品を製造することができる。また、ハイドロフォーミングを用いた方法は、鋼管をハイドロフォーミングで成形してパイプ本体部を得た後、プレス成形等で別途作製したフランジ部をパイプ本体部に溶接することによってフランジ付き鋼材部品を製造することができる。これらの方法はいずれも、溶接が必要であるため、手間がかかり、製造コストが増大するという問題がある。
【0003】
そこで、鋼管を加熱し、鋼管内に高圧流体を供給して成形(フランジ部の形成を含む)を行った後、焼入れを行う方法が提案されている(例えば、特許文献1)。この方法は、Steel Tube Air Forming、すなわち、STAF(登録商標)工法と称されている。
STAF(登録商標)工法に用いられる鋼管としては、焼入れ可能な鋼管が用いられている。しかしながら、この鋼管は、大気中で加熱する際に、表面にスケール(酸化物)が生成し易い。表面のスケールは、ショットブラストや酸洗などによって除去することができるが、このような処理を行うと製造コストの増大などにつながってしまう。そのため、この製造方法に用いられる鋼管は、耐高温酸化性に優れていることが要求される。
そこで、表面にAl系めっき層を形成した鋼管をSTAF(登録商標)工法に用いることが提案されている(例えば、特許文献2及び3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2018-167312号公報
【文献】特開2019-73778号公報
【文献】特開2019-73779号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、表面にAl系めっき層を形成した鋼材を熱間成形すると、Al系めっき層の融点よりも高い温度に鋼材が加熱されるため、著しいめっき垂れが生じるという問題がある。このめっき垂れは、上記の各種方法、特にSTAF(登録商標)工法で得られた鋼材部品において、表面のAl系めっき層の厚さが著しく不均一な部分が形成される原因となる。
【0006】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱間成形によってAl系めっき鋼材部品を製造する場合に、めっき垂れを抑制し得る熱間成形用Al系めっき鋼材及びその製造方法を提供することを課題とする。
また、本発明は、熱間成形によって製造される、Al系めっき層の厚さのバラツキが小さいAl系めっき鋼材部品及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明者らは、熱間成形に用いられるAl系めっき鋼材について鋭意研究を続けた結果、Al系めっき層を特定の割合まで予め合金化するとともに、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比を特定の範囲に制御することで、上記の問題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】
すなわち、本発明は、鋼の少なくとも外面に合金化率が35%以上のAl系めっき層を有し、前記Al系めっき層の最小厚さに対する前記Al系めっき層の最大厚さの比が1.22.0であるSTAF(登録商標)工法用Al系めっき鋼である。
【0009】
また、本発明は、前記Al系めっき鋼管の製造方法であって、鋼板の少なくとも1つの表面にAl系めっき層を形成する工程と、前記Al系めっき層が形成された前記鋼板を造管し、少なくとも外面に前記Alめっき層が形成された鋼管を製造する工程と、前記Al系めっき層の合金化率が35%以上となるように、前記鋼管の管軸方向を水平方向にして加熱する工程とを含む、Al系めっき鋼管の製造方法である。
【0010】
また、本発明は、前記Al系めっき鋼STAF(登録商標)工法による成形体を含むAl系めっき鋼部品であって、前記Al系めっき鋼部品は、少なくとも1つの表面にAl系めっき層を有し、前記Al系めっき層の最小厚さに対する前記Al系めっき層の最大厚さの比が1.0~10.0であるAl系めっき鋼部品である。
【0011】
さらに、本発明は、前記Al系めっき鋼をA1変態点以上の温度に加熱し、前記Al系めっき鋼管内に高圧流体を供給して成形を行った後、焼入れを行うAl系めっき鋼部品の製造方法である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、熱間成形によってAl系めっき鋼材部品を製造する場合に、めっき垂れを抑制し得る熱間成形用Al系めっき鋼材及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、熱間成形によって製造される、Al系めっき層の厚さのバラツキが小さいAl系めっき鋼材部品及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施形態に対し変更、改良などが適宜加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【0014】
(熱間成形用Al系めっき鋼材)
本発明の実施形態に係る熱間成形用Al系めっき鋼材(以下、Al系めっき鋼材と略すことがある)は、鋼材の少なくとも1つの表面にAl系めっき層を有する。
ここで、鋼材の種類は、特に限定されず、鋼板、鋼管などを用いることができる。また、鋼材が鋼板である場合、Al系めっき層は、鋼板の一方の面、又は鋼板の両面に形成することができる。また、鋼材が鋼管である場合、Al系めっき層は、鋼管の外面、又は鋼管の外面及び内面に形成することができる。
