JP2003126920A - 熱間プレス加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 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 の
時間前記めっき鋼材の保温する。

Description

【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 の時間前記めっ
き鋼材の保温を行うことを特徴とする熱間プレス加工方
法。

【００２１】(2)前記保温後に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、M
o、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 (Ｇ
Ｉ) 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50m
m、ポンチ肩方Ｒ５mm、ダイス径52.4mm、ダイス肩Ｒ５m
m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20
μm 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、JISZ2371 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】

【００５７】

【表２】

【００５８】

【表３】

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 和仁 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 須藤 俊太郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 市川 正信 愛知県日進市野方町東島343 (72)発明者 山崎 信昭 愛知県西加茂郡藤岡町大字石飛177−10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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 の
   時間前記めっき鋼材の保温を行うことを特徴とする熱間
   プレス加工方法。
2. 【請求項２】 前記保温後に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。
3. 【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。