JP5727037B2 - 硬化構造要素の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の特徴を有する硬化腐食保護部品の製造方法に関する。

特に自動車において、鋼板からなるいわゆるプレス硬化部品が使用されることが知られている。これらの鋼板からなるプレス硬化部品は、特に、車体の領域における安全部品として使用される高強度部品である。これに関連して、これらの高強度鋼部品の使用により、普通強度鋼に比べて材料厚を薄くでき、したがって低車体重量を達成することができる。

プレス硬化には、基本的にそのような部品を製造するための２つの異なる可能性がある。それらはいわゆる直接的および間接的方法に分けられる。

直接的方法では、鋼板ブランクをいわゆるオーステナイト化温度を超える温度まで加熱し、必要であれば望ましい程度のオーステナイト化が達成されるまでこの温度を保つ。その後、この加熱されたブランクを成形型に移し、この成形型において一段階成形工程で完成部品の形にし、その際、冷却成形型を用いて臨界硬化速度を超える速度で同時に冷却する。これにより硬化部品が製造される。

間接的方法ではまず、場合により多段階成形工程で、ほぼ完全に完成するまで部品を成形する。この成形された部品はその後、同じようにオーステナイト化温度を超える温度まで加熱し、必要であれば、所望の必要な期間この温度を保つ。

その後、すでに部品の寸法または部品の最終寸法を有し、必要であればあらかじめ成形された部品の熱膨張を考慮した成形型に、この加熱された部品を移し挿入する。特に冷却型を閉じた後は、あらかじめ成形された部品をこの型で臨界硬化速度を超える速度で冷却し、それにより硬化する。

これに関連して、直接的方法は実施するのがいくぶん簡単であるが、実際に一段階成形工程によって製造できる形、すなわち比較的簡単な輪郭形状しか許容しない。

間接的工程はいくぶん複雑であるが、より複雑な形状をも製造することができる。

プレス硬化部品の必要性に加え、被覆されていない鋼板からなる部品を製造するのではなくむしろ腐食保護層を有する部品を提供する必要が生じている。

自動車分野では、腐食保護層は、そう頻繁に用いられることのないアルミニウムまたはアルミニウム合金、あるいは非常に頻繁に用いられる亜鉛系被覆からなりうる。これに関連して、亜鉛にはアルミニウムが提供するようなバリア保護層のみならず陰極腐食保護を提供するという利点がある。さらに、亜鉛被覆プレス硬化部品は、現在一般的な構成方法においてそれらは概して全体に亜鉛めっきされるため、車体の包括的な腐食保護の概念により適合する。この点において、接触腐食を減少または除去することができる。

しかしながら、両方法は従来技術でも議論されてきた欠点を含むこともあり得る。直接的方法、すなわち亜鉛被覆を有するプレス硬化鋼の熱間成形では、マイクロクラック（１０μｍから１００μｍ）またはマクロクラックでさえも材料中に生じ、マイクロクラックは被覆に生じ、マクロクラックは板の断面全体に広がりさえする。マクロクラックを有するこの種の部品はさらなる使用には適さない。

間接的工程、すなわち後に続く硬化および残りの成形を有する冷間成形では、被覆中のマイクロクラックも生じ得、それもまた望ましくはないが、はるかに顕著ではない。

アジアで製造された１つの部品を除けば、これまで亜鉛被覆鋼は直接的方法、すなわち熱間成形では使用されていない。この方法では、アルミニウム／ケイ素被覆を有する鋼の使用が優先されている。

概要は刊行物"Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mezに挙げられる。この刊行物は、熱間成型工程用にＵｓｉｂｏｒ １５００Ｐという名で商業的に売られているアルミめっきされたホウ素／マンガン鋼があることを述べている。さらに、熱間成型法のため、陰極腐食保護の目的で亜鉛でプレコートされた鋼、すなわちごくわずかな割合のアルミニウムを含有する亜鉛被覆を有する亜鉛めっきされたＵｓｉｂｏｒ ＧＩおよび１０％の鉄を含有する亜鉛被覆を有するいわゆるガルバニール被覆されたＵｓｉｂｏｒ ＧＡが売られている。