また、本明細書において「熱間成形」とは、加熱して成形する工法、例えば、ホットスタンピング、STAF(登録商標)などのことを意味する。
【0015】
上記のような構造を有するAl系めっき鋼材は、耐高温酸化性、高温摺動性などの特性に優れているため、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法によるAl系めっき鋼材部品の製造に用いるのに適している。
ここで、STAF(登録商標)工法によるAl系めっき鋼材部品の製造とは、管状のAl系めっき鋼材(以下、「Al系めっき鋼管」という)を加熱し、Al系めっき鋼管内に高圧流体を供給して成形を行った後、焼入れを行うことを意味する。この工法において、成形には、パイプ本体部の成形だけでなく、フランジ部の成形が含まれてもよい。
【0016】
一方、上記のような構造を有するAl系めっき鋼材は、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法に用いると、加熱時に、Al系めっき層が溶融して鋼材の鉛直下方に移動する「めっき垂れ」が起こり易い。
そこで、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材では、Al系めっき層を所定の割合まで予め合金化させるとともに、Al系めっき層の厚さのバラツキ(最小厚さに対する最大厚さの比)を特定の範囲に制御することにより、熱間成形におけるめっき垂れを抑制している。
【0017】
Al系めっき層は、合金化率が35%以上、好ましくは40%、より好ましくは50%以上である。合金化率を上記の範囲に制御することにより、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法を用いてAl系めっき鋼材部品を製造する場合(特に、加熱時)に、めっき垂れを抑制することができる。
ここで、Al系めっき層の合金化率は、次のようにして求めることができる。
Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼管である場合、まず、Al系めっき鋼管を管軸方向に垂直な方向に切断してエポキシ樹脂に埋め込んだ後、研磨処理を行い、研磨された断面を光学顕微鏡で撮影する。撮影された写真から、Al系めっき層全体の厚さに対する合金化されたAl系めっき層の厚さの割合を合金化率とする。なお、Al系めっき層の厚さは、1視野で5箇所の平均値とすることが好ましい。また、Al系めっき鋼材が板状のAl系めっき鋼板(以下、「Al系めっき鋼板」という)である場合、Al系めっき鋼板を板幅方向に切断すること以外は上記と同様にして行えばよい。
【0018】
Al系めっき層は、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比(Al系めっき層の最大厚さ/Al系めっき層の最小厚さ)が1.0~5.0、好ましくは1.1~3.0、より好ましくは1.2~2.0である。Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比を上記の範囲に制御することにより、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法を用いてAl系めっき鋼材部品を製造する場合(特に、加熱時)に、めっき垂れ抑制することができる。
ここで、Al系めっき層の厚さは、合金化率と同様にして断面を光学顕微鏡で撮影し、撮影された写真から測定することができる。また、Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼管である場合、「Al系めっき層の最小厚さ」とは、Al系めっき鋼管の管軸方向に垂直な方向の断面の写真において、Al系めっき層が最も小さくなる部分の厚さのことを意味する。同様に、「Al系めっき層の最大厚さ」とは、Al系めっき鋼管の管軸方向に垂直な方向の断面の写真において、Al系めっき層が最も大きくなる部分の厚さのことを意味する。Al系めっき層の最小厚さ及び最大厚さは、1視野で5箇所の平均値とすることが好ましい。また、Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼板である場合、「Al系めっき層の最小厚さ」とは、Al系めっき鋼板の板幅方向断面の写真において、Al系めっき層が最も小さくなる部分の厚さのことを意味する。同様に、「Al系めっき層の最大厚さ」とは、Al系めっき鋼板の板幅方向断面の写真において、Al系めっき層が最も大きくなる部分の厚さのことを意味する。
なお、Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼管である場合、Al系めっき鋼管は、管軸方向を水平方向にして加熱されることが多い。このとき、管軸中心に対して鉛直上方となる位置を0°とすると、Al系めっき層の厚さが最大となる部分は、管軸中心に対して180°の位置する部分(底部)周辺となり、Al系めっき層の厚さが最小となる部分は、管軸中心に対して90°及び270°の位置に位置する部分(側部)周辺となる。
【0019】
