昇温特性に優れた熱間プレス用Ａｌめっき鋼板及びその製造方法
【課題】輻射方式を用いた熱間プレスにＡｌめっきを用いる際に昇温時間がかかる、あるいは急速加熱する際に部位により合金化にムラが生じやすいとの課題を解決する。
【解決手段】鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。及びこの製造方法を提供する。
【解決手段】鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。及びこの製造方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌを主成分とするＡｌめっき被覆が施され、熱間プレス時の昇温特性に優れためっき鋼板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護と地球温暖化の防止のために、化学燃料の消費を抑制する要請が高まっており、この要請は、様々な製造業に対して影響を与えている。例えば、移動手段として日々の生活や活動に欠かせない自動車についても例外ではなく、車体の軽量化などによる燃費の向上等が求められている。しかし、自動車では単に車体の軽量化を実現することは製品品質上許されず、適切な安全性を確保する必要がある。
【０００３】
自動車の構造の多くは、鉄、特に鋼板により形成されており、この鋼板の重量を低減することが、車体の軽量化にとって重要である。しかしながら、上述の通り単に鋼板の重量を低減することは許されず、鋼板の機械的強度を確保することもが求められる。このような鋼板に対する要請は、自動車製造業のみならず、様々な製造業でも同様になされている。よって、鋼板の機械的強度を高めることにより、以前使用されていた鋼板より薄くしても機械的強度を維持又は高めることが可能な鋼板について、研究開発が行われている。
【０００４】
一般的に高い機械的強度を有する材料は、曲げ加工等の成形加工において、形状凍結性が低下する傾向にあり、複雑な形状に加工する場合、加工そのものが困難となる。この成形性についての問題を解決する手段の一つとして、いわゆる「熱間プレス方法（ホットプレス法、高温プレス法、ダイクエンチ法）」が挙げられる。この熱間プレス方法では、成形対象である材料を一旦高温に加熱して、加熱により軟化した鋼板に対してプレス加工を行って成形した後に、冷却する。この熱間プレス方法によれば、材料を一旦高温に加熱して軟化させるので、その材料を容易にプレス加工することができ、更に、成形後の冷却による焼入れ効果により、材料の機械的強度を高めることができる。従って、この熱間プレス加工により、良好な形状凍結性と高い機械的強度とを有した成形品が得られる。
【０００５】
しかし、この熱間プレス方法を鋼板に適用した場合、例えば８００℃以上の高温に加熱することにより、表面の鉄などが酸化してスケール（酸化物）が発生する。従って、熱間プレス加工を行った後に、このスケールを除去する工程（デスケーリング工程）が必要となり、生産性が低下する。また、耐食性を必要とする部材等では、加工後に部材表面へ防錆処理や金属被覆をする必要があり、表面清浄化工程、表面処理工程が必要となり、生産性が低下する。
【０００６】
このような生産性の低下を抑制する方法の例として、鋼板に被覆を施す方法が挙げられる。一般に鋼板上の被覆としては、有機系材料や無機系材料など様々な材料が使用されるが、熱間プレス加工における加熱温度は、有機系材料の分解温度やＺｎなどの金属材料の沸点などよりも高くなる場合がある。よって、高温に加熱する熱間プレス加工を行う鋼板に対しては、例えば、有機系材料被覆やＺｎ系の金属被覆に比べて沸点などが高いＡｌ系の金属被覆いわゆるめっきを施すことが望ましい。このＡｌ系の金属被覆を所定の鋼成分を有する鋼に施しためっき鋼板を熱間プレス加工に用いる方法が、下記特許文献１には記載されている。この特許文献１のようにＡｌ系の金属被覆を施すことにより、鋼板表面にスケールが付着することを防止できる。よって、デスケーリング工程などの工程が不要となり生産性を向上させることができる。また、Ａｌ系の金属被覆には防錆効果があるので塗装後の耐食性も向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、Ａｌ系の金属被覆を施した場合、熱間プレス方法におけるプレス加工の前の予備加熱の条件によっては、鋼板のＦｅとめっき層のＡｌとによる合金層が成長して表面までＡｌ−Ｆｅ化合物となる。以後この化合物層を合金層と称する。この合金層は極めて硬質で展延性に乏しいが、熱間プレスでは高温で成形されるために成形可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ａｌめっき鋼板を適用する際に幾つかの課題がある。その1つに輻射加熱時の昇温が遅い点が挙げられる。熱間プレスにおいてブランクされた鋼板を加熱する方法としては、輻射加熱とジュール熱を用いた加熱が検討されている。輻射加熱は所定の温度に保持された大気炉等内にブランク材を挿入して輻射伝熱で加熱する方法、あるいは近赤外線のようなよりエネルギー密度の高い光を当てて加熱する方法である。一方ジュール熱を用いた加熱としては例えばブランク材に直接電気を流す通電加熱法や、ブランク材近傍で高周波電流を流すことで渦状の誘導電流をブランク材内に発生させる高周波誘導加熱法等がある。
【００１０】
現在主流となっている加熱方法は、大気炉等での輻射加熱である。Ａｌめっき鋼板を大気炉内で加熱すると、まずＡｌめっきの融点(Ａｌ−１０％Ｓｉで約６００℃)以上でめっき層が溶融する。このとき溶融したＡｌの表面張力のためにめっき層の表面が鏡面状となる。このようにして鏡面化しためっき層表面は輻射熱の反射面となり、Ａｌめっき鋼板の輻射率が極めて小さくなる。また、Ａｌ−Ｆｅの合金化が表面まで進行すると、その色調が黒色に近くなり、この時のＡｌめっき鋼板の輻射率は大きくなる。従って輻射加熱の際のＡｌめっき鋼板の昇温曲線を採取すると、約６００℃までは比較的早い昇温速度であるが、６００℃を超えたところでＡｌの溶融が起こって昇温速度が低下する。８５０〜９００℃に至るとめっき層の表面まで合金化が進行して再び昇温速度が上昇する。
更に上記の事象はめっきの厚みにも依存し、めっきの付着量が小さいときには昇温速度の低下した(表面が溶融した)状態が比較的短時間であるが、付着量を増大させるにつれて昇温速度の低下が顕著に現れる。
【００１１】
更に従来の炉加熱では１枚のブランクを加熱するのに約５分を要していたが、より生産性の高い熱間プレスに対する要望が高まり、急速加熱の可能な近赤外線加熱の適用も検討されている。このように輻射加熱を用いて急速に加熱しようとする際に、部位による加熱ムラが起こりやすいとの事象が現れる。めっきの厚みや温度に僅かな差異があると、まずＡｌめっきが溶融して鏡面状態となり、次に一部が表面まで合金化する。合金化した部位は輻射率が高いために温度が上昇しやすいのに対し、合金化していない部位は鏡面で輻射率が低く、昇温し難い。従って一旦生じた温度差が縮まりにくくなる。その結果として、局部的な加熱が起こったり表面まで合金化しない部位が残存したりしやすくなる。
その一方でＡｌめっきへのＦｅの拡散の度合いは塗装後耐食性やスポット溶接性に影響を及ぼしうるために、材料は均一に加熱される必要がある。このため昇温速度を低下させたり、あるいは高温で保定時間を入れて均一化させたりする必要が生じ、これらは急速加熱との目的から反するものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
昇温速度を高めるには、Ａｌめっきの表面を黒化させて輻射率を向上すればよい。かかる着想のもと、カーボンブラックを含有する黒色皮膜を付与して昇温特性を測定したが、黒色皮膜のない場合と比べて１０％程度しか昇温時間が短縮されず、十分な効果が得られなかった。この現象を解析すると、初期の昇温特性は改善されていたが、６００℃超のＡｌ溶融状態での昇温特性は殆ど改善されていなかった。
【００１３】