なお、亜鉛／鉄相図は、７８２℃より高いとき、鉄含量が低い、特に６０％未満であれば液体亜鉛−鉄相が生じる、より大きな領域があることを示す。しかしながら、これはオーステナイト鋼が熱間成形される温度範囲でもある。なお、７８２℃を超える温度で成形が起こる場合、おそらく種鋼の粒界に浸透するであろう液体亜鉛による応力腐食の高い危険性があり、結果的に種鋼にマクロクラックをもたらす。さらに、被覆における３０％未満の鉄含量では、マクロクラックを伴わない安全な製品の成形のための最大温度は７８２℃未満である。この理由により、これらの鋼で直接的成形方法は用いられず、代わりに間接的成形方法が用いられる。これは上述の問題を回避することを目的としている。

この問題を回避するためのもう１つの可能性はガルバニール被覆された鋼の使用にあるはずであり、それは、すでに最初に存在する１０％の鉄含量およびＦｅ_２Ａｌ_５バリア層の欠如が圧倒的に鉄リッチな相からなる被覆のより均一な成形につながるためである。これは亜鉛リッチな液体相の減少または除去をもたらす。

"'STUDY OF CRACKS PROPAGATION INSIDE THE STEEL ON PRESS HARDENED STEEL ZINC BASED COATINGS', Pascal Drillet, Raisa Grigorieva, Gregory Leuillier, Thomas Vietoris, 8th International Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, GALVATECH 2011-Conference Proceedings, Genova (Italy), 2011"は亜鉛めっきされた板は直接的方法において加工できないことを示している。

欧州特許第１４３９２４０（Ｂ１）号明細書は被覆鋼製品の熱間成形法を開示しており、鋼材は鋼材の表面に亜鉛または亜鉛合金被覆を有し、被覆を有する鋼基材は７００℃から１０００℃の温度まで加熱され熱間成形され、加熱の間亜鉛が蒸発するのを防ぐため、亜鉛または亜鉛合金被覆を有する鋼基材を加熱する前に被覆が主に酸化亜鉛からなる酸化層を有する。この目的のため特別な工程順序が提供される。

欧州特許第１６４２９９１（Ｂ１）号明細書は鋼の熱間成形法を開示しており、ホウ素／マンガン鋼からなる部品をＡｃ_３点以上の温度にまで加熱しこの温度で保持した後、加熱した鋼板を完成部品に成形し、ＭＳ点での冷却速度が少なくとも臨界冷却速度に相当しＭＳ点から２００℃までの成型部品の平均冷却速度が２５℃／ｓから１５０℃／ｓの範囲にあるように、成形中または成形後の成形温度からの冷却を経て成型部品を急冷する。

本出願人による特許、欧州特許第１６５１７８９（Ｂ１）号明細書は鋼板からなる硬化部品の製造方法を開示しており、この方法によると、陰極腐食保護層を備えた鋼板からなる成形部を冷間成形しオーステナイト化のために熱処理を行い、成形部の冷間成形前、冷間成形中、あるいは冷間成形後に成形部の最終トリミングおよび所要の孔あけ処理または孔パターンの製造を行い、冷間成形、トリミングおよび穴あけおよび部品への孔パターンの配置を最終硬化部品が有する寸法よりも０．５％から２％小さくなるよう行い、熱処理のために冷間成形された成形部はその後、少なくともいくつかの領域で大気中の酸素に接触させながら鋼材料のオーステナイト化を許容する温度まで加熱し、その後加熱した部品を型へ移し、この型の中でいわゆる成形硬化を行い、ここで、成形硬化型による部品の接触および加圧（保持）により部品が冷却され、それにより硬化され、陰極腐食保護被覆は実質的に亜鉛および加えて１つ以上の酸素親和性元素の混合物からなる。結果として、加熱の間に腐食保護被覆の表面に酸素親和性元素からなる酸化被膜を生じ、それにより陰極腐食保護層、特に亜鉛層を保護する。さらに、この方法において、成形硬化の間は校正と成形のどちらも必要としないよう部品の縮尺はその最終形状に関して部品の熱膨張を考慮する。