めっき垂れが生じ易い従来のAl系めっき鋼材は、熱間成形、特にSTAF工法(登録商標)において、成形用の金型との間で局部的な面圧上昇を招き、成形用の金型の寿命を低下させるとともに、成形時の高温摺動性を低下させることがある。また、製品形状によっては、製品部品の寸法制度を低下させることもある。これに対して本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材は、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法を用いてAl系めっき鋼材部品を製造する場合に、めっき垂れを抑制し得るため、上記のような不具合を解決することができる。また、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材は、熱間成形、特にSTAF工法(登録商標)を用いて製造されたAl系めっき鋼材部品を塗装する場合に、めっき垂れの影響による塗装後の外観の劣化を抑制することもできる。
【0020】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材は、耐高温酸化性に優れているため、熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法に用いても、少なくとも1つの表面にスケールが生成し難い。一方、少なくとも1つの表面にAl系めっき層を有していない鋼材を熱間成形に用いた場合、少なくとも1つの表面にスケールが生成する。特にSTAF(登録商標)工法に用いた場合には、フランジ部の形成過程やパイプ本体部の成形過程などでスケールが剥離する。その結果、剥離したスケールによって鋼材の少なくとも1つの表面に疵が発生し易くなると共に、金型にスケールが付着するため金型の清掃作業にも手間がかかる。したがって、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材によれば、このようなスケールの発生に起因する問題を解決することができる。
【0021】
また、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材(Al系めっき鋼管)は、高温摺動性に優れているため、STAF(登録商標)工法を用いてフランジ部を形成することが容易である。具体的には、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材(Al系めっき鋼管)は、高温時における金型との摩擦が小さいため、フランジ部を形成する際に、上金型と下金型の半開きの部分にAl系めっき鋼管の一部を膨張させ易くなる。
ここで、本明細書において「Al系めっき層」とは、Alを主成分とするめっき層のことを意味し、AlのみからなるAl系めっき層を含む概念である。Al系めっき層中のAl含有量は、特に限定されないが、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上、さらに好ましくは80質量%以上である。
【0022】
Al系めっき層は、溶融めっき法、電気めっき法、真空蒸着法、クラッド法などの公知の方法によって形成することができる。その中でも、現在工業的に最も普及している溶融めっき法を用いて形成されたAl系めっき層であることが好ましい。
【0023】
本発明の一実施形態において、Al系めっき層は、Alと共にSiを含むことが好ましい。Al系めっき層にSiを含有させることにより、例えば、溶融めっきの際に、合金層の形成を抑制することができる。このような効果を確保する観点から、Al系めっき層中のSi含有量は1~15質量%であることが好ましい。また、このAl系めっき層は、耐食性を向上させる観点から、Cr:0.1~1質量%、Mg:0.5~10質量%、Ti:0.1~1質量%、Sn:1~5質量%、Zn:1~50質量%などを含んでもよい。これらの元素は、単独又は2種以上を組み合わせて含有させることができる。
【0024】
Al系めっき層の付着量は、特に限定されないが、好ましくは10~150g/m2、より好ましくは20~100g/m2、さらに好ましくは20~80g/m2、特に好ましくは25~60g/m2である。Al系めっき層の付着量を10g/m2以上とすることにより、耐高温酸化性及び高温摺動性を確保することができるため、大気中で加熱する際に表面にスケールの生成を抑制することができると共に、フランジ部が形成し易くなる。また、Al系めっき層の付着量を150g/m2以下とすることにより、Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼管である場合に造管性を高めることができる。なお、Al系めっき層がAl系めっき鋼管及びAl系めっき鋼板の両面に形成される場合、上記のAl系めっき層の付着量は、各面におけるAl系めっき層の付着量を意味する。
【0025】
Al系めっき鋼材に用いられる鋼材は、焼入れ可能であれば、その組成は特に限定されない。本発明の一実施形態において、鋼材は、C:0.10~0.50質量%、Si:0.10~2.00質量%、Mn:0.10~3.00質量%を含み、残部がFe及び不可避的不純物である組成を有することが好ましい。また、鋼材は、必要に応じて、Cr:0.10~5.00質量%、Mo:0.01~3.00質量%、Ni:0.01~3.00質量%、Cu:0.01~3.00質量%、Ti:0.01~0.20質量%、Al:0.002~0.10質量%、B:0.0003~0.0050質量%から選択される1種以上をさらに含んでもよい。なお、本明細書において「不可避的不純物」とは、O、N、P、Sなどの除去することが難しい成分のことを意味する。不可避的不純物は、原料を溶製する段階で不可避的に混入する。
【0026】
上記の鋼材の組成を限定する理由は次の通りである。