本発明者らは更に鋭意検討を重ね、昇温特性を改善させるためには、特に６００℃超のＡｌ溶融状態での昇温特性を改善させるためには、Ａｌめっき層の表面粗度を大きくする必要があることを知見し、本発明に至った。
すなわち、表面粗度がＲａで１．０〜４．０μｍであるようなＡｌめっき層の表面に黒色皮膜、具体的にはＬ＊：１０〜５０の明度となるように皮膜を付与することで、９００℃までの昇温時間をほぼ半減させることに成功した。
【００１４】
単純に考えると、Ａｌめっき表面の粗度を大きくしても、Ａｌめっきが溶融した際に表面張力により表面が平滑化してしまい、粗面化の効果は小さいと考えられるが、実際には表面粗度の効果が大きいとの事実を見出した。本発明では、表面粗度を高めたＡｌめっき層に黒色皮膜を付与している。黒色皮膜は、粗面化されたＡｌめっき層の表面に密着して、Ａｌめっき層表面の凹凸を埋めた状態になるものと推定される。この黒色皮膜は熱に対して安定であるために、Ａｌの溶融温度においても強度を有するものと推定される。そうすると、Ａｌ自身の表面張力によってＡｌめっき表面が平滑化されるような状況においても、Ａｌめっき表面の凹凸を埋める黒色皮膜が、溶融したＡｌめっき層の平滑化を阻害すると推定している。このようにして溶融状態のＡｌめっき表面の平坦化が阻害された結果、表面粗度による輻射率向上効果と黒色皮膜による輻射率向上効果とを室温からＡｌの融点以上まで確実に保つことが可能となり、昇温時間の短縮という効果がもたらされるものと考えている。つまり本発明は、粗面化されたＡｌめっき層と黒色皮膜とを組合せることによって初めて昇温時間の短縮という効果が得られたものであり、従前の単純に黒色皮膜を付与することでＡｌめっき層を黒色化する技術とは一線を画している。
【００１５】
本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１） 鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（２） 前記表面皮膜層中に、ＺｎＯがＺｎ換算で片面あたり０．５〜５ｇ／ｍ２含有されていることを特徴とする、（１）に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（３） 前記表面皮膜層中にカーボンブラックを１〜１０％の範囲で含有するとともに、バインダーを１％以上３０％以下の範囲で含有することを特徴とする、（１）または（２）に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（４） Ａｌめっき層の付着量が片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２であることを特徴とする、（１）〜（３）のいずれか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（５） 請求項１〜４の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法であって、鋼板に溶融Ａｌめっきを施した後、Ａｌめっきの表面が凝固するまでの間に水をスプレー状に噴霧してＡｌめっき層の表面粗度をＲａで１．０〜４．０μｍの範囲に調整し、然る後にＡｌめっき層上にＬ＊が１０〜５０である表面皮膜層を形成することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、輻射加熱において従来に比べて約１／２の時間で昇温させることが可能な熱間プレス用Ａｌめっき鋼板及びその製造法を提供できる。本発明の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板は、先述したように近赤外線のような輻射を用いた急速加熱に最も適しているが、大気炉加熱においても昇温時間を半減させることが可能で、熱間プレス工程の生産性を高めることが可能である。副次的な効果として、大気炉等の炉内のロール等に溶融したＡｌが付着してビルドアップし、ブランク材に疵をつけるような課題に対しても、昇温時間が短時間化されることで、ブランク材の疵発生の防止効果を奏する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
＜Ａｌめっき鋼板＞
本発明の一実施形態に係るめっき鋼板について説明する。
本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、鋼板上の片面又は両面のそれぞれの面に、少なくとも２層の層構造を有する。つまり、鋼板の片面又は両面には、少なくともＡｌを含有するＡｌめっき層が形成され、そのＡｌめっき層上には、表面皮膜層が更に積層される。まず以下では、鋼板及び各層について説明する。
【００１９】
（鋼板）
鋼板としては、例えば、高い機械的強度（例えば、引張強さ・降伏点・伸び・絞り・硬さ・衝撃値・疲れ強さ・クリープ強さなどの機械的な変形及び破壊に関する諸性質を意味する。）を有するように形成された鋼板を使用することが望ましい。本発明の一実施形態に使用されうる高い機械的強度を実現する鋼板の成分の一例は、以下の通りである。
【００２０】
この鋼板は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．５〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、及び、Ｂ：０．０００１〜０．１％のうちの少なくとも１以上を含有し、かつ、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。
【００２１】
Ｆｅに添加される各成分について説明する。
Ｃは、目的とする機械的強度を確保するために添加される。Ｃが０．１％未満の場合には、十分な機械的強度の向上が得られず、Ｃを添加する効果が乏しくなる。一方、Ｃが０．４％を超える場合には、鋼板を更に硬化させることができるものの、割れが生じやすくなる。従って、Ｃは、質量％で０．１％以上０．４％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２２】
Ｓｉは、機械的強度を向上させる強度向上元素の一つであり、Ｃと同様に目的とする機械的強度を確保するために添加される。Ｓｉが０．０１％未満の場合には、強度向上効果を発揮しにくく、十分な機械的強度の向上が得られない。一方、Ｓｉは、易酸化性元素でもある。よって、Ｓｉが０．６％を超える場合には、溶融Ａｌめっきを行う際に、濡れ性が低下し、不めっきが生じる恐れがある。従って、Ｓｉは、質量％で０．０１％以上０．６％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２３】
Ｍｎは、鋼を強化させる強化元素の１つであり、焼入れ性を高める元素の１つでもある。更にＭｎは、不可避的不純物の１つであるＳによる熱間脆性を防止するのにも有効である。Ｍｎが０．５％未満の場合には、これらの効果が得られず、０．５％以上で上記効果が発揮される。一方、Ｍｎが３％を超える場合には、残留γ相が多くなり過ぎて強度が低下する恐れがある。従って、Ｍｎは、質量％で０．５％以上３％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２４】
Ｔｉは、強度強化元素の１つであり、Ａｌめっき層の耐熱性を向上させる元素でもある。Ｔｉが０．０１％未満の場合には、強度向上効果や耐酸化性向上効果が得られず、０．０１％以上でこれらの効果が発揮される。一方、Ｔｉは、あまり添加され過ぎると、例えば、炭化物や窒化物を形成して、鋼を軟質化させる恐れがある。特に、Ｔｉが０．１％を超える場合には、目的とする機械的強度を得られない可能性が高い。従って、Ｔｉは、質量％で０．０１％以上０．１％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２５】
Ｂは、焼入れ時に作用して強度を向上させる効果を有する。Ｂが０．０００１％未満の場合には、このような強度向上効果が低い。一方、Ｂが０．１％を超える場合には、介在物を形成して脆化し、疲労強度を低下させる恐れがある。従って、Ｂは、質量％で０．０００１％以上０．１％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２６】