本出願人による特許、国際公開第２０１０／１０９０１２（Ａ１）号パンフレットは部分的に硬化した鋼部品の製造方法を開示しており、硬化性鋼板からなるブランクが急冷硬化に十分な温度上昇を受け、所望の温度に達した後、必要であれば所望の保持時間の後、ブランクが部品に成形され同時に急冷硬化される、あるいはブランクが冷間成形される成形型へブランクを移し、冷間成形から生じる部品はその後温度上昇を受け、その温度上昇は、急冷硬化に必要な部品温度に達し、その後加熱された部品を冷却しそれにより急冷硬化する型に部品を移すために行われ、硬化に必要な温度への温度上昇の目的でブランクまたは部品を加熱する間、低い硬度および／または高い延性を有する領域において、吸収材が配置され、または狭ギャップによりこれらの領域から間隔をあけられ、吸収材は、それらの膨張および厚み、熱伝導率および熱容量および／または放射率に関し、特に延性を有したままの部品の領域において部品に作用する熱エネルギーが部品を介して吸収材に流れるように形作られ、そのためこれらの領域は冷却されたままで、特に硬化に必要な温度には達していないか部分的にのみ達しており、そのためこれらの領域は硬化できないか部分的にしか硬化できない。

独国特許出願公開第１０２００５００３５５１（Ａ１）号明細書は鋼板の熱間成形および硬化の方法を開示しており、鋼板はＡｃ_３点を超える温度に加熱し、その後４００℃から６００℃の範囲の温度への冷却を受け、この温度範囲へ達した後にのみ成形される。しかしながら、この文献はクラックの問題または被覆について言及しておらず、またマルテンサイト形成も記載していない。この明細書での発明の目的は中間体構造、いわゆるベイナイトの形成である。

本発明の目的は、クラックの形成を減少またはなくし、それでも十分な腐食保護を達成する腐食保護層を有する鋼板部品の製造方法を生み出すことである。

この目的は請求項１の特徴により達成される。

有利な変形は従属請求項に開示されている。

粒界領域の鋼に浸透する液体亜鉛によるクラック形成の上記の効果もまた、いわゆる「液体金属脆化」または「液体金属助長割れ」として知られている。

「液体金属脆化」による簡素な形状を有する間接的方法を用いた従来技術を取り入れたコースと比較すると、亜鉛または亜鉛合金で被覆されたブランクが加熱され、加熱後に成形され、急冷硬化される直接的方法を用いることにより、本発明はより有利なコースをとる。

本発明が基づく発見によると、できるだけ少ない溶融亜鉛が、成形期すなわち応力の導入において、オーステナイトに接触するはずである。したがって、本発明によると、成形は鉄／亜鉛系（溶融、フェライト、ガンマ相）の包晶温度以下で行わなければならない。この場合、急冷硬化を確実にするために、マンガン／ホウ素鋼（２２ ＭｎＢ５）の従来の組成の一部としての合金鋼の組成を調整し、これにより、オーステナイトのマルテンサイトへの遅滞変態による急冷硬化が行われ、そうすることで、７８０℃未満の低い温度でもオーステナイトの存在が達成される。このため、機械的応力が成形により鋼に導入されたとき、オーステナイトおよび溶融亜鉛に関連して「液体金属脆化」がもたらされるが、この時、液体亜鉛相は存在しないかほんの少ししか存在しない。したがって、合金元素に合わせて調整されたホウ素／マンガン鋼によって、過度または不利なクラック形成を引き起こすことなく十分な急冷硬化を得ることに成功する。

特に、冷却は空気ジェットで行うことができ、例えば、プレス機および炉の外に別個の装置として対応するジェットと同じように設けられたパイロメーターを用いて空気ジェットの吹き付けを制御することができる。

この場合の冷却の可能性は空気ジェットに限らず、上にブランクが対応して配置された冷却されたテーブルを使用することも可能であり、ブランクをテーブルの冷却領域上に位置させ、例えば圧や吸引により熱伝導的に接触させる。

また、平坦なブランクがプレス形状を単純で好ましいものにすると考えられる冷却プレス機の使用も考えられ、中でブランクが冷却される型の領域は相応に液冷される。したがって、全体が加熱されるブランクは、対応する装置において全体を冷却することができ、全体冷却は上記のテーブル、上記の中間プレス機、また、単純な散布、吹き付け、または浸漬を用いることによりもたらされる。

本発明を図面と併せて以下に説明する。

図１は、炉と成形処理の間の冷却における時間／温度曲線を示す。 図２は、亜鉛／鉄図を示す。 図３は、中間冷却ありおよび中間冷却なしの場合における試料表面の地表断面図の描写を示す。 図４は、冷却曲線の簡易化した描写を用いた時間温度変態図である。

