JP2009035755A - 二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板および部材 - Google Patents

二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板および部材 Download PDF

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Abstract

【課題】優れた耐赤スケール性、めっき被覆層の耐剥離性、成形性、低温靭性を具備した安価なAl系めっき鋼板を提供する。
【解決手段】質量%で、C:0.02%以下、Si:1%以下、Mn:1%以下、Cr:5〜25%、Ti:0.3%以下、N:0.02%以下であり、さらに必要に応じてNi:0.6%以下、Nb:0.1%以下、Al:0.2%以下、Mo:3%以下、Cu:3%以下、W:3%以下、V:0.5%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼板を基材とし、前記基材を溶融Al系めっき浴に浸漬することにより、平均厚さ3〜20μmの溶融めっき層を表面に形成した耐赤スケール性に優れた二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は、二輪車のエンジン排ガス経路部材(例えばマフラー、触媒担持体、エキゾーストパイプなど)に使用する耐赤スケール性に優れたアルミニウム系めっき鋼板、およびそれを用いた二輪車排ガス経路部材に関する。
二輪車のエンジン排ガス経路は、四輪車と比べ短く、マフラー等の下流部材でも400℃以上の温度に曝されることが珍しくない。最近では排気ガス規制の強化から二輪車にも三元触媒を用いた排ガス浄化装置が搭載されつつあるが、その浄化装置は二輪車の場合、マフラーの中に装着されることが多い。二輪車の排ガス経路部材には、耐熱性の観点からSUH409LやSUS436等の耐熱性フェライト系ステンレス鋼が使用されている。
ステンレス鋼を使用した排ガス経路部材では、赤褐色のスケール(以下「赤スケール」という)が発生することがある。これは排ガス温度が400〜700℃であり、かつ低酸素高水蒸気雰囲気で生じやすい現象である。赤スケールが発生し、それが凝結水と混ざると、赤褐色の液体となる。排ガス経路中の凝結水は排ガスとともに排気口から放出されることがあるが、上記のような赤褐色の液体の放出は外観上非常に好ましくない。
排ガス経路部材の中でマフラーは凝結水が溜まりやすい部位である。一般的な四輪車の場合、マフラーが400℃以上の排ガスに曝されることは稀であり、マフラー内部に生成する赤スケールよりも、内部に結露する凝結水に起因した腐食が問題となりやすい。ところが二輪車の場合、前述のようにマフラーでも400℃以上に曝されることが多いため、マフラー内に赤スケールが生成し、それに起因した赤褐色の液体の放出が問題となりやすい。
特許文献1には、予めCr系酸化物を主体とする酸化皮膜を表面に生成させることによってストーブ燃焼筒等における赤スケールの発生を抑制する技術が開示されている。しかし、その酸化皮膜は耐食性に劣るため鋼素地の耐食性を向上させる対策が必要となり、素材コストの上昇を招く。このため、排ガス経路部材への適用は困難である。特許文献2、3には、AlやSiを多量に添加した鋼により赤スケールを改善する手法が開示されている。しかし、このような高Al、Si添加鋼の成形性は、SUH21(18Cr−3Al系の耐スケール性が良好な鋼種)と比較すると良好であるが、SUH409L、SUS410L、SUS430LX等のフェライト系ステンレス鋼種よりはかなり劣る。このため、二輪車の排ガス経路部材には適さない。
一方、ステンレス鋼等のCr含有鋼にAl系めっきを施した鋼板は、良好な耐酸化性を示すことから、自動車排気系部材に使用可能な種々のものが開発されている(特許文献4〜13)。
