JP2006016674A

JP2006016674A - 自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板及びこれを用いたＡｌ系めっき鋼管

Info

Publication number: JP2006016674A
Application number: JP2004197020A
Authority: JP
Inventors: Jun Maki; 純真木; Kunio Nishimura; 邦夫西村; Yasutsugu Tsukano; 保嗣塚野; Haruhiko Eguchi; 晴彦江口; Yoshihisa Takada; 良久高田; Shuji Yamamoto; 修治山本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】本発明は、Ａｌ系めっき鋼板の適用部位を広げることが可能な、従来よりも優れた高温強度と耐熱性を有するＡｌ系めっき鋼板を提供するもので、より低廉な製品の品質を安定して向上させたものであり、３００〜６００℃程度の温度範囲において高強度を有し、かつ、優れた耐熱性を有する自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板を提供するものである。
【解決手段】質量％でＣ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜０．４％、Ｍｎ：０．６〜３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼の表面にＡｌを主成分とする金属被覆を有することを特徴とする自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。Ｎｂ：０．０１〜０．３％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％を更に含有することが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車の排気系部材として使用する際に、高温においても強度の低下が少なく、かつ強度−延性バランスに優れ、優れた耐熱性も具備する鋼板及びこれを用いたＡｌ系めっき鋼管に関し、このような特性を有する鋼板としてステンレス系の鋼板があるが、本発明によるＡｌ系めっき鋼板は特に、ステンレス系の材料よりも低廉で同等の特性を有することにある。

従来、Ａｌ系のめっき鋼板はめっき層の耐熱性、耐食性が溶融Ｚｎ系のめっき鋼板よりも優れることから、自動車排気系部材、燃料タンク、建材、各種熱器具等に使用されている。溶融Ａｌめっき鋼板にはＳｉを添加したタイプと添加しないタイプがあり、一般にそれぞれＴｙｐｅ１、Ｔｙｐｅ２と呼ばれている。Ｓｉを添加したＡｌめっき鋼板は特に耐熱性（耐酸化性）が優れることが知られ、耐熱用途へ使用されている。一方で鋼成分も耐熱性（耐酸化性）、あるいは高温強度に影響することが知られ、例えば特開昭６０−１３０５９号公報（特許文献１）、特開２００１−８１５３２号公報（特許文献２）および特開２００３−２３１９４７号公報（特許文献３）において耐熱性と高温強度に優れたＡｌめっき鋼板が開示されている。

特開昭６０−１３０５９号公報特開２００１−８１５３２号公報特開２００３−２３１９４７号公報

これらは確かに常温での加工性と高温での強度のバランスを高めたものであるが、本発明者らがこれらの系で再試験をしたところ、これらの系の材料特性として６００℃以上の高温域での強度の低下は起こり難いものの、３００〜５００℃付近の強度はそう高くないものであった。この温度域においては常温の強度の影響を受けているためと推定される。常温における強度を向上させる手段として、種々の方法が開示されているが、Ａｌ系めっき鋼板として使用する場合には高温における耐熱性（耐酸化性）も重要な特性であり、この耐熱性も鋼成分の影響を受けるため、強度、耐熱性を両立する成分系とする必要がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされ、３００〜６００℃という広い温度範囲において高強度を有し、かつ優れた耐熱性を有するＡｌ系めっき鋼板を提供するものである。これらの課題を解決するために、本発明においてはＣ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ａｌ量を適正に制御した鋼成分を使用するものとする。更にＮｂを複合添加すること好ましく、これにより高温強度が更に向上し、また、Ａｌ系めっき鋼板を排気系の鋼管に加工する際に溶接する必要があるが、この溶接部における強度低下を防止する効果が大きい。また、Ｔｉを複合添加することも好ましく、これにより耐熱性が更に向上する効果が得られる。

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）質量％で、Ｃ：０．１〜０．３％、Ｓｉ：０．０１〜０．４％、Ｍｎ：０．６〜３％、Ａｌ：０．０１〜０．１％を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼の表面にＡｌを主成分とする金属被覆を有することを特徴とする自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
（２）質量％で、更にＮｂ：０．０１〜０．３％を含有することを特徴とする前記（１）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。

（３）質量％で、更にＴｉ：０．０１〜０．５％を含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
（４）質量％で、更にＣｒ：０．５〜３％を含有することを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
（５）質量％で更に、Ｎｉ：０．０１〜０．１％、Ｃｕ：０．０１〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００１％、Ｖ：０．００１〜０．１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（４）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。