本発明によると、変態がより深い領域へ移りマルテンサイトを製造できるように、プレス硬化鋼材料としての使用のための従来のホウ素／マンガン鋼（例えば２２ＭｎＢ５）はオーステナイトの他の相への変態に対して調整される。

したがって、以下の合金組成の鋼は本発明に適している（全データ 質量％）：
Ｃ［％］ ０．２２
Ｓｉ［％］ ０．１９
Ｍｎ［％］ １．２２
Ｐ［％］ ０．００６６
Ｓ［％］ ０．００１
Ａｌ［％］ ０．０５３
Ｃｒ［％］ ０．２６
Ｔｉ［％］ ０．０３１
Ｂ［％］ ０．００２５
Ｎ［％］ ０．００４２
鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。

この種の鋼において、特に合金元素のホウ素、マンガン、炭素、および所望によりクロムおよびモリブデンは変態抑制剤として使用される。

以下の一般的な合金組成の鋼もまた本発明に適している（全データ 質量％）：
炭素（Ｃ） ０．０８−０．６
マンガン（Ｍｎ） ０．８−３．０
アルミニウム（Ａｌ） ０．０１−０．０７
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．５
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．６
チタン（Ｔｉ） ０．０１−０．８
窒素（Ｎ） ＜０．０２
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．０２
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。

以下の組成の鋼が特に適していることが分かった（全データ 質量％）：
炭素（Ｃ） ０．０８−０．３０
マンガン（Ｍｎ） １．００−３．００
アルミニウム（Ａｌ） ０．０３−０．０６
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．２０
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．３
チタン（Ｔｉ） ０．０３−０．０４
窒素（Ｎ） ＜０．００７
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．００６
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。

変態抑制剤として機能する合金元素は、急冷硬化、すなわち７８０℃以下でも臨界硬化速度を超える冷却速度での急冷を確実に達成するために調整される。これは、この場合、作業は亜鉛／鉄系の包晶点以下で行われる、すなわち包晶点以下でのみ機械的応力がもたらされることを意味する。これはまた、機械的応力がもたらされる時にオーステナイトと接触できる液体亜鉛相がもはや存在しないことを意味する。

さらに、ブランクの加熱後に、後に続く成形処理が行われる前に亜鉛被覆の凝固が促進され進展されるように、本発明によると、包晶点の温度範囲における保持相が設けられる。

図１はオーステナイト化鋼板の好ましい温度曲線を示し、オーステナイト化温度を超える温度への加熱後、冷却機での対応する時間経過によりある程度の冷却がすでに達成されることは明らかである。この後に急速中間冷却段階が続く。中間冷却段階は、有利には少なくとも１５Ｋ／ｓ、好ましくは少なくとも３０Ｋ／ｓ、さらにより好ましくは少なくとも５０Ｋ／ｓの冷却速度で行われる。その後、ブランクはプレス機へ移され成形および硬化が行われる。

図３はクラック形成における違いを示す。中間冷却がない場合は鋼材料に広がるクラックが形成され、中間冷却がある場合は、重大なものではないが、被覆に表面クラックのみが生じる。