特開2001−240911号公報 特開2001−316773号公報 特開2003−160844号公報 特開平8−319543号公報 特開平5−112859号公報 特開平5−295513号公報 特開昭61−147866号公報 特開昭61−147865号公報 特開平7−233451号公報 特開昭63−47356号公報 特開平3−277761号公報 特開平7−188887号公報 特開平8−325691号公報
発明者らの検討によれば、ステンレス鋼等のCr含有鋼板の赤スケール発生に対する抵抗力(以下「耐赤スケール性」という)を向上させるためにはAl系めっきを施すことが有効である。しかしながら、発明者らが上記公知のAl系めっき鋼板について詳細に調査したところ、これらは二輪車排ガス経路部材として広く実用化を図るうえで、改善すべき問題を有していることがわかった。
すなわち、特許文献4のAl系めっき鋼板は、合金層にMn等を濃化させたものであり、まためっき層厚さも十分に薄いとは言えないため、めっき被覆層(本明細書では合金層を含んだ溶融めっき被覆層を「めっき被覆層」と呼ぶ)の耐剥離性が不十分であると判断された。特許文献5、6のめっき鋼板は、めっき層厚さが厚いので、これもめっき被覆層の耐剥離性が不足する。特許文献7、8、10のめっき鋼板は、Ni系のプレめっきを行った後にAl系めっきを施すことによって得られるものであるが、Ni系プレめっきを採用すると製造コストが増大し、コストダウンが強く求められるマフラーや触媒担持体等の排ガス経路部材には容易に採用するわけにいかない。また、400〜700℃域に加熱される場合のめっき被覆層の耐剥離性については、必ずしも満足できるレベルにない。特許文献9のめっき鋼板は、基材に希土類元素またはYを必須添加した鋼を使用することによって1150〜1250℃という高温での異常酸化を防止したものであるが、400〜700℃域への加熱・冷却を繰り返すとめっき被覆層が剥離しやすい。特許文献11、12のめっき鋼板は、めっき層厚さが十分に薄くないので、400〜700℃域への加熱・冷却に対するめっき被覆層の耐剥離性が不十分である。なお、特許文献11に記載される「赤錆」は常温下で腐食が進行した普通鋼に典型的に見られる赤錆であり、本願でいう「赤スケール」とは異質のものである。
このように、公知のAl系めっきステンレス鋼板は、基本的に400〜700℃の温度域に加熱した場合のめっき被覆層の耐剥離性が十分とは言えない。したがって、従来のAl系めっきステンレス鋼板は、400〜700℃の温度域で使用される二輪車のマフラー、触媒担持体などに適用すると、初期には良好な耐食性および耐赤スケール性を呈しても、長期間使用している間にめっき被覆層の剥離が生じ、耐食性の低下や耐赤スケール性の低下を招くようになる。つまり耐久性の点で不安要因を抱えている。一方、排ガス部材用の鋼板としては成形性や低温靭性が良好であることも要求される。また、低コストであることも実用化にとって重要である。
本発明は、二輪車排ガス経路部材に用いるためのAl系めっき鋼板であって、優れた耐赤スケール性、成形性、低温靭性を具備し、かつ400〜700℃の温度域に繰り返し加熱した際には、めっき被覆層の耐剥離性が顕著に改善される安価なAl系めっき鋼板を提供することを目的とする。
発明者らは詳細な検討の結果、Al系めっき層の厚さを20μm以下に薄くコントロールすることによってAl系めっき被覆層の耐剥離性が顕著に改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は、鋼素地の組成が質量%で、C:0.02%以下、Si:1%以下、Mn:1%以下、Cr:5〜25%、Ti:0.3%以下、N:0.02%以下であり、さらに必要に応じてNi:0.6%以下、Nb:0.1%以下、Al:0.2%以下、Mo:3%以下、Cu:3%以下、W:3%以下、V:0.5%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物である鋼板を基材とし、