なお、この鋼板は、その他製造工程などで混入してしまう不可避的不純物を含んでもよい。またＣｒ、Ｍｏのような焼入性を向上させる元素を含むこともできる。このときの添加量はＣｒ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％である。下限は焼入性への影響、上限は主としてコストが効果に見合わなくなることから定められる。
【００２７】
このような成分で形成される鋼板は、熱間プレス方法などによる加熱により焼入れされて、約１５００ＭＰａ以上の機械的強度を有することができる。このように高い機械的強度を有する鋼板ではあるが、熱間プレス方法により加工すれば、高温で軟化した状態でプレス加工を行うことができるので、容易に成形することができる。また、鋼板は、高い機械的強度を実現でき、ひいては軽量化のために薄くしたとしても機械的強度を維持又は向上することができる。
【００２８】
（Ａｌめっき層）
Ａｌめっき層は、上述の通り、鋼板の片面又は両面に形成される。このＡｌめっき層は、例えば溶融めっき法により鋼板の表面に形成されてもよいが、本発明のＡｌめっき層の形成方法は、この例に限定されるものではない。
【００２９】
このＡｌめっき層は、質量％で、Ｓｉ：３〜１５％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる。またＡｌを主組成とするめっきとして、ガルバリウムめっきによる被覆層を積層させることも可能である。
【００３０】
Ａｌに添加されるＳｉについて説明する。
Ｓｉは、溶融めっき金属の被覆時に生成される合金層を制御するために添加される。Ｓｉが３％未満の場合には、Ｆｅ−Ａｌ合金層がめっきを施す段階で厚く成長し、加工時にめっき層割れを助長して、耐食性に悪影響を及ぼす可能性がある。一方、Ｓｉが１５％を超える場合には、めっき層の加工性や耐食性が低下する恐れがある。従って、Ｓｉは、質量％で３％以上１５％以下の含有量で添加されることが望ましい。
Ａｌめっき付着量は片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２とする。付着量が多いほど耐食性は向上する傾向を示し、片面４０ｇ／ｍ２未満では十分な耐食性を発揮しない。一方必要以上に増やすことはコスト増大となることに加え、プレス金型等へのＡｌ−Ｆｅの凝着が激しくなるため、上限を１００ｇ／ｍ２とする。
【００３１】
このような成分で形成されるＡｌめっき層は、鋼板の腐食を防止することができる。また、鋼板を熱間プレス方法により加工する場合には、高温に加熱された鋼板の表面が酸化することにより発生する鉄の酸化物の発生を防止可能である。よって、鋼板にＡｌめっき層を形成することで、スケールを除去する工程・表面清浄化工程・表面処理工程などを省略することができ、生産性を向上できる。また、Ａｌめっき層は、有機系材料によるめっき被覆や他の金属系材料（例えばＺｎ系）によるめっき被覆よりも沸点などが高いため、熱間プレス方法により成形する際に高い温度への加熱が可能であり、プレス加工における成形性を更に高め、かつ、容易に加工できる。
【００３２】
上述の通り、溶融めっき金属被覆時や熱間プレスによる加熱工程時などにおいて、このＡｌめっき層に含まれるＡｌの少なくとも一部は、鋼板中のＦｅと合金化しうる。よって、このＡｌめっき層は、必ずしも成分が一定な単一の層で形成されるとは限られず、適宜合金化した層を含むものとする。
Ａｌめっきの表面粗度については、Ｒａとして１．０〜４．０μｍにすることで、表面皮膜の効果と相俟って優れた昇温特性を得ることができる。この効果を表すためにはＲａとして１．０μｍが必要で、一方その効果は４．０μｍ超では飽和してしまうために、この条件とする。表面粗さＲａのより好ましい範囲は３μｍ以下である。Ａｌめっきの表面粗度を調整する方法として、溶融めっき後の凝固時点で水をスプレー状に噴霧、冷却することが最も容易である。これ以外の手法、例えばＡｌめっき後スキンパスで軽圧下することも可能である。水を噴霧するときには、スプレーノズルにより５０〜２００μｍ程度のミストを噴霧させることでミストの衝突により十分な凹凸を得ることができる。またスキンパスで軽圧下する際には、圧下率１％以下、ロール粗度をＲａ１〜３μｍとすることでロール粗度を転写することができる。
【００３３】
（表面皮膜層）
表面皮膜層は、上述の通り、Ａｌめっき層の表面に積層される。この表面皮膜層はＡｌめっき層表面の輻射率を増大させることが目的であり、表面皮膜層を黒色に近い色調にすることが望ましい。具体的にはＪＩＳ−Ｋ５６００に規定するＬ＊として１０〜５０の明度を有するものとする。Ｌ＊は低いほど明度が低い、つまり黒に近くなり、５０超では十分な昇温特性が得られない。また１０未満とするためには黒色顔料を使用してもかなりの皮膜厚みを必要とする。
【００３４】
表面の明度Ｌ＊を低下させるための黒色顔料としては、カーボンブラックが望ましく、表面皮膜層中１〜１０％添加するものとする。１％未満では明度の低下が十分でなく、必要以上の添加は皮膜としての密着性を低下させる。カーボンブラックのより好ましい範囲は５％以下、更に好ましい範囲は３％以下である。
【００３５】
また、表面皮膜層中にはＺｎＯを含有することが好ましい。ＺｎＯを付与することで熱間での潤滑性が改善する傾向にあり、また塗装後耐食性も向上するためである。このときこれらの効果が現れるためにはＺｎ換算で片面当たり０．５ｇ／ｍ２のＺｎＯが必要で、必要以上の付与はスポット溶接性を阻害するため５ｇ／ｍ２以下であることが望ましい。
【００３６】
黒色の表面皮膜層は、例えば、ＺｎＯ及びカーボンブラックを含有する処理液の塗布処理、並びに、その塗布後の焼付け・乾燥による硬化処理を行うことにより、Ａｌめっき層上に形成可能である。処理液の塗布方法としては、例えば、ＺｎＯ及びカーボンブラックを所定の有機性のバインダーと混合したものをＡｌめっき層の表面に塗布する方法、ＺｎＯ及びカーボンブラックを粉体塗装によって塗布する方法などが挙げられる。塗布後の焼付け・乾燥方法としては、例えば、熱風炉・誘導加熱炉・近赤外線炉などの方法又はこれらの組み合わせによる方法などが挙げられる。この際、塗布に使用されるバインダーの種類によっては、塗布後の焼付け・乾燥の代わりに、例えば紫外線・電子線などによる硬化処理が行われてもよい。
【００３７】
所定の有機性バインダーとしては、例えば、ポリウレタンやポリエステル、アクリルなどが挙げられる。これらバインダーを使用することで密着性のよい表面皮膜が得られる。しかし、黒色の表面皮膜層の形成方法はこれらの例に限定されるものではなく、様々な方法により形成可能である。バインダーを使用しない場合にはＡｌめっきに塗布した後の密着性がやや低く、強い力で擦ると部分的に剥離する懸念がある。しかし熱間プレス工程を経て一旦加熱されると強い密着を示す。バインダーの量が多すぎると、バインダー自身は有機物であるために、熱間プレス時の加熱で分解してしまい、表面皮膜の強度が低下する。そうすると前記したＡｌの表面粗度を維持する効果が失われてしまい、昇温時間の改善効果が失われる。このため、バインダー量としては、１％以上３０％以下、より好ましくは１０％以上２０％以下とすることが好ましい。
【００３８】
また表面皮膜層は熱に対して安定であることが望ましい。例えばＺｎＯは融点が約１９７５℃であり、Ａｌめっき層（Ａｌの融点は約６６０℃）などに比べても非常に高い。従って、めっき鋼板を熱間プレス方法で加工する場合など、例えば８００℃以上に鋼板を加熱したとしても、このＺｎＯを含有する表面皮膜層は溶融しない。従って、たとえ加熱によりＡｌめっき層が溶融したとしても、表面皮膜層によりＡｌめっき層が覆われた状態が維持され、この皮膜が逆にＡｌめっき層表面形状を固定して、そのためＡｌの融点以上でも昇温速度の低下が少なくなっているものと推定している。
【００３９】
＜熱間プレス方法による加工＞