したがって、本発明により、亜鉛または亜鉛合金で被覆された鋼板の、一方では急冷硬化を起こし、他方では部品の損傷につながるマイクロクラックおよびマクロクラックの形成を減少またはなくす、安価な熱間成形方法を確実に達成できる。
＜付記＞
項１ 亜鉛または亜鉛合金からなる被覆を有する硬化鋼部品の製造方法であって、
前記亜鉛または亜鉛合金で被覆された板からブランクが打ち抜かれ、前記打ち抜かれたブランクはＡｃ _３ 以上の温度にまで加熱され、オーステナイトの形成を生じさせるため、必要であればこの温度で所定時間保持され、その後前記加熱されたブランクは成形型に移され前記成形型で成形され前記成形型で臨界冷却速度を超える速度で冷却され、それにより硬化され、
オーステナイトのマルテンサイトへの変態を経る急冷硬化が４５０℃から７００℃の範囲にある成形温度で起こるように鋼材料は変態遅滞の方法で調整され、前記加熱後および前記成形前に、前記ブランクまたは前記ブランクの部分が１５Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却される能動冷却を行うことを特徴とする、方法。
項２ 前記鋼材料は元素のホウ素、マンガン、炭素、および所望によりクロムおよびモリブデンを変態抑制剤として含有することを特徴とする、項１に記載の方法。
項３ 以下の組成の鋼材料を使用することを特徴とする、項１または２に記載の方法（全データ 質量％）：
炭素（Ｃ） ０．０８−０．６
マンガン（Ｍｎ） ０．８−３．０
アルミニウム（Ａｌ） ０．０１−０．０７
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．５
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．６
チタン（Ｔｉ） ０．０１−０．０８
窒素（Ｎ） ＜０．０２
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．０２
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。
項４ 以下の組成の鋼材料を使用することを特徴とする、項１または２に記載の方法（全データ 質量％）：
炭素（Ｃ） ０．０８−０．３０
マンガン（Ｍｎ） １．００−３．００
アルミニウム（Ａｌ） ０．０３−０．０６
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．２０
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．３
チタン（Ｔｉ） ０．０３−０．０４
窒素（Ｎ） ＜０．００７
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．００６
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。
項５ 前記ブランクは炉でＡｃ _３ を超える温度にまで加熱されこの温度で所定時間保持され、その後前記ブランクは前記亜鉛層の凝固を達成するために５００℃から６００℃の間の温度にまで冷却され、その後前記成形型に移されその中で成形されることを特徴とする、先行する項のいずれか一項に記載の方法。
項６ 前記能動冷却は前記冷却速度が３０Ｋ／ｓを超えるように行われることを特徴とする、先行する項のいずれか一項に記載の方法。
項７ 前記能動冷却は前記冷却が５０Ｋ／ｓ超で起こるように行われることを特徴とする、項６に記載の方法。
項８ 前記能動冷却は、空気またはガスの吹き付け、水または他の冷却液の散布、水または他の冷却液への浸漬によって行われるか、あるいは前記能動冷却は、前記ブランクに対してより冷えた固体部品を配置することにより行われることを特徴とする、先行する項のいずれか一項に記載の方法。
項９ 前記冷却の進捗および／または前記成形型への前記挿入の温度はセンサー、特にパイロメーターにより監視され、前記冷却はそれに応じて制御されることを特徴とする、先行する項のいずれか一項に記載の方法。

Claims (6)

1. 亜鉛または亜鉛合金からなる被覆を有する硬化鋼部品の製造方法であって、
   前記亜鉛または亜鉛合金で被覆された板からブランクが打ち抜かれ、前記打ち抜かれたブランクはＡｃ_３以上の温度にまで加熱され、オーステナイトの形成を生じさせるため、この温度で所定時間保持され、その後前記加熱されたブランクは成形型に移され前記成形型で成形され前記成形型で臨界冷却速度を超える速度で冷却され、それにより硬化され、
   オーステナイトのマルテンサイトへの変態を経る急冷硬化が４５０℃から７００℃の範囲にある成形温度で起こるように鋼材料は調整され、前記加熱後および前記成形前に、前記ブランクまたは前記ブランクの部分が１５Ｋ／ｓを超える冷却速度で冷却される能動冷却を行い、
   以下の組成の鋼材料（全データ 質量％）を使用することを特徴とする、方法：
   炭素（Ｃ） ０．０８−０．３０
   マンガン（Ｍｎ） １．００−３．００
   アルミニウム（Ａｌ） ０．０３−０．０６
   ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．２０
   クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．３
   チタン（Ｔｉ） ０．０３−０．０４
   窒素（Ｎ） ＜０．００７
   ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．００６
   リン（Ｐ） ＜０．０１
   硫黄（Ｓ） ＜０．０１
   モリブデン（Ｍｏ） ＜１
   鉄および製錬に関連する不可避的不純物で構成される残余。
2. 前記ブランクは炉でＡｃ_３を超える温度にまで加熱されこの温度で所定時間保持され、その後前記ブランクは前記亜鉛または亜鉛合金からなる被覆の凝固を達成するために５００℃から６００℃の間の温度にまで冷却され、その後前記成形型に移されその中で成形されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記能動冷却は前記冷却速度が３０Ｋ／ｓを超えるように行われることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記能動冷却は前記冷却速度が５０Ｋ／ｓを超えるように行われることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記能動冷却は、空気またはガスの吹き付け、水または他の冷却液の散布、水または他の冷却液への浸漬によって行われるか、あるいは前記能動冷却は、前記ブランクに対してより冷えた固体部品を配置することにより行われることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記冷却の進捗および／または前記成形型への挿入の温度はセンサーにより監視され、前記冷却はそれに応じて制御されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。