Cは焼入れ性の向上とともに、冷却時に生成するマルテンサイトの強度の向上に有効な元素である。焼入れ後にAl系めっき鋼材の引張強度(TS)を1200N/mm2以上にするためには、C含有量を好ましくは0.10質量%以上、より好ましくは0.11質量%以上、さらに好ましくは0.12質量%以上とする。一方、C含有量が多すぎると、衝突変形時にエネルギー吸収能力を確保することが難しくなるため、C含有量を好ましくは0.50質量%以下、より好ましくは0.45質量%以下、さらに好ましくは0.40質量%以下とする。
【0027】
Siは、強度の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Si含有量を好ましくは0.10質量%以上、より好ましくは0.11質量%以上、さらに好ましくは0.12質量%以上とする。一方、Si含有量が2.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう。そのため、Si含有量を好ましくは2.00質量%以下、より好ましくは1.80質量%以下、さらに好ましくは1.50質量%以下とする。
【0028】
Mnは、強度及び焼入れ性の向上に有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、Mn含有量を好ましくは0.10質量%以上、より好ましくは0.20質量%以上、さらに好ましくは0.30質量%以上とする。一方、Mn含有量が3.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう。そのため、Mn含有量を好ましくは3.00質量%以下、より好ましくは2.80質量%以下、さらに好ましくは2.50質量%以下とする。
【0029】
Crは、焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Cr含有量を好ましくは0.10質量%以上、より好ましくは0.15質量%以上、さらに好ましくは0.20質量%以上とする。一方、Cr含有量が5.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう。そのため、Cr含有量を好ましくは5.00質量%以下、より好ましくは4.50質量%以下、さらに好ましくは3.00質量%以下とする。
【0030】
Moは、焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、Mo含有量を好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上とする。一方、Mo含有量が3.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう。そのため、Mo含有量を好ましくは3.00質量%以下、より好ましくは2.50質量%以下、さらに好ましくは2.00質量%以下とする。
【0031】
Niは、焼入れ性の向上とともに衝突時の耐衝撃性の改善にも有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、Ni含有量を好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上とする。一方、Ni含有量が3.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう上、コストも上昇する。そのため、Ni含有量を好ましくは3.00質量%以下、より好ましくは2.50質量%以下、さらに好ましくは2.00質量%以下とする。
【0032】
Cuは、焼入れ性及び靭性の向上に有効な元素である。これらの効果を十分に得るためには、Cu含有量を好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.03質量%以上、さらに好ましくは0.05質量%以上とする。一方、Cu含有量が3.00質量%を超えると、当該効果が飽和してしまう上、コストも上昇する。そのため、Cu含有量を好ましくは3.00質量%以下、より好ましくは2.50質量%以下、さらに好ましくは2.00質量%以下とする。
【0033】
Tiは、溶鋼の脱酸調整に添加される成分であるが、脱窒作用も有する。また、固溶しているNを窒化物として固定するので、焼き入れ性を改善する有効B量を高める。さらに、Tiは、炭窒化物を形成し、焼き入れ加熱時に結晶粒の粗大化を抑制する作用も有する。これらの作用を安定して得るためには、Ti含有量を好ましくは0.01質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上とする。一方、Ti含有量が多くなると、コストも上昇する上、加工性が低下する原因となる。そのため、Ti含有量を好ましくは0.20質量%以下、より好ましくは0.10質量%以下とする。
【0034】
Alは、溶鋼の脱酸剤として使用される成分であり、Nを固定する作用も有する。このような効果を十分に得るためには、Al含有量を好ましくは0.002質量%以上、より好ましくは0.005質量%以上、さらに好ましくは0.010質量%以上とする。一方、Al含有量が多くなると、清浄度が損なわれ、表面疵が発生し易くなって表面品質が低下する要因となる。そのため、Al含有量を好ましくは0.10質量%以下、より好ましくは0.080質量%以下、さらに好ましくは0.060質量%以下とする。
【0035】