以上、本実施形態に係るＡｌめっき鋼板について説明した。このように形成されるＡｌめっき鋼板は熱間プレス方法による加工を施す場合に特に有用である。上記構成を有するＡｌめっき鋼板が熱間プレス方法により加工される場合について説明する。
【００４０】
本実施形態に係る熱間プレス方法では、まず、めっき鋼板を高温に加熱して、鋼板を軟化させる。そして、軟化しためっき鋼板をプレス加工して成形し、その後、成形されためっき鋼板を冷却する。このように鋼板を一旦軟化させることにより、後続するプレス加工を容易に行うことができる。また、上記成分を有する鋼板は、加熱及び冷却されることにより、焼入れされて約１５００ＭＰａ以上の高い機械的強度を実現することができる。
【００４１】
本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、熱間プレス方法において加熱されるが、このときの加熱方法として通常の電気炉、ラジアントチューブ炉に加え、ＮＩＲ(近赤外線)加熱、通電加熱、高周波誘導加熱等種々の加熱方法を採りうるが、輻射加熱に対して特に有効である。最高到達温度については、熱間プレスの原理よりオーステナイト領域で加熱する必要があることから、通常９００〜９５０℃の温度が採用されることが多い。本発明において最高到達温度は特に限定しないが、８５０℃以下では十分な焼入れ硬度が得られない可能性があり好ましくない。またＡｌめっき層はＡｌ−Ｆｅ合金層に変化する必要があり、この意味からも８５０℃以下は好ましくない。１０００℃を超える温度で合金化が進行し過ぎると、Ａｌ−Ｆｅ合金層中のＦｅ濃度が上昇して塗装後耐食性の低下を招くことがある。これは昇温速度、Ａｌめっき付着量にも依存するため、一概には言えないが経済性を考慮しても１１００℃以上の加熱は望ましくない。
【００４２】
本実施形態に係るめっき鋼板は、上述の通り通電加熱や誘導加熱により９００℃以上の高温に加熱された後、金型などを使用したプレス加工により成形される。この際、表面皮膜層によりＡｌめっき層及び鋼板が金型から保護されるので、金型による傷がつくことを防止することも可能である。逆に、例えばひび割れが発生したり、パウダリングしたＡｌめっき層により、金型にパウダ（Ａｌ粉など）が凝着することを防止でき、成形性及び生産性を向上させることができる。
【００４３】
＜Ａｌめっき鋼板及び熱間プレス方法による効果の一例＞
以上、本発明の一実施形態に係るＡｌめっき鋼板及びＡｌめっき鋼板の熱間プレス方法について説明した。本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、表面皮膜層を有し、低い明度（Ｌ＊）を有することにより、上述の通り、輻射加熱による昇温時間を半減させることができる。その結果、本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、近赤外線加熱や輻射加熱炉での生産性を向上させることができる。表面皮膜中にＺｎＯを含有する場合、その粒径について上記した範囲は例示であって特にこの範囲に限定するものではないが、微細なＺｎＯを使用することでより少ない皮膜量で同等の効果を得ることができる一方、微細な粉体は溶液中で凝集して粗大化しやすいため、微細化しすぎると却って液の経時で特性が変化したり、特性が低下したりする場合もある。二次的な凝集を防止した微細な粒を使用することが最も望ましい。またバインダー、微細ＺｎＯを分散させるための分散剤等の成分はできるだけ少量であることが望ましい。
【００４４】
なお、このように昇温特性を高めるためには、熱に安定な表面皮膜層を形成することが重要と考えられる。つまり、本実施形態に係る表面皮膜層は、Ａｌめっき層よりも融点が高く、加熱による最高到達板温でも溶融、分解していない。従って、Ａｌめっき層は、溶融していない表面皮膜層と鋼板との間で保持される。その結果、Ａｌめっき層が溶融したとしても、Ａｌめっき層の表面形状の鏡面化が表面皮膜層の強度や張力により防止されると考えられる。なお、ここで挙げた理由や要因は、あくまで効果が発揮されることの一因であろうと予想されるものであって、本発明を限定するものではないことは言うまでもなく、他の要因が存在することも考え得る。
【００４５】
＜実施例１＞
次に実施例で本発明をより詳細に説明する。表１に示す鋼成分の冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）を使用してゼンジマー法でＡｌめっきした。このときの焼鈍温度は約８００℃、Ａｌめっき浴はＳｉ：９％を含有し、他に鋼帯から溶出するＦｅを含有していた。めっき後付着量をガスワイピング法で片面３０〜８０ｇ／ｍ２に調整した。Ａｌめっき層の表面粗度を調整するためにめっき後の冷却時に水をスプレー状に噴霧した。Ａｌめっき鋼板を冷却後、処理液をロールコーターで塗布し、約８０℃で焼きつけた。処理液は、シーアイ化成（株）社製ｎａｎｏｔｅｋ ｓｌｕｒｒｙのＺｎＯをベースとし、バインダーとして水溶性ウレタン樹脂を固形分中最大３０％、着色のためにカーボンブラックを固形分中最大１０％添加した。付着量はＺｎ量として測定し、０．３〜３ｇ／ｍ２とした。このようにして製造した供試材の特性を以下に示す方法で評価した。
【００４６】
（１）Ａｌめっき層の表面粗度
表面粗度の測定は、処理液を塗布する前に行った。方法は通常の触針式粗度計を用い、Ｌ（圧延）方向、Ｃ（板幅）方向のＲａの平均値を求めた。
（２）表面明度
表面皮膜層を付与した後に、スガ試験機(株)製カラーメーターにてＬ＊値を計測した。
（３）昇温特性
７０×１５０ｍｍに剪断した試験片の中央に熱電対を溶接し、９１０℃に保定した大気炉中に挿入し、９００℃に到達するまでの時間を計測した。
（４）皮膜密着性
表面皮膜層の素地（Ａｌめっき）に対する密着性を評価するため、ラビング試験を行った。試料接触面はガーゼとし、荷重を1500ｇｆ掛け、試料上を１０往復させた。往復前後でＺｎの付着量を測定し、ラビング試験での皮膜剥離率を算出した。
○：皮膜剥離率１％未満
△：皮膜剥離率１〜３％
×：皮膜剥離率３％超
【００４７】
【表１】
【００４８】
評価結果を表２にまとめた。番号１９は表面粗度の調整をせず、表面皮膜も付与しない場合で、このときの昇温時間は１９０秒であった。これに対して表面粗度を調整したのが番号２０である。このとき若干の昇温速度改善効果は認められるものの、十分とは言えない。また番号１５は表面皮膜のみを付与した場合であるが、このときの効果も十分とは言い難い。表面粗度を調整し、かつ表面皮膜を付与して明度を５０以下とすることで昇温時間はほぼ半減する結果が得られた。明度が５０超となる場合（番号９）には昇温速度改善効果は不十分で、めっき付着量、皮膜中の黒色顔料（カーボンブラック）添加量も昇温時間に影響する。またカーボンブラックの添加量が多すぎるとき（番号１１）、皮膜量が多すぎるとき（番号８）には皮膜密着性がやや低下する傾向となった。
【００４９】
【表２】
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌを主成分とするＡｌめっき被覆が施され、熱間プレス時の昇温特性に優れためっき鋼板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護と地球温暖化の防止のために、化学燃料の消費を抑制する要請が高まっており、この要請は、様々な製造業に対して影響を与えている。例えば、移動手段として日々の生活や活動に欠かせない自動車についても例外ではなく、車体の軽量化などによる燃費の向上等が求められている。しかし、自動車では単に車体の軽量化を実現することは製品品質上許されず、適切な安全性を確保する必要がある。
【０００３】
自動車の構造の多くは、鉄、特に鋼板により形成されており、この鋼板の重量を低減することが、車体の軽量化にとって重要である。しかしながら、上述の通り単に鋼板の重量を低減することは許されず、鋼板の機械的強度を確保することもが求められる。このような鋼板に対する要請は、自動車製造業のみならず、様々な製造業でも同様になされている。よって、鋼板の機械的強度を高めることにより、以前使用されていた鋼板より薄くしても機械的強度を維持又は高めることが可能な鋼板について、研究開発が行われている。