前記基材を、質量%で、Si:3〜12%を含有し、場合によってはさらにTi、B、Sr、Cr、Mg、Zrの1種以上を合計1%以下の範囲で含有し、残部Alおよび不可避的不純物からなる溶融めっき浴に浸漬したのち引き上げ、めっき付着量を調整することにより、平均厚さ3〜20μmのめっき層を表面に形成した耐赤スケール性に優れた二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板が提供される。
また本発明では、上記のめっき鋼板を素材に用いて構成され、前記めっき層が排ガスと接触する構造を有する、最高使用温度が400℃以上の二輪車排ガス経路部材が提供される。
本発明のAl系めっき鋼板は、耐赤スケール性に優れるとともに、400〜700℃の温度域に繰り返し加熱された場合におけるめっき被覆層の耐剥離性に優れるので、当該温度域に加熱されて赤スケールの生じやすい環境で使用される二輪車の排ガス経路部材(例えばマフラー部材)に好適である。また製造コストも一般的なAlめっきステンレス鋼板と同等以下に抑えられる。したがって本発明は、二輪車の排ガス経路部材の品質向上および耐久性向上に寄与しうる。
フェライト系ステンレス鋼等の高Cr鋼を高温に加熱すると、一般にCr濃度の高い酸化物(Cr系酸化物)が鋼素地表面に形成される。このCr系酸化物は保護性が高いので、高Cr鋼は低Cr鋼に比べ一般的に良好な耐高温酸化性を有する。ところが、このような高Cr鋼であっても、400〜700℃の温度域で、かつ低酸素高水蒸気雰囲気に加熱した場合には、その初期酸化過程においてCr系酸化物よりもFe系酸化物が生成されやすいことがわかっている。これは、当該温度域では鋼素地表面をCr系酸化物で覆うに足るだけのCrが表面に迅速に拡散することができず、むしろ表面に多量に存在するFeの方が低酸素高水蒸気雰囲気下では優先的に酸化されるためであると考えられる。赤スケールは、上記のようにして表面に生成するFe濃度の高い酸化物によって構成される。
赤スケールの生成を防止するには、上記温度および雰囲気において、鋼素地表面にFe系酸化物が形成されないようにすればよい。その一手段として、Al系めっきを施すことが有効である。この場合、めっき層表面のAlが迅速に酸化され、鋼板表面はAl系酸化皮膜で覆われる。
しかしながら、発明者らの調査によると、Al系めっき被覆層は、400〜700℃の温度への加熱および冷却を繰り返すと、鋼素地表面から剥離しやすいことがわかった。このことが従来のAl系めっき鋼板を二輪車のマフラー部材等に使用した場合に必ずしも良好な耐久性を示さない大きな要因になっている。溶融Al系めっき鋼板を400〜700℃に加熱すると、めっき層中のAlと鋼素地のFeが相互拡散することによりFe−Al系の金属間化合物層が生成し、この金属間化合物層と鋼素地の間で剥離が生じる。このようにしてめっき被覆層が剥離すると、そこから新たに赤スケールが発生するようになる。
発明者らはAl系めっき鋼板のめっき被覆層剥離を防止する手法について詳細に検討を行ってきた。その結果、Al系めっき層の厚さを薄くすることが、400〜700℃の温度域で、かつ低酸素高水蒸気雰囲気に加熱した場合のAl系めっき被覆層の剥離現象を抑止する上で極めて有効であることを見出した。この場合、基材鋼板の化学組成や、Al系めっき層の組成・組織状態、あるいは合金層の組成等に特別の規制を設ける必要はない。
〔Al系めっき層の厚さ〕
具体的には、溶融Al系めっき鋼板において、Al系めっき層の平均厚さを片面当たり20μm以下に抑えることにより、安定して優れた耐剥離性を呈するようになる。ここで、Al系めっき層の平均厚さは、合金層を含まない厚さである。溶融めっき付着量は周知のようにガスワイピング法等により調整できるが、片面当たりのめっき付着量そのものが20μm以下になるようにコントロールすれば、その一部は鋼素地と反応して合金層となるので、形成されるAl系めっき層の平均厚さが20μmを超えることはない。合金層が比較的厚めに形成される操業条件であれば、めっき付着量を20μmより多少厚めに設定しても、めっき層の平均厚さを20μm以下とすることができる場合がある。Al系めっき層の平均厚さを15μm未満とすることにより、耐剥離性は一段と向上する。したがって、片面当たりのAl系めっき層の平均厚さが15μm未満であるものは、本発明において特に好ましい対象となる。