Bは、焼入れ性の向上に有効な元素である。この効果を十分に得るためには、B含有量を好ましくは0.0003質量%以上、より好ましくは0.0005質量%以上、さらに好ましくは0.0010質量%以上とする。一方、B含有量が0.0050質量%を超えると、当該効果が飽和する上、フランジ部の形成やパイプ本体部の成形を行う際に割れが生じる恐れがある。そのため、B含有量を好ましくは0.0050質量%以下、より好ましくは0.0045質量%以下、さらに好ましくは0.0040質量%以下とする。
【0036】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材は、本発明の効果を阻害しない範囲において、Al系めっき層の表面に化成処理層などの公知の表面処理層をさらに有していてもよい。
【0037】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材は、特に限定されないが、鋼材の少なくとも1つの表面にAl系めっき層を形成する工程と、Al系めっき層の合金化率が35%以上となるように加熱する工程とを含む方法によって製造することができる。
また、Al系めっき鋼材がAl系めっき鋼管である場合、鋼板の少なくとも1つの表面にAl系めっき層を形成する工程と、Al系めっき層が形成された鋼板を造管する工程と、Al系めっき層の合金化率が35%以上となるように加熱する工程とを含む方法によっても製造することができる。
造管方法としては、特に限定されず、当該技術分野において公知の方法を用いることができる。例えば、Al系めっき層を形成した鋼板を円筒形状に成形加工した後、板幅方向の両端部を突合わせて電縫溶接すればよい。
【0038】
加熱方法は、特に限定されず、当該技術分野において公知の加熱装置を用いて行うことができる。また、Al系めっき鋼材を直ぐに熱間成形、特にSTAF(登録商標)工法で成形加工する場合には、当該成形加工を実施することが可能な成形装置を用いて加熱を行ってもよい。
Al系めっき層の合金化率が35%以上となるような加熱条件は、Al系めっき層の種類や付着量(厚さ)に応じて適宜設定すればよく特に限定されない。
【0039】
典型的な加熱条件としては、3~200℃/秒の昇温速度で570~800℃の温度に加熱して10分以下保持することである。
昇温速度が3℃/秒未満であると、処理時間が長くなるため生産性が低下する。一方、昇温速度が200℃/秒を超えると、加熱速度にAlの拡散が追い付かず表面が粗くなることがある。
加熱温度が570℃未満であると、Al系めっき層の合金化が不十分となることがある。一方、加熱温度が800℃を超えると、めっき垂れが生じ易くなるとともに、Al系めっき層の表面が粗くなったり、酸化スケールが発生したりすることがある。加熱温度は、好ましくは580℃~700℃、より好ましくは600~690℃である。
保持時間が10分を超えると、処理時間が長くなるため生産性が低下する。保持時間は、Al系めっき鋼材の加工性やAl系めっき鋼材部品の表面状態を考慮すると、好ましくは15秒~9分、より好ましくは20秒~8分である。
【0040】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材の焼入れ後の引張強度(TS)は、特に限定されないが、好ましくは1200N/mm2以上、より好ましくは1300N/mm2以上、さらに好ましくは1400N/mm2以上である。焼入れ後の引張強度が上記の範囲であれば、自動車の車体部品に要求される強度を確保することができる。
【0041】
(Al系めっき鋼材部品)
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材部品は、上記の熱間成形用Al系めっき鋼材の熱間成形体を含む。また、このAl系めっき鋼材部品は、少なくとも1つの表面にAl系めっき層を有し、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比(Al系めっき層の最大厚さ/Al系めっき層の最小厚さ)が1.0~10.0である。Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が上記の範囲であれば、Al系めっき層の厚さのバラツキが小さいということができる。
【0042】
Al系めっき鋼材部品におけるAl系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比は、Al系めっき鋼材におけるAl系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比と同様にして求めることができる。
例えば、Al系めっき鋼材部品が管状である場合、Al系めっき層の厚さは、管軸方向に垂直な方向の断面を光学顕微鏡で撮影し、撮影された写真から測定することができる。また、「Al系めっき層の最小厚さ」とは、管状のAl系めっき鋼材部品の管軸方向に垂直な方向の断面の写真において、Al系めっき層が最も小さくなる部分の厚さのことを意味する。同様に、「Al系めっき層の最大厚さ」とは、管状のAl系めっき鋼材部品の管軸方向に垂直な方向の断面の写真において、Al系めっき層が最も大きくなる部分の厚さのことを意味する。なお、Al系めっき層の最小厚さ及び最大厚さは、1視野で5箇所の平均値とすることが好ましい。
なお、Al系めっき鋼材部品が管状である場合、Al系めっき鋼材部品は、管軸方向を水平方向にして加熱されることが多い。このとき、管軸中心に対して鉛直上方となる位置を0°とすると、Al系めっき層の厚さが最大となる部分は、管軸中心に対して180°の位置する部分(底部)周辺となり、Al系めっき層の厚さが最小となる部分は、管軸中心に対して90°及び270°の位置に位置する部分(側部)周辺となる。