【０００４】
一般的に高い機械的強度を有する材料は、曲げ加工等の成形加工において、形状凍結性が低下する傾向にあり、複雑な形状に加工する場合、加工そのものが困難となる。この成形性についての問題を解決する手段の一つとして、いわゆる「熱間プレス方法（ホットプレス法、高温プレス法、ダイクエンチ法）」が挙げられる。この熱間プレス方法では、成形対象である材料を一旦高温に加熱して、加熱により軟化した鋼板に対してプレス加工を行って成形した後に、冷却する。この熱間プレス方法によれば、材料を一旦高温に加熱して軟化させるので、その材料を容易にプレス加工することができ、更に、成形後の冷却による焼入れ効果により、材料の機械的強度を高めることができる。従って、この熱間プレス加工により、良好な形状凍結性と高い機械的強度とを有した成形品が得られる。
【０００５】
しかし、この熱間プレス方法を鋼板に適用した場合、例えば８００℃以上の高温に加熱することにより、表面の鉄などが酸化してスケール（酸化物）が発生する。従って、熱間プレス加工を行った後に、このスケールを除去する工程（デスケーリング工程）が必要となり、生産性が低下する。また、耐食性を必要とする部材等では、加工後に部材表面へ防錆処理や金属被覆をする必要があり、表面清浄化工程、表面処理工程が必要となり、生産性が低下する。
【０００６】
このような生産性の低下を抑制する方法の例として、鋼板に被覆を施す方法が挙げられる。一般に鋼板上の被覆としては、有機系材料や無機系材料など様々な材料が使用されるが、熱間プレス加工における加熱温度は、有機系材料の分解温度やＺｎなどの金属材料の沸点などよりも高くなる場合がある。よって、高温に加熱する熱間プレス加工を行う鋼板に対しては、例えば、有機系材料被覆やＺｎ系の金属被覆に比べて沸点などが高いＡｌ系の金属被覆いわゆるめっきを施すことが望ましい。このＡｌ系の金属被覆を所定の鋼成分を有する鋼に施しためっき鋼板を熱間プレス加工に用いる方法が、下記特許文献１には記載されている。この特許文献１のようにＡｌ系の金属被覆を施すことにより、鋼板表面にスケールが付着することを防止できる。よって、デスケーリング工程などの工程が不要となり生産性を向上させることができる。また、Ａｌ系の金属被覆には防錆効果があるので塗装後の耐食性も向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、Ａｌ系の金属被覆を施した場合、熱間プレス方法におけるプレス加工の前の予備加熱の条件によっては、鋼板のＦｅとめっき層のＡｌとによる合金層が成長して表面までＡｌ−Ｆｅ化合物となる。以後この化合物層を合金層と称する。この合金層は極めて硬質で展延性に乏しいが、熱間プレスでは高温で成形されるために成形可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−３８６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、Ａｌめっき鋼板を適用する際に幾つかの課題がある。その1つに輻射加熱時の昇温が遅い点が挙げられる。熱間プレスにおいてブランクされた鋼板を加熱する方法としては、輻射加熱とジュール熱を用いた加熱が検討されている。輻射加熱は所定の温度に保持された大気炉等内にブランク材を挿入して輻射伝熱で加熱する方法、あるいは近赤外線のようなよりエネルギー密度の高い光を当てて加熱する方法である。一方ジュール熱を用いた加熱としては例えばブランク材に直接電気を流す通電加熱法や、ブランク材近傍で高周波電流を流すことで渦状の誘導電流をブランク材内に発生させる高周波誘導加熱法等がある。
【００１０】
現在主流となっている加熱方法は、大気炉等での輻射加熱である。Ａｌめっき鋼板を大気炉内で加熱すると、まずＡｌめっきの融点(Ａｌ−１０％Ｓｉで約６００℃)以上でめっき層が溶融する。このとき溶融したＡｌの表面張力のためにめっき層の表面が鏡面状となる。このようにして鏡面化しためっき層表面は輻射熱の反射面となり、Ａｌめっき鋼板の輻射率が極めて小さくなる。また、Ａｌ−Ｆｅの合金化が表面まで進行すると、その色調が黒色に近くなり、この時のＡｌめっき鋼板の輻射率は大きくなる。従って輻射加熱の際のＡｌめっき鋼板の昇温曲線を採取すると、約６００℃までは比較的早い昇温速度であるが、６００℃を超えたところでＡｌの溶融が起こって昇温速度が低下する。８５０〜９００℃に至るとめっき層の表面まで合金化が進行して再び昇温速度が上昇する。
更に上記の事象はめっきの厚みにも依存し、めっきの付着量が小さいときには昇温速度の低下した(表面が溶融した)状態が比較的短時間であるが、付着量を増大させるにつれて昇温速度の低下が顕著に現れる。
【００１１】
更に従来の炉加熱では１枚のブランクを加熱するのに約５分を要していたが、より生産性の高い熱間プレスに対する要望が高まり、急速加熱の可能な近赤外線加熱の適用も検討されている。このように輻射加熱を用いて急速に加熱しようとする際に、部位による加熱ムラが起こりやすいとの事象が現れる。めっきの厚みや温度に僅かな差異があると、まずＡｌめっきが溶融して鏡面状態となり、次に一部が表面まで合金化する。合金化した部位は輻射率が高いために温度が上昇しやすいのに対し、合金化していない部位は鏡面で輻射率が低く、昇温し難い。従って一旦生じた温度差が縮まりにくくなる。その結果として、局部的な加熱が起こったり表面まで合金化しない部位が残存したりしやすくなる。
その一方でＡｌめっきへのＦｅの拡散の度合いは塗装後耐食性やスポット溶接性に影響を及ぼしうるために、材料は均一に加熱される必要がある。このため昇温速度を低下させたり、あるいは高温で保定時間を入れて均一化させたりする必要が生じ、これらは急速加熱との目的から反するものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
昇温速度を高めるには、Ａｌめっきの表面を黒化させて輻射率を向上すればよい。かかる着想のもと、カーボンブラックを含有する黒色皮膜を付与して昇温特性を測定したが、黒色皮膜のない場合と比べて１０％程度しか昇温時間が短縮されず、十分な効果が得られなかった。この現象を解析すると、初期の昇温特性は改善されていたが、６００℃超のＡｌ溶融状態での昇温特性は殆ど改善されていなかった。
【００１３】
本発明者らは更に鋭意検討を重ね、昇温特性を改善させるためには、特に６００℃超のＡｌ溶融状態での昇温特性を改善させるためには、Ａｌめっき層の表面粗度を大きくする必要があることを知見し、本発明に至った。
すなわち、表面粗度がＲａで１．０〜４．０μｍであるようなＡｌめっき層の表面に黒色皮膜、具体的にはＬ＊：１０〜５０の明度となるように皮膜を付与することで、９００℃までの昇温時間をほぼ半減させることに成功した。
【００１４】
単純に考えると、Ａｌめっき表面の粗度を大きくしても、Ａｌめっきが溶融した際に表面張力により表面が平滑化してしまい、粗面化の効果は小さいと考えられるが、実際には表面粗度の効果が大きいとの事実を見出した。本発明では、表面粗度を高めたＡｌめっき層に黒色皮膜を付与している。黒色皮膜は、粗面化されたＡｌめっき層の表面に密着して、Ａｌめっき層表面の凹凸を埋めた状態になるものと推定される。この黒色皮膜は熱に対して安定であるために、Ａｌの溶融温度においても強度を有するものと推定される。そうすると、Ａｌ自身の表面張力によってＡｌめっき表面が平滑化されるような状況においても、Ａｌめっき表面の凹凸を埋める黒色皮膜が、溶融したＡｌめっき層の平滑化を阻害すると推定している。このようにして溶融状態のＡｌめっき表面の平坦化が阻害された結果、表面粗度による輻射率向上効果と黒色皮膜による輻射率向上効果とを室温からＡｌの融点以上まで確実に保つことが可能となり、昇温時間の短縮という効果がもたらされるものと考えている。つまり本発明は、粗面化されたＡｌめっき層と黒色皮膜とを組合せることによって初めて昇温時間の短縮という効果が得られたものであり、従前の単純に黒色皮膜を付与することでＡｌめっき層を黒色化する技術とは一線を画している。
【００１５】