一方、赤スケールを防止する観点からは、Al系めっき層の厚さは厚いほど好ましい。種々検討の結果、後述のように組成調整された基材鋼板を使用した上で、片面当たりのAl系めっき層の平均厚さを3μm以上を確保する必要がある。それよりめっき層が薄くなると赤スケールの発生を安定して防止することが難しくなる。4μm以上の平均厚さを確保することがより好ましく、5μm以上とすることが一層好ましい。
〔合金層の厚さ〕
合金層は、鋼素地やめっき層に比べて脆い。このため、合金層の厚さは加工性を考慮すると薄い方が好ましい。加工度の低い部材用途では特にこだわる必要はないが、厳しい加工を施す場合には片面当たりの合金層平均厚さは5μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましい。ガスワイピング法を用いた溶融Al系めっきラインにおいて、このような薄い合金層厚さのものを製造することが十分可能である。めっき層厚さと合金層厚さの合計厚さで見ると、片面当たりの「Al系めっき層の平均厚さ+合金層の平均厚さ」が24μm以下になるように合金層厚さをコントロールすることが望ましい。
〔Al系めっき浴の組成〕
Al−Si合金系では、AlにSiを添加していくと液相線温度が低下し、約12質量%Si付近で共晶組成となる。本発明では3質量%以上のSiを含有する溶融Al系めっき浴を使用する。それよりAlリッチの組成になると浴温が高くなるので、合金層の平均厚さを薄く(例えば5μm以下に)抑制することが難しくなる。また、浴温の上昇は製造コストの増大を招く要因にもなる。ただし、Si含有量が12質量%を超えるとAl系めっき層自体の加工性が低下し、問題となりやすい。したがって、本発明では3〜12質量%のSiを含有する溶融Al系めっき浴を使用して製造されるめっき鋼板を対象とする。
Al系めっき浴中には、Ti、B、Sr、Cr、Mg、Zrの1種以上が合計1%以下の範囲で含有されていて構わない。その他、浴中には不可避的不純物としてFeが含まれるが、Feの混入は2.5質量%以下の範囲で許容される。
〔基材鋼板〕
めっき原板となる基材鋼板は、Crを5〜25質量%含有する高Cr鋼が対象となる。Al系めっきを施すことによって耐食性および耐酸化性が向上することから、必ずしもステンレス鋼レベルのCr含有量は必要としないが、結露水や水蒸気と接触する環境に曝される二輪車排ガス経路部材として要求される耐食性を確保し、かつ耐赤スケール性を確保するためには、少なくとも5質量%以上のCr含有量が必要である。10質量%以上のCr含有量を確保することがより好ましい。Cr含有量の増加に伴って耐食性および耐熱性は向上するが、過剰のCr含有は不経済であり、また成形性や低温靭性を阻害する要因になるので、基材鋼板のCr含有量は25質量%以下の範囲に規定される。
Tiは、鋼中のC、Nを固定し、フェライト相の安定化を図るとともに、低温靭性や成形性を高めるために有効な元素である。これらの作用を十分に引き出すためには0.05質量%以上のTi含有量を確保することが好ましく、0.1質量%以上とすることがより好ましい。しかし、過剰のTi含有は鋼を硬質化し、逆に加工性および低温靭性の低下を招くことになる。したがってTi含有量は0.3質量%以下の範囲に制限され、0.2質量%以下の範囲で添加することがより好ましい。
C、Si、Mn、Nは鋼中に含まれる基本元素であり、それらの含有量はC:0.02%以下、Si:1%以下、Mn:1%以下、N:0.02%以下の範囲とすることができる。その他の元素として、Ni:0.6%以下、Nb:0.1%以下、Al:0.2%以下、Mo:3%以下、Cu:3%以下、W:3%以下、V:0.5%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有して構わないが、これらの元素の含有量が上記規定を超えると成形性や低温靭性に悪影響を及ぼすことがある。不可避的不純物であるPは0.04質量%程度まで、またSは0.03質量%程度まで許容される。