【0043】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材部品は、上記の熱間成形用Al系めっき鋼材をA1変態点以上の温度に加熱して成形を行った後、焼入れを行うことによって製造される。特に、Al系めっき鋼材部品がSTAF(登録商標)工法で製造される場合、上記のAl系めっき鋼管をA1変態点以上の温度に加熱し、このAl系めっき鋼管内に高圧流体を供給して成形を行った後、焼入れを行うことによって製造される。STAF(登録商標)工法における成形には、パイプ本体部の成形だけでなく、フランジ部の成形を含むことができる。
【0044】
Al系めっき鋼材の加熱は、Al系めっき鋼材の鋼組織をオーステナイト化させるために、A1変態点以上、好ましくは850℃以上に加熱することにより行われる。この加熱により、Al系めっき鋼材が軟化するため、所望の形状への成形が可能となる。特に、STAF(登録商標)工法による製造では、Al系めっき鋼管内に高圧流体を供給することでAl系めっき鋼管が熱膨張し、パイプ本体部の成形やフランジ部の形成が可能となる。
加熱の際の昇温速度は、特に限定されないが、好ましくは5~200℃/秒である。
【0045】
焼入れは、Al系めっき鋼材の成形を行った後に、急冷することで実施することができる。焼入れにより、オーステナイトがマルテンサイトに変態するマルテンサイト変態が生じ、Al系めっき鋼材部品が高強度化される。
【0046】
本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材部品の製造方法は、当該技術分野において公知の成形装置を用いて行うことができる。特に、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材部品をSTAF(登録商標)工法によって製造する場合は、STAF(登録商標)工法を実施することが可能な成形装置、例えば、特開2018-167312号公報に記載の成形装置を用いて行うことができる。具体的には、本発明の実施形態に係るAl系めっき鋼材部品をSTAF(登録商標)工法によって製造する方法は、以下のようにして行うことができる。
【0047】
まず、上側の成形用の金型(以下、「上金型」という)と下側の成形用の金型(以下、「下金型」という)との間にAl系めっき鋼管を配置し、Al系めっき鋼管を通電加熱する。
次に、上金型と下金型との間が半開き状態となる型締め位置に調整した上で、Al系めっき鋼管の内部に高圧流体(例えば、高圧空気)を供給する。これにより、Al系めっき鋼管が上金型と下金型の内面形状に倣った形状に膨張すると共に、上金型と下金型の半開きの部分からAl系めっき鋼管の一部がはみ出す形で膨張する。この状態で型締めを行うことにより、上金型と下金型の半開きの部分からはみ出したAl系めっき鋼管の一部が上金型と下金型との間に挟まれて、フランジ部が形成される。
フランジ部の形成後、Al系めっき鋼管の内部に高圧流体をさらに供給することにより、上金型及び下金型の内面形状への密着度合い(倣い度合い)が高まる。このようにしてAl系めっき鋼管を所定の形状に成形してパイプ本体部が形成される。
パイプ本体部の形成後、金型内で急冷することで焼入れが行われ、マルテンサイト変態によって高強度化されたフランジ付きAl系めっき鋼材部品となる。
【0048】
上記の製造方法では、上金型及び下金型の内面形状に倣い、Al系めっき鋼管の形状を自由に成形することが可能であるため、延材方向に不均一の形状を有するAl系めっき鋼材部品を一体的に成形することができる。
【実施例
【0049】
以下に、実施例を挙げて本発明の内容を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。
【0050】
(実施例1)
<Al系めっき鋼材の製造>
Al系めっき鋼材としてAl系めっき鋼管を製造した。まず、表1に示す組成(残部はFe及び不可避的不純物である)を有する鋼を溶製し、連続鋳造して得られた鋳片を熱間圧延して板厚3.2mmの熱延鋼板とした。次に、この熱延鋼板を酸洗した後、冷間圧延して板厚1.6mmの冷延鋼板とした。次に、この冷延鋼板を連続式溶融Al系めっきライン内で720℃にて10秒加熱焼鈍した後、Al系めっき浴に浸漬させ、冷延鋼板の両面にAl系めっき層を形成した。Al系めっき浴は、91質量%のAl及び9質量%のSiからなる組成とした。また、冷延鋼板の各面に形成したAl系めっき層の付着量は35g/m2(Al系めっき層の厚さ17μm)とした。なお、Al系めっき層の付着量は、蛍光X線分析によって測定した。
次に、上記で得られたAl系めっき層が表面に形成された冷延鋼板を円筒状に成形加工した後、板幅方向の両端部を突合わせて電縫溶接した。溶接後、溶接ビード部を切削してAlを溶射した。
次に、上記で得られた鋼管を7℃/秒の昇温速度で400~800℃の温度に加熱して10秒~15分間保持する(具体的な条件は表2に示す)加熱処理を行うことにより、Al系めっき鋼管を得た。
【0051】
【表1】
【0052】
<Al系めっき鋼材部品の製造>
上金型と下金型との間にAl系めっき鋼管を配置し、Al系めっき鋼管を150℃/秒の昇温速度で950℃に通電加熱した。次に、上金型と下金型との間が半開き状態となる型締め位置に調整した上で、Al系めっき鋼管の内部に高圧空気を供給し、上金型と下金型の半開きの部分からAl系めっき鋼管の一部がはみ出した状態で型締めを行ってフランジ部を形成した。引き続きAl系めっき鋼管の内部に高圧流体を供給してパイプ本体部を形成した。次に、金型内で急冷して焼入れを行うことにより、Al系めっき鋼材部品を得た。