本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１） 鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（２） 前記表面皮膜層中に、ＺｎＯがＺｎ換算で片面あたり０．５〜５ｇ／ｍ２含有されていることを特徴とする、（１）に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（３） 前記表面皮膜層中にカーボンブラックを１〜１０％の範囲で含有するとともに、バインダーを１％以上３０％以下の範囲で含有することを特徴とする、（１）または（２）に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（４） Ａｌめっき層の付着量が片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２であることを特徴とする、（１）〜（３）のいずれか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
（５） 請求項１〜４の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法であって、鋼板に溶融Ａｌめっきを施した後、Ａｌめっきの表面が凝固するまでの間に水をスプレー状に噴霧してＡｌめっき層の表面粗度をＲａで１．０〜４．０μｍの範囲に調整し、然る後にＡｌめっき層上にＬ＊が１０〜５０である表面皮膜層を形成することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、輻射加熱において従来に比べて約１／２の時間で昇温させることが可能な熱間プレス用Ａｌめっき鋼板及びその製造法を提供できる。本発明の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板は、先述したように近赤外線のような輻射を用いた急速加熱に最も適しているが、大気炉加熱においても昇温時間を半減させることが可能で、熱間プレス工程の生産性を高めることが可能である。副次的な効果として、大気炉等の炉内のロール等に溶融したＡｌが付着してビルドアップし、ブランク材に疵をつけるような課題に対しても、昇温時間が短時間化されることで、ブランク材の疵発生の防止効果を奏する。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
＜Ａｌめっき鋼板＞
本発明の一実施形態に係るめっき鋼板について説明する。
本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、鋼板上の片面又は両面のそれぞれの面に、少なくとも２層の層構造を有する。つまり、鋼板の片面又は両面には、少なくともＡｌを含有するＡｌめっき層が形成され、そのＡｌめっき層上には、表面皮膜層が更に積層される。まず以下では、鋼板及び各層について説明する。
【００１９】
（鋼板）
鋼板としては、例えば、高い機械的強度（例えば、引張強さ・降伏点・伸び・絞り・硬さ・衝撃値・疲れ強さ・クリープ強さなどの機械的な変形及び破壊に関する諸性質を意味する。）を有するように形成された鋼板を使用することが望ましい。本発明の一実施形態に使用されうる高い機械的強度を実現する鋼板の成分の一例は、以下の通りである。
【００２０】
この鋼板は、質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｍｎ：０．５〜３％、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、及び、Ｂ：０．０００１〜０．１％のうちの少なくとも１以上を含有し、かつ、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。
【００２１】
Ｆｅに添加される各成分について説明する。
Ｃは、目的とする機械的強度を確保するために添加される。Ｃが０．１％未満の場合には、十分な機械的強度の向上が得られず、Ｃを添加する効果が乏しくなる。一方、Ｃが０．４％を超える場合には、鋼板を更に硬化させることができるものの、割れが生じやすくなる。従って、Ｃは、質量％で０．１％以上０．４％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２２】
Ｓｉは、機械的強度を向上させる強度向上元素の一つであり、Ｃと同様に目的とする機械的強度を確保するために添加される。Ｓｉが０．０１％未満の場合には、強度向上効果を発揮しにくく、十分な機械的強度の向上が得られない。一方、Ｓｉは、易酸化性元素でもある。よって、Ｓｉが０．６％を超える場合には、溶融Ａｌめっきを行う際に、濡れ性が低下し、不めっきが生じる恐れがある。従って、Ｓｉは、質量％で０．０１％以上０．６％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２３】
Ｍｎは、鋼を強化させる強化元素の１つであり、焼入れ性を高める元素の１つでもある。更にＭｎは、不可避的不純物の１つであるＳによる熱間脆性を防止するのにも有効である。Ｍｎが０．５％未満の場合には、これらの効果が得られず、０．５％以上で上記効果が発揮される。一方、Ｍｎが３％を超える場合には、残留γ相が多くなり過ぎて強度が低下する恐れがある。従って、Ｍｎは、質量％で０．５％以上３％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２４】
Ｔｉは、強度強化元素の１つであり、Ａｌめっき層の耐熱性を向上させる元素でもある。Ｔｉが０．０１％未満の場合には、強度向上効果や耐酸化性向上効果が得られず、０．０１％以上でこれらの効果が発揮される。一方、Ｔｉは、あまり添加され過ぎると、例えば、炭化物や窒化物を形成して、鋼を軟質化させる恐れがある。特に、Ｔｉが０．１％を超える場合には、目的とする機械的強度を得られない可能性が高い。従って、Ｔｉは、質量％で０．０１％以上０．１％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２５】
Ｂは、焼入れ時に作用して強度を向上させる効果を有する。Ｂが０．０００１％未満の場合には、このような強度向上効果が低い。一方、Ｂが０．１％を超える場合には、介在物を形成して脆化し、疲労強度を低下させる恐れがある。従って、Ｂは、質量％で０．０００１％以上０．１％以下の含有量で添加されることが望ましい。
【００２６】
なお、この鋼板は、その他製造工程などで混入してしまう不可避的不純物を含んでもよい。またＣｒ、Ｍｏのような焼入性を向上させる元素を含むこともできる。このときの添加量はＣｒ：０．５〜３％、Ｍｏ：０．０５〜０．５％である。下限は焼入性への影響、上限は主としてコストが効果に見合わなくなることから定められる。
【００２７】
このような成分で形成される鋼板は、熱間プレス方法などによる加熱により焼入れされて、約１５００ＭＰａ以上の機械的強度を有することができる。このように高い機械的強度を有する鋼板ではあるが、熱間プレス方法により加工すれば、高温で軟化した状態でプレス加工を行うことができるので、容易に成形することができる。また、鋼板は、高い機械的強度を実現でき、ひいては軽量化のために薄くしたとしても機械的強度を維持又は向上することができる。
【００２８】
（Ａｌめっき層）
Ａｌめっき層は、上述の通り、鋼板の片面又は両面に形成される。このＡｌめっき層は、例えば溶融めっき法により鋼板の表面に形成されてもよいが、本発明のＡｌめっき層の形成方法は、この例に限定されるものではない。
【００２９】
このＡｌめっき層は、質量％で、Ｓｉ：３〜１５％を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる。またＡｌを主組成とするめっきとして、ガルバリウムめっきによる被覆層を積層させることも可能である。
【００３０】
Ａｌに添加されるＳｉについて説明する。