（６）Ａｌ系金属被覆の組成が質量％で、Ａｌを８０％以上、Ｓｉ：１〜１５％を含有することを特徴とする前記（１）〜（５）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
（７）Ａｌ系金属被覆の組成が質量％で、更にＺｎ：１〜５０％、Ｓｉ：０．５〜１０％を含有することを特徴とする前記（１）〜（６）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。

（８）Ａｌ系金属被覆の組成が質量％で、更にＭｇ：０．１〜１０％、Ｃａ：０．００１〜５％、Ｓｒ：０．００５〜２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：０．０１〜２％、Ｍｏ：０．０１〜２％、Ｓｎ：０．１〜１０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）〜（７）に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
（９）前記（１）〜（８）に記載の鋼板を溶接によって鋼管に成形されたことを特徴とする自動車排気系用Ａｌめっき鋼管にある。

本発明は、従来よりも優れた高温強度と耐熱性を有するＡｌ系めっき鋼板を提供するものであり、より低廉な製品の品質を安定して向上させたものである。これによりＡｌ系めっき鋼板の適用部位が広がることになり、産業上の寄与は大きい。

以下、本発明について詳細に説明する。
Ａｌ系めっき鋼板の鋼成分がＡｌめっき後の特性に及ぼす影響として、以下のことが言える。まず高温強度に関しては、Ｃ，Ｍｎが高温強度に効果がある。また、Ｎｂは前述したように高温強度と溶接部の強度低下に効果が大きい。これはＮｂＣを析出させることで強度を高め、このＮｂＣの溶解温度が高いために溶接部でも溶解し難いためである。この他の元素としてＮｉ，Ｃｕ，Ｂ，Ｖ等の添加も有効である。

Ａｌ系めっき鋼板の耐酸化性に関しては、Ｍｎ添加の効果がある。本発明において、ＣとＭｎを複合添加した系ではＭｎの効果が現れ難く、添加量を高目にする必要があるという知見が得られた。また、Ｔｉ，ＣｒについてもＡｌめっき鋼板の耐酸化性に効果を及ぼす。一方でＣｒ、あるいはＳｉ，Ａｌ等の元素は酸素との親和性が高く、焼鈍炉の中で表面に濃化しやすい。このような酸化皮膜が残存するとＡｌめっき時の表面欠陥が増大し、これは結果的にＡｌ系めっき鋼板の耐熱性を低下させる。本発明においては、Ｓｉ，Ｃｒ，Ａｌ等の元素はこのような理由で上限を有する。また、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｕ等の元素は表面欠陥を防止する効果があり、その結果として耐酸化性の向上に寄与する。以下、各鋼成分の限定理由について詳述する。単位は質量％である。

本発明において、鋼板中のＣは、０．１〜０．３％とする。Ｃは鋼の強度への影響が大きい元素であることは周知で、本発明においても３００〜５００℃の温度域においてはＣ量の影響が大きいとの知見が得られ、下限を０．１％とする。一方過大な添加は鋼板の靭性、延性を著しく低下させるため、上限を０．３％とする。
鋼中のＳｉは、前述したようにＡｌめっき時の表面欠陥を増大させて結果として耐酸化性を低下させる要因となる。このため０．４％以下とする。下限は製鋼工程での負荷に依存するが、本発明では０．０１％を下限とする。

鋼中Ｍｎは、０．６〜３％の範囲となるように添加する必要がある。Ｍｎは高温強度、Ａｌめっきの耐熱性の双方に影響する。特に、Ｃを０．１％以上添加するような系においては耐熱性を確保するためにＭｎを高目に添加する必要があり、耐熱性の確保から下限を０．６％とする。一方で過大な添加はやはり鋼板の延性を阻害するために上限を３％に限定する。
鋼中Ａｌは、製鋼工程における脱酸剤として通常使用され、本発明において下限を０．０５％とする。また、Ａｌは酸化物系介在物を増加させて鋼板の疲労強度を低下させるために上限を０．１％とする

鋼中Ｎｂは、高温強度への影響が大きく添加することでより優れた高温特性が得られるため、出来る限り添加することが望ましい。添加する際には０．０１％以上添加が高温強度を確保するために必要である。一方過大な添加は鋼板製造時の再結晶温度を高めて生産性を害するため０．３％以下とすることが望ましい。
鋼中Ｔｉは、前述したようにＡｌめっきの表面欠陥を抑制する効果、あるいは表面欠陥があったときの耐酸化性劣化を抑制する効果があり、０．０１％以上添加することが好ましい。その効果が飽和することから上限を０．５％とする。