〔製造方法〕
基材鋼板は、一般的な鋼板製造プロセスによって製造することができ、その製造法は特に規定されるものではない。例えば酸洗仕上の冷延鋼板を基材とすることができ、基材鋼板の表面が活性化された状態で溶融Al系めっき浴に浸漬したのち引き上げ、めっき付着量を調整することにより、本発明の溶融Al系めっき鋼板を製造することができる。また、めっき性を向上させるためにFeプレめっきを施したものを基材鋼板として採用することができる。基材鋼板を鋼帯の状態で連続溶融めっきラインに通板することにより、安定した品質の溶融Al系めっき鋼板を大量生産することができる。めっき条件は、めっき層の平均厚さが片面当たり20μm以下になるようにライン速度やワイピング条件をコントロールすることが重要であるが、それ以外は従来一般的な条件を採用すればよい。得られためっき鋼板は、所定の成形加工を経て二輪車用の排ガス経路部材に加工される。部材によっては溶接造管に供された後、成形加工される。
表1に示す組成のフェライト系鋼種を溶製し、常法により板厚1.2mmの冷延焼鈍鋼板(酸洗仕上げ材)を得た。いずれの鋼種も不可避的不純物であるPは0.04質量%以下、Sは0.01質量%以下に収まっている。これらの鋼板を基材(めっき原板)に用いて、種々の溶融Al系めっきを施した。なお、No.19、29については冷延焼鈍鋼板の表面にFeプレめっき(2g/m2)を施したものを基材とした。また、全ての実施例のめっき浴中には不可避的不純物としてFeが1.7質量%程度含まれている。得られた溶融Al系めっき鋼板(供試材)の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察することにより、Al系めっき層の平均厚さを求めた。なお、その際、合金層の平均厚さも調べた結果、一部の比較例を除き、全て4μm以下であった。
Figure 2009035755
各供試材について、耐赤スケール性、めっき被覆層の耐剥離性、成形性、低温靭性を以下のようにして評価した。
〔耐赤スケール性〕
供試材から25mm×35mmの試験片を切り出し、これを用いて以下の2通りの加熱モードで酸化試験を実施した。試験数は各モードn=3とした。
・連続加熱; 露点80℃の窒素雰囲気中、600℃で100時間連続加熱する。
・サイクル加熱; 「露点80℃の窒素雰囲気中、600℃で30分加熱(うち均熱時間25分)→空冷5分」を1サイクルとし、これを500サイクル繰り返す。
各加熱モードを実施した試験片について、目視観察により赤褐色の変色の有無を調べた。また、酸化増量および酸化減量(スケール剥離量)を測定した。n=3全ての試験片について、(i)赤褐色の変色が認められないこと、(ii)酸化増量が0.2mg/cm2未満であること、(iii)酸化減量が0.2mg/cm2未満であること、の3つをクリアした供試材を○(良好)、それ以外を×(不良)と評価した。
〔めっき被覆層の耐剥離性〕
供試材から25mm×35mmの試験片を切り出し、これを用いて以下に示す600℃サイクル加熱、および700℃サイクル加熱を実施した。試験数は各温度n=5とした。
・600℃サイクル加熱; 「露点80℃の窒素雰囲気中、600℃で30分加熱(うち均熱時間25分)→空冷5分」を1サイクルとし、これを1000サイクル繰り返す。
・700℃サイクル加熱; 「露点80℃の窒素雰囲気中、700℃で30分加熱(うち均熱時間25分)→空冷5分」を1サイクルとし、これを1000サイクル繰り返す。
各温度で実施した試験片について、目視観察によりめっき被覆層の剥離の有無を調べた。各温度5個(n=5)×温度2水準の計10個の試験片全てについて、めっき被覆層の剥離が認められなかった供試材を○(良好)、それ以外を(不良)と評価した。