Ｓｉは、溶融めっき金属の被覆時に生成される合金層を制御するために添加される。Ｓｉが３％未満の場合には、Ｆｅ−Ａｌ合金層がめっきを施す段階で厚く成長し、加工時にめっき層割れを助長して、耐食性に悪影響を及ぼす可能性がある。一方、Ｓｉが１５％を超える場合には、めっき層の加工性や耐食性が低下する恐れがある。従って、Ｓｉは、質量％で３％以上１５％以下の含有量で添加されることが望ましい。
Ａｌめっき付着量は片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２とする。付着量が多いほど耐食性は向上する傾向を示し、片面４０ｇ／ｍ２未満では十分な耐食性を発揮しない。一方必要以上に増やすことはコスト増大となることに加え、プレス金型等へのＡｌ−Ｆｅの凝着が激しくなるため、上限を１００ｇ／ｍ２とする。
【００３１】
このような成分で形成されるＡｌめっき層は、鋼板の腐食を防止することができる。また、鋼板を熱間プレス方法により加工する場合には、高温に加熱された鋼板の表面が酸化することにより発生する鉄の酸化物の発生を防止可能である。よって、鋼板にＡｌめっき層を形成することで、スケールを除去する工程・表面清浄化工程・表面処理工程などを省略することができ、生産性を向上できる。また、Ａｌめっき層は、有機系材料によるめっき被覆や他の金属系材料（例えばＺｎ系）によるめっき被覆よりも沸点などが高いため、熱間プレス方法により成形する際に高い温度への加熱が可能であり、プレス加工における成形性を更に高め、かつ、容易に加工できる。
【００３２】
上述の通り、溶融めっき金属被覆時や熱間プレスによる加熱工程時などにおいて、このＡｌめっき層に含まれるＡｌの少なくとも一部は、鋼板中のＦｅと合金化しうる。よって、このＡｌめっき層は、必ずしも成分が一定な単一の層で形成されるとは限られず、適宜合金化した層を含むものとする。
Ａｌめっきの表面粗度については、Ｒａとして１．０〜４．０μｍにすることで、表面皮膜の効果と相俟って優れた昇温特性を得ることができる。この効果を表すためにはＲａとして１．０μｍが必要で、一方その効果は４．０μｍ超では飽和してしまうために、この条件とする。表面粗さＲａのより好ましい範囲は３μｍ以下である。Ａｌめっきの表面粗度を調整する方法として、溶融めっき後の凝固時点で水をスプレー状に噴霧、冷却することが最も容易である。これ以外の手法、例えばＡｌめっき後スキンパスで軽圧下することも可能である。水を噴霧するときには、スプレーノズルにより５０〜２００μｍ程度のミストを噴霧させることでミストの衝突により十分な凹凸を得ることができる。またスキンパスで軽圧下する際には、圧下率１％以下、ロール粗度をＲａ１〜３μｍとすることでロール粗度を転写することができる。
【００３３】
（表面皮膜層）
表面皮膜層は、上述の通り、Ａｌめっき層の表面に積層される。この表面皮膜層はＡｌめっき層表面の輻射率を増大させることが目的であり、表面皮膜層を黒色に近い色調にすることが望ましい。具体的にはＪＩＳ−Ｋ５６００に規定するＬ＊として１０〜５０の明度を有するものとする。Ｌ＊は低いほど明度が低い、つまり黒に近くなり、５０超では十分な昇温特性が得られない。また１０未満とするためには黒色顔料を使用してもかなりの皮膜厚みを必要とする。
【００３４】
表面の明度Ｌ＊を低下させるための黒色顔料としては、カーボンブラックが望ましく、表面皮膜層中１〜１０％添加するものとする。１％未満では明度の低下が十分でなく、必要以上の添加は皮膜としての密着性を低下させる。カーボンブラックのより好ましい範囲は５％以下、更に好ましい範囲は３％以下である。
【００３５】
また、表面皮膜層中にはＺｎＯを含有することが好ましい。ＺｎＯを付与することで熱間での潤滑性が改善する傾向にあり、また塗装後耐食性も向上するためである。このときこれらの効果が現れるためにはＺｎ換算で片面当たり０．５ｇ／ｍ２のＺｎＯが必要で、必要以上の付与はスポット溶接性を阻害するため５ｇ／ｍ２以下であることが望ましい。
【００３６】
黒色の表面皮膜層は、例えば、ＺｎＯ及びカーボンブラックを含有する処理液の塗布処理、並びに、その塗布後の焼付け・乾燥による硬化処理を行うことにより、Ａｌめっき層上に形成可能である。処理液の塗布方法としては、例えば、ＺｎＯ及びカーボンブラックを所定の有機性のバインダーと混合したものをＡｌめっき層の表面に塗布する方法、ＺｎＯ及びカーボンブラックを粉体塗装によって塗布する方法などが挙げられる。塗布後の焼付け・乾燥方法としては、例えば、熱風炉・誘導加熱炉・近赤外線炉などの方法又はこれらの組み合わせによる方法などが挙げられる。この際、塗布に使用されるバインダーの種類によっては、塗布後の焼付け・乾燥の代わりに、例えば紫外線・電子線などによる硬化処理が行われてもよい。
【００３７】
所定の有機性バインダーとしては、例えば、ポリウレタンやポリエステル、アクリルなどが挙げられる。これらバインダーを使用することで密着性のよい表面皮膜が得られる。しかし、黒色の表面皮膜層の形成方法はこれらの例に限定されるものではなく、様々な方法により形成可能である。バインダーを使用しない場合にはＡｌめっきに塗布した後の密着性がやや低く、強い力で擦ると部分的に剥離する懸念がある。しかし熱間プレス工程を経て一旦加熱されると強い密着を示す。バインダーの量が多すぎると、バインダー自身は有機物であるために、熱間プレス時の加熱で分解してしまい、表面皮膜の強度が低下する。そうすると前記したＡｌの表面粗度を維持する効果が失われてしまい、昇温時間の改善効果が失われる。このため、バインダー量としては、１％以上３０％以下、より好ましくは１０％以上２０％以下とすることが好ましい。
【００３８】
また表面皮膜層は熱に対して安定であることが望ましい。例えばＺｎＯは融点が約１９７５℃であり、Ａｌめっき層（Ａｌの融点は約６６０℃）などに比べても非常に高い。従って、めっき鋼板を熱間プレス方法で加工する場合など、例えば８００℃以上に鋼板を加熱したとしても、このＺｎＯを含有する表面皮膜層は溶融しない。従って、たとえ加熱によりＡｌめっき層が溶融したとしても、表面皮膜層によりＡｌめっき層が覆われた状態が維持され、この皮膜が逆にＡｌめっき層表面形状を固定して、そのためＡｌの融点以上でも昇温速度の低下が少なくなっているものと推定している。
【００３９】
＜熱間プレス方法による加工＞
以上、本実施形態に係るＡｌめっき鋼板について説明した。このように形成されるＡｌめっき鋼板は熱間プレス方法による加工を施す場合に特に有用である。上記構成を有するＡｌめっき鋼板が熱間プレス方法により加工される場合について説明する。
【００４０】
本実施形態に係る熱間プレス方法では、まず、めっき鋼板を高温に加熱して、鋼板を軟化させる。そして、軟化しためっき鋼板をプレス加工して成形し、その後、成形されためっき鋼板を冷却する。このように鋼板を一旦軟化させることにより、後続するプレス加工を容易に行うことができる。また、上記成分を有する鋼板は、加熱及び冷却されることにより、焼入れされて約１５００ＭＰａ以上の高い機械的強度を実現することができる。
【００４１】
本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、熱間プレス方法において加熱されるが、このときの加熱方法として通常の電気炉、ラジアントチューブ炉に加え、ＮＩＲ(近赤外線)加熱、通電加熱、高周波誘導加熱等種々の加熱方法を採りうるが、輻射加熱に対して特に有効である。最高到達温度については、熱間プレスの原理よりオーステナイト領域で加熱する必要があることから、通常９００〜９５０℃の温度が採用されることが多い。本発明において最高到達温度は特に限定しないが、８５０℃以下では十分な焼入れ硬度が得られない可能性があり好ましくない。またＡｌめっき層はＡｌ−Ｆｅ合金層に変化する必要があり、この意味からも８５０℃以下は好ましくない。１０００℃を超える温度で合金化が進行し過ぎると、Ａｌ−Ｆｅ合金層中のＦｅ濃度が上昇して塗装後耐食性の低下を招くことがある。これは昇温速度、Ａｌめっき付着量にも依存するため、一概には言えないが経済性を考慮しても１１００℃以上の加熱は望ましくない。
【００４２】