【0053】
<Al系めっき鋼材部品の表面状態の評価>
Al系めっき鋼材部品の表面状態は、電子線マイクロアナライザー(EPMA)を用いて評価した。その結果を表2に示す。なお、表2の結果は、全ての鋼種のAl系めっき鋼管から製造されたAl系めっき鋼材部品に共通する結果である。また、表2において、Al系めっき鋼材部品の表面が滑らかであり、且つ酸化スケールの発生が確認されなかったものを〇、Al系めっき鋼材部品の表面が粗いか、又は酸化スケールの発生が確認されたものを×と表す。
【0054】
【表2】
【0055】
表2に示されるように、全ての鋼種のAl系めっき鋼管の製造において、500℃の温度で30秒~10分、600℃の温度で2秒~10分、700℃の温度で2秒~10分及び800℃の温度で2秒加熱保持した場合に、Al系めっき鋼材部品の表面が滑らかであり、且つ酸化スケールが発生しないことが確認された。
なお、比較として、表1に示す鋼種1の組成を有する鋼を用い、Al系めっき層を形成しないこと以外は上記と同様にして作製した比較用鋼管について、上記と同様にしてAl系めっき鋼材部品を作製して表面状態の評価を行った結果、全ての加熱条件下で酸化スケールの発生が確認された。
また、熱処理を行わないこと以外は上記と同様にして作製した比較用鋼管について、上記と同様にしてAl系めっき鋼材部品を作製して表面状態の評価を行った結果、表面が粗くなっていることが確認された。この結果は全ての鋼種で共通していた。
【0056】
<Al系めっき鋼材の加工性の評価>
上記のAl系めっき鋼材(Al系めっき鋼管)の製造において、加熱条件を600℃の温度で5分としてAl系めっき鋼管を10本作製し、上記と同様の方法でAl系めっき鋼材部品を10個製造した。得られた10本のAl系めっき鋼管材品について、フランジ部及びパイプ本体部の形成状態を目視観察によって評価した。その結果、Al系めっき鋼材部品は、全ての鋼種において、10個全てフランジ部及びパイプ本体部の形成状態が良好であった。
なお、比較として、表1に示す鋼種1の組成を有する鋼を用い、Al系めっき層を形成しないこと以外は上記と同様にして作製した比較用鋼管について、上記と同様にしてAl系めっき鋼材部品を作製してAl系めっき鋼管の加工性の評価を行った結果、2個のAl系めっき鋼材部品においてフランジ部の形成状態が不均一であった。
【0057】
<焼入れ後の引張強度の評価>
上記のAl系めっき鋼材(Al系めっき鋼管)の製造において、加熱条件を600℃の温度で5分としてAl系めっき鋼管を作製し、上記と同様の方法でAl系めっき鋼材部品を製造した。得られたAl系めっき鋼材部品について引張試験を行った。引張試験は、Al系めっき鋼材部品から採取し、つかみ部に心金を入れたJIS11号試験片について、JIS Z2241:2011に準拠して引張強度の測定を行った。その結果を表3に示す。
【0058】
【表3】
【0059】
表3に示されるように、Al系めっき鋼材部品は、全ての鋼種において、焼入れ後の引張強度が1200N/mm2以上であった。
【0060】
(実施例2)
<Al系めっき鋼材の製造>
鋼種1を選択し、Al系めっき層の付着量を24g/m2(Al系めっき層の厚さ10μm)にするとともに、加熱処理の条件を表4に示す条件に変更したこと以外は実施例1と同様にしてAl系めっき鋼管を得た。
【0061】
<Al系めっき鋼材におけるAl系めっき層の合金化率の評価>
Al系めっき鋼管を管軸方向に垂直な方向に切断してエポキシ樹脂に埋め込んだ後、研磨処理を行い、研磨された断面を光学顕微鏡で撮影した。撮影箇所は、管軸中心に対する溶接ビード部の位置を0°とした場合に、管軸中心に対して90°、180°及び270°の位置とした。撮影された写真から、Al系めっき層全体の厚さに対する合金化されたAl系めっき層の厚さの割合を合金化率とした。Al系めっき層全体及び合金化されたAl系めっき層の厚さは、1視野で5箇所の平均値とした。また、合金化率は、管軸中心に対する溶接ビード部の位置を0°とした場合に、管軸中心に対して90°、180°及び270°の位置の平均値とした。
【0062】
<Al系めっき鋼材におけるAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さの評価>
Al系めっき鋼管を管軸方向に垂直な方向に切断してエポキシ樹脂に埋め込んだ後、研磨処理を行い、研磨された断面を光学顕微鏡で撮影した。撮影箇所は、管軸中心に対する溶接ビード部の位置(加熱時に鉛直上方とした位置)を0°とした場合に、管軸中心に対して90°、180°及び270°の位置とした。ここで、管軸中心に対して180°の位置をAl系めっき層が最大厚さとなる位置とし、管軸中心に対して90°及び270°の位置をAl系めっき層が最小厚さとなる位置とした。撮影された写真から、各位置におけるAl系めっき層の厚さを測定した。各位置におけるAl系めっき層の厚さは、1視野で5箇所の平均値とした。Al系めっき層の最小厚さは、管軸中心に対して90°及び270°の位置の厚さの平均値とした。
次に、上記のようにして得られたAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さを基に、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比を算出した。
【0063】
<Al系めっき鋼材部品の製造>