鋼中ＣｒもＭｎと同様にＡｌめっき後の耐熱性を向上させる元素であるため、添加することが可能である。添加する際にその効果を奏するためには０．５％以上が好ましいが、先述したようにＣｒは焼鈍炉内で安定な酸化皮膜を形成してめっき欠陥を増大させるため、添加量は３％以下が望ましい。
鋼中Ｎｉ，ＣｕもＴｉ同様にＡｌめっき時の表面欠陥防止効果が認められた。このため、０．０１％以上添加することが好ましい。しかし、必要以上に添加すると鋼板の加工性を低下させ、また比較的高価な元素でもあることから上限を０．１％とする。

Ｂ，ＶもＮｂと同様に高温強度に寄与する。この意味から添加する場合にはＢ：０．０００３％以上、Ｖ：０．００１％以上とするが、必要以上に添加すると鋼板の加工性を低下させるために上限をＢ：０．００１％、Ｖ：０．１％以下が望ましい。
鋼中ＭｏもＮｂ同様に高温強度へ効果のある元素であるが、本発明においてＣを０．１％以上、Ｍｎを１％以上添加した鋼へ添加するとＡｌめっきの耐熱性が低下する現象が認められた。この原因は不明であるが、このためＭｏの添加はしないことが望ましい。但し鋼板に不可避的に混入する程度のＭｏ量では問題がないことも確認している。上記した以外の元素については特に限定しないが、通常の鋼板に含有されうる元素としてＰ，Ｓ，Ｎ等がある。これらは通常Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｎ：０．００１％以下程度の範囲で含有されることが多い。

次にＡｌ系被覆層の限定理由について詳述する。Ａｌ系めっきとしては、純Ａｌめっきを適用することもできるが、耐酸化性を要求される用途であることを考慮するとＳｉ：１〜１５％を含有するＡｌ−Ｓｉ合金めっきとすることがより好ましい。このとき耐酸化性を得るためにはＳｉが１％以上必要で、一方過剰なＳｉの添加は浴温の上昇や粗大なＳｉ初晶の晶出につながり、耐食性やめっきの加工性が低下することから上限値を１５％が望ましい。

Ａｌ系めっきにおいて、Ａｌ−Ｚｎ合金めっきが主として建材用途で使用が広がりつつある。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき系においても本発明は有効である。このときＺｎ量は１〜５０％とする。Ｚｎを添加するときにはＺｎによる犠牲防食機能が発揮されることが望ましいが、Ｚｎ１％以下ではその効果は認められない。また、Ｚｎを５０％超含有すると、Ｚｎの酸化により鋼板自体の耐酸化性が大きく低下する。Ｓｉは耐酸化性に寄与し、０．５％以上が必要で、一方過剰な添加は耐食性、めっきの加工性から望ましくなく、０．５〜１０％が望ましい。

その他の元素については必要に応じて、Ｍｇ：０．１〜１０％、Ｃａ：０．００１〜５％、Ｓｒ：０．００５〜２％、Ｍｎ：０．０１〜２％、Ｃｒ：０．０１〜２％、Ｍｏ：０．０１〜２％、Ｓｎ：０．１〜１０％の１種または２種以上を含有することができる。これらの元素はＡｌ系めっき層の耐食性をより向上させることができる。
本発明において、付着量、めっき前処理、後処理等については特に限定するものではない。めっき付着量は通常の片面３０〜１００ｇ／ｍ²の範囲ではなんら問題ない。めっき後処理として一次防錆、潤滑性を目的としてクロメート処理、樹脂被覆処理等ありうるが、有機樹脂は加熱すると消失してしまうため好ましくない。クロメート処理も近年の６価クロム規制を考慮すると、電解クロメート等の３価の処理皮膜が好ましい。

Ａｌ系めっき鋼板の製造法についても何ら限定するものではない。通常の製鋼、熱延条件が適用可能である。Ａｌ系めっきは現在工業的には通常溶融めっき法で施されるが、これに限定せず、非水溶媒からの電気めっき、蒸着処理等も使用可能である。めっき前処理としてＮｉ，Ｆｅ系プレめっき等もありうるが、これも適用可能である。
次に、実施例で本発明をより詳細に説明する。