本実施形態に係るめっき鋼板は、上述の通り通電加熱や誘導加熱により９００℃以上の高温に加熱された後、金型などを使用したプレス加工により成形される。この際、表面皮膜層によりＡｌめっき層及び鋼板が金型から保護されるので、金型による傷がつくことを防止することも可能である。逆に、例えばひび割れが発生したり、パウダリングしたＡｌめっき層により、金型にパウダ（Ａｌ粉など）が凝着することを防止でき、成形性及び生産性を向上させることができる。
【００４３】
＜Ａｌめっき鋼板及び熱間プレス方法による効果の一例＞
以上、本発明の一実施形態に係るＡｌめっき鋼板及びＡｌめっき鋼板の熱間プレス方法について説明した。本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、表面皮膜層を有し、低い明度（Ｌ＊）を有することにより、上述の通り、輻射加熱による昇温時間を半減させることができる。その結果、本実施形態に係るＡｌめっき鋼板は、近赤外線加熱や輻射加熱炉での生産性を向上させることができる。表面皮膜中にＺｎＯを含有する場合、その粒径について上記した範囲は例示であって特にこの範囲に限定するものではないが、微細なＺｎＯを使用することでより少ない皮膜量で同等の効果を得ることができる一方、微細な粉体は溶液中で凝集して粗大化しやすいため、微細化しすぎると却って液の経時で特性が変化したり、特性が低下したりする場合もある。二次的な凝集を防止した微細な粒を使用することが最も望ましい。またバインダー、微細ＺｎＯを分散させるための分散剤等の成分はできるだけ少量であることが望ましい。
【００４４】
なお、このように昇温特性を高めるためには、熱に安定な表面皮膜層を形成することが重要と考えられる。つまり、本実施形態に係る表面皮膜層は、Ａｌめっき層よりも融点が高く、加熱による最高到達板温でも溶融、分解していない。従って、Ａｌめっき層は、溶融していない表面皮膜層と鋼板との間で保持される。その結果、Ａｌめっき層が溶融したとしても、Ａｌめっき層の表面形状の鏡面化が表面皮膜層の強度や張力により防止されると考えられる。なお、ここで挙げた理由や要因は、あくまで効果が発揮されることの一因であろうと予想されるものであって、本発明を限定するものではないことは言うまでもなく、他の要因が存在することも考え得る。
【００４５】
＜実施例１＞
次に実施例で本発明をより詳細に説明する。表１に示す鋼成分の冷延鋼板（板厚１．２ｍｍ）を使用してゼンジマー法でＡｌめっきした。このときの焼鈍温度は約８００℃、Ａｌめっき浴はＳｉ：９％を含有し、他に鋼帯から溶出するＦｅを含有していた。めっき後付着量をガスワイピング法で片面３０〜８０ｇ／ｍ２に調整した。Ａｌめっき層の表面粗度を調整するためにめっき後の冷却時に水をスプレー状に噴霧した。Ａｌめっき鋼板を冷却後、処理液をロールコーターで塗布し、約８０℃で焼きつけた。処理液は、シーアイ化成（株）社製ｎａｎｏｔｅｋ ｓｌｕｒｒｙのＺｎＯをベースとし、バインダーとして水溶性ウレタン樹脂を固形分中最大３０％、着色のためにカーボンブラックを固形分中最大１０％添加した。付着量はＺｎ量として測定し、０．３〜３ｇ／ｍ２とした。このようにして製造した供試材の特性を以下に示す方法で評価した。
【００４６】
（１）Ａｌめっき層の表面粗度
表面粗度の測定は、処理液を塗布する前に行った。方法は通常の触針式粗度計を用い、Ｌ（圧延）方向、Ｃ（板幅）方向のＲａの平均値を求めた。
（２）表面明度
表面皮膜層を付与した後に、スガ試験機(株)製カラーメーターにてＬ＊値を計測した。
（３）昇温特性
７０×１５０ｍｍに剪断した試験片の中央に熱電対を溶接し、９１０℃に保定した大気炉中に挿入し、９００℃に到達するまでの時間を計測した。
（４）皮膜密着性
表面皮膜層の素地（Ａｌめっき）に対する密着性を評価するため、ラビング試験を行った。試料接触面はガーゼとし、荷重を1500ｇｆ掛け、試料上を１０往復させた。往復前後でＺｎの付着量を測定し、ラビング試験での皮膜剥離率を算出した。
○：皮膜剥離率１％未満
△：皮膜剥離率１〜３％
×：皮膜剥離率３％超
【００４７】
【表１】
【００４８】
評価結果を表２にまとめた。番号１９は表面粗度の調整をせず、表面皮膜も付与しない場合で、このときの昇温時間は１９０秒であった。これに対して表面粗度を調整したのが番号２０である。このとき若干の昇温速度改善効果は認められるものの、十分とは言えない。また番号１５は表面皮膜のみを付与した場合であるが、このときの効果も十分とは言い難い。表面粗度を調整し、かつ表面皮膜を付与して明度を５０以下とすることで昇温時間はほぼ半減する結果が得られた。明度が５０超となる場合（番号９）には昇温速度改善効果は不十分で、めっき付着量、皮膜中の黒色顔料（カーボンブラック）添加量も昇温時間に影響する。またカーボンブラックの添加量が多すぎるとき（番号１１）、皮膜量が多すぎるとき（番号８）には皮膜密着性がやや低下する傾向となった。
【００４９】
【表２】
【００５０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、
前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項２】
前記表面皮膜層中に、ＺｎＯがＺｎ換算で片面あたり０．５〜５ｇ／ｍ２含有されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項３】
前記表面皮膜層中にカーボンブラックを１〜１０％の範囲で含有するとともに、バインダーを１％以上３０％以下の範囲で含有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項４】
Ａｌめっき層の付着量が片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法であって、
鋼板に溶融Ａｌめっきを施した後、Ａｌめっきの表面が凝固するまでの間に水をスプレー状に噴霧してＡｌめっき層の表面粗度をＲａで１．０〜４．０μｍの範囲に調整し、然る後にＡｌめっき層上にＬ＊が１０〜５０である表面皮膜層を形成することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法。
【請求項１】
鋼板の片面又は両面に形成され、少なくともＡｌを含有し、その表面粗度がＲａとして１．０〜４．０μｍであるＡｌめっき層と、
前記Ａｌめっき層上に積層され、Ｌ＊が１０〜５０である表面皮膜層と、を有することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項２】
前記表面皮膜層中に、ＺｎＯがＺｎ換算で片面あたり０．５〜５ｇ／ｍ２含有されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項３】
前記表面皮膜層中にカーボンブラックを１〜１０％の範囲で含有するとともに、バインダーを１％以上３０％以下の範囲で含有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項４】
Ａｌめっき層の付着量が片面当たり４０〜１００ｇ／ｍ２であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法であって、
鋼板に溶融Ａｌめっきを施した後、Ａｌめっきの表面が凝固するまでの間に水をスプレー状に噴霧してＡｌめっき層の表面粗度をＲａで１．０〜４．０μｍの範囲に調整し、然る後にＡｌめっき層上にＬ＊が１０〜５０である表面皮膜層を形成することを特徴とする、熱間プレス用Ａｌめっき鋼板の製造方法。
【公開番号】特開２０１１−１４９０８４（Ｐ２０１１−１４９０８４Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３５２９（Ｐ２０１０−１３５２９）
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２５日（２０１０．１．２５）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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