STAF(登録商標)工法によってAl系めっき鋼材部品を製造した。具体的には、上金型と下金型との間にAl系めっき鋼管を溶接ビード部が鉛直上向きとなるように配置し、Al系めっき鋼管を表4に示す条件で通電加熱した。次に、上金型と下金型との間が半開き状態となる型締め位置に調整した上で、Al系めっき鋼管の内部に高圧空気を供給し、上金型と下金型の半開きの部分からAl系めっき鋼管の一部がはみ出した状態で型締めを行ってフランジ部を形成した。引き続きAl系めっき鋼管の内部に高圧流体を供給してパイプ本体部を形成した。次に、金型内で急冷して焼入れを行うことにより、Al系めっき鋼材部品を得た。
【0064】
<Al系めっき鋼材部品におけるAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さの評価>
Al系めっき鋼材部品を管軸方向に垂直な方向に切断してエポキシ樹脂に埋め込んだ後、研磨処理を行い、研磨された断面を光学顕微鏡で撮影した。撮影箇所は、管軸中心に対する溶接ビード部の位置を0°とした場合に、管軸中心に対して90°、180°及び270°の位置とした。ここで、管軸中心に対して180°の位置をAl系めっき層が最大厚さとなる位置とし、管軸中心に対して90°及び270°の位置をAl系めっき層が最小厚さとなる位置とした。撮影された写真から、各位置におけるAl系めっき層の厚さを測定した。各位置におけるAl系めっき層の厚さは、1視野で5箇所の平均値とした。Al系めっき層の最小厚さは、管軸中心に対して90°及び270°の位置の厚さの平均値とした。
次に、上記のようにして得られたAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さを基に、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比を算出した。
加熱条件及び評価結果を表4に示す。
【0065】
【表4】
【0066】
表4に示されるように、Al系めっき層の合金化率が35%以上であり、且つAl系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が1.0~5.0であるAl系めっき鋼管(No.2-5~2-14)は、当該両方の条件を満たさないAl系めっき鋼管(No.2-1~2-4)に比べて、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が1.0~10.0である(すなわち、めっき垂れが小さい)Al系めっき鋼材部品を与えた。
特に、Al系めっき層を予め合金化させていないAl系めっき鋼管を用い、STAF(登録商標)工法で製造したAl系めっき鋼材部品では、めっき垂れが著しく大きくなった(No.2-1~2-2)。また、Al系めっき層を予め合金化させていても、合金化率が不十分であったり、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が所定の範囲になかったりするAl系めっき鋼材部品では、めっき垂れが大きくなった(No.2-3~2-4)。
【0067】
(実施例3)
<Al系めっき鋼管の製造>
鋼種1を選択し、Al系めっき層の付着量を35g/m2(Al系めっき層の厚さ17μm)にするとともに、加熱処理の条件を表5に示す条件に変更したこと以外は実施例1と同様にしてAl系めっき鋼管を得た。
<Al系めっき鋼管におけるAl系めっき層の合金化率の評価>
実施例2と同様にして行った。
<Al系めっき鋼管におけるAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さの評価>
実施例2と同様にして行った。
【0068】
<Al系めっき鋼材部品の製造>
上金型と下金型との間にAl系めっき鋼管を溶接ビード部が鉛直上向きとなるように配置し、Al系めっき鋼管を表5に示す条件で通電加熱したこと以外は実施例2と同様にしてAl系めっき鋼材部品を得た。
<Al系めっき鋼材部品におけるAl系めっき層の最小厚さ及び最大厚さの評価>
実施例2と同様にして行った。
加熱条件及び評価結果を表5に示す。
【0069】
【表5】
【0070】
表5に示されるように、Al系めっき層の合金化率が35%以上であり、且つAl系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が1.0~5.0であるAl系めっき鋼管(No.3-5~3-20)は、当該両方の条件を満たさないAl系めっき鋼管(No.3-1~3-4)に比べて、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が1.0~10.0である(すなわち、めっき垂れが小さい)Al系めっき鋼材部品を与えた。
特に、Al系めっき層を予め合金化させていないAl系めっき鋼管を用い、STAF(登録商標)工法で製造したAl系めっき鋼材部品では、めっき垂れが著しく大きくなった(No.3-1~3-2)。また、Al系めっき層を予め合金化させていても、合金化率が不十分であったり、Al系めっき層の最小厚さに対するAl系めっき層の最大厚さの比が所定の範囲になかったりするAl系めっき鋼材部品では、めっき垂れが大きくなった(No.3-3~3-4)。
【0071】
以上の結果からわかるように、本発明によれば、熱間成形によってAl系めっき鋼材部品を製造する場合に、めっき垂れを抑制し得る熱間成形用Al系めっき鋼材及びその製造方法を提供することができる。
また、本発明によれば、熱間成形によって製造される、Al系めっき層の厚さのバラツキが小さいAl系めっき鋼材部品及びその製造方法を提供することができる。