（実施例１）
通常の熱延、冷延工程を経た、表１に示すような鋼成分の冷延鋼板（板厚１．０ｍｍ）を材料として、溶融Ａｌめっきを行った。溶融Ａｌめっきは無酸化炉−還元炉タイプのラインを使用し、めっき後ガスワイピング法でめっき付着量を両面１２０ｇ／ｍ²に調節してその後冷却した。この際のめっき浴組成としてはＡｌ−１０％Ｓｉ−２％Ｆｅ、浴温は６６０℃であった。浴中のＦｅは浴中のめっき機器やストリップから供給される不可避のものである。めっき外観は不めっき等なく良好であった。Ａｌめっき前の焼鈍時の板温を変えることで、強度レベルの制御をした。このようにして製造した溶融Ａｌめっき鋼板の耐熱性、高温強度を評価した。その結果を表２に示す。

（１）耐酸化性
５０×５０ｍｍの試料を７００℃で保定した大気炉中に挿入して２００ｈｒ保定した。加熱後の外観から耐酸化性を評価した。耐酸化性の良くない試料は表面に鉄の酸化起因の赤スケールが発生するため、これの有無で判定した。このとき製品バラツキを明確にするために、各５枚づつ試験を行ない、１枚でも赤スケールが発生したものは赤スケール発生との評価とした。
○：赤スケール無し
×：赤スケール発生

（２）高温強度
ＪＩＳＧ０５６７に準拠した高温引張試験を実施し、３００℃、６００℃における圧延方向の引張強さを評価した。
３００℃での強度
○：ＴＳ４５０ＭＰａ以上
×：ＴＳ４５０ＭＰａ未満
６００℃での強度
○：ＴＳ２００ＭＰａ以上
×：ＴＳ２００ＭＰａ未満

Ｎｏ．１のＣ量が少ない成分系においては、十分な高温強度が得られなかった。また、Ｎｏ．５、６のＭｎ量が少ない場合、あるいはＳｉ量が多すぎる場合には十分な耐熱性が得られなかった。これ以外の水準の試験においては、耐酸化性、高温強度共に優れた溶融Ａｌめっき鋼板が得られた。

（実施例２）
表１のＮｏ．２の冷延鋼板を使用して、表３に示すように、Ａｌ系めっきのめっき組成を変更した。めっき付着量は両面約１２０ｇ／ｍ²で一定とした。こうして得られたＡｌ系めっき鋼板の耐酸化性と高温強度を評価した。高温強度はめっき組成によらずほぼ一定で、良好であった。また、耐酸化性もＺｎ含有量増大に伴い、表面のＺｎ酸化物と思われる粉体の付着は認められたが、赤スケールは全水準において発生しなかった。

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

質量％で
Ｃ：０．１〜０．３％、
Ｓｉ：０．０１〜０．４％、
Ｍｎ：０．６〜３％、
Ａｌ：０．０１〜０．１％
を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼の表面にＡｌを主成分とする金属被覆を有することを特徴とする自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
質量％で、更にＮｂ：０．０１〜０．３％を含有することを特徴とする請求項１に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
質量％で、更にＴｉ：０．０１〜０．５％を含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
質量％で、更にＣｒ：０．５〜３％を含有することを特徴とする請求項１〜３に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
質量％で更に、
Ｎｉ：０．０１〜０．１％、
Ｃｕ：０．０１〜０．１％、
Ｂ：０．０００３〜０．００１％、
Ｖ：０．００１〜０．１％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜４に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
Ａｌ系金属被覆の組成が質量％でＡｌを８０％以上、Ｓｉ：１〜１５％を含有することを特徴とする請求項１〜５に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
Ａｌ系金属被覆の組成が質量％で、更にＺｎ：１〜５０％、Ｓｉ：０．５〜１０％を含有することを特徴とする請求項１〜６に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
Ａｌ系金属被覆の組成が質量％で更に
Ｍｇ：０．１〜１０％、
Ｃａ：０．００１〜５％、
Ｓｒ：０．００５〜２％、
Ｍｎ：０．０１〜２％、
Ｃｒ：０．０１〜２％、
Ｍｏ：０．０１〜２％、
Ｓｎ：０．１〜１０％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１〜７に記載の自動車排気系用Ａｌ系めっき鋼板。
請求項１〜８に記載の鋼板を溶接によって鋼管に成形されたことを特徴とする自動車排気系用Ａｌめっき鋼管。