また、上記1000サイクルの試験で○評価が得られた供試材については、同様の600℃サイクル加熱、および700℃サイクル加熱を2000サイクルまで実施した。2000サイクル後に、各温度5個(n=5)×温度2水準の計10個の試験片全てについて、めっき被覆層の剥離が認められなかった供試材を◎(特に良好)と評価した。
〔成形性〕
各供試材(板厚1.2mmの溶融Al系めっき鋼板)から圧延方向を長手方向とする引張試験片(JIS 13B号)を作成し、n=3でJIS Z2241に準拠した引張試験を実施して伸びを測定した。n=3の伸びの平均値をその供試材の伸びとした。板厚1.2mmの材料において伸びが30%以上であれば二輪車用の排ガス経路部材に加工可能な良好な成形性を具備すると判断できることが、種々の実験から判っている。したがって、伸びが30%以上の供試材を○(良好)、それ以外を×(不良)と評価した。
〔低温靭性〕
各供試材(板厚1.2mmの溶融Al系めっき鋼板)から長手方向が圧延方向に対して直角方向となるように55mm×10mmの試験片を切り出し、その中央部に2mmVノッチを形成することにより、ノッチ付き衝撃試験片を作製した。JIS Z2202の定義によると、高さ10mm、幅1.2mm、長さ55mm、ノッチ下の高さ8mmとなる。この試験片を用いてJIS Z2242に準拠したシャルピー衝撃試験を実施し、脆性破断発生温度が−75℃以下と判断された供試材を○(良好)、それ以外を×(不良)と評価した。
これらの結果を表2、表3に示す。
Figure 2009035755
Figure 2009035755
表2からわかるように、Al系めっき層の平均厚さが3〜20μmの範囲にある本発明例のものは、いずれも優れた耐赤スケール性およびめっき被覆層の耐剥離性を示した。特にめっき層の平均厚さを15μm未満としたものは、一層優れた耐剥離性を呈した。
これに対し、比較例であるNo.51、54はAl系めっき層の平均厚さが薄すぎたことにより耐赤スケール性に劣った。No.52、53、55、56、57はAl系めっき層の平均厚さが20μmを超えて厚かったことにより、めっき被覆層の耐剥離性に劣った。このうちNo.57は基材鋼板のTi含有量が多すぎたことにより低温靭性にも劣った。No.58は基材鋼板のCr含有量が、No.59は基材鋼板のMo含有量がそれぞれ多すぎたことにより成形性および低温靭性に劣った。No.60は基材鋼板のSi、Mn含有量が多すぎたことにより低温靭性に劣った。No.61は基材鋼板のCr含有量が少なすぎたことにより耐赤スケール性に劣った。No.62は基材鋼板のCu含有量が多すぎたことにより成形性および低温靭性に劣った。

Claims (4)

  1. 質量%で、C:0.02%以下、Si:1%以下、Mn:1%以下、Cr:5〜25%、Ti:0.3%以下、N:0.02%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板を基材とし、
    前記基材を、質量%で、Si:3〜12%、残部Alおよび不可避的不純物からなる溶融めっき浴に浸漬したのち引き上げ、めっき付着量を調整することにより、平均厚さ3〜20μmのめっき層を表面に形成した耐赤スケール性に優れた二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板。
  2. 基材の鋼板は、さらにNi:0.6%以下、Nb:0.1%以下、Al:0.2%以下、Mo:3%以下、Cu:3%以下、W:3%以下、V:0.5%以下、Co:0.5%以下、B:0.01%以下の1種以上を含有するものである請求項1に記載の耐赤スケール性に優れた二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板。
  3. 前記溶融めっき浴は、さらにTi、B、Sr、Cr、Mg、Zrの1種以上を合計1%以下の範囲で含有するものである請求項1または2に記載の耐赤スケール性に優れた二輪車排ガス経路部材用Al系めっき鋼板。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載のめっき鋼板を素材に用いて構成され、前記めっき層が排ガスと接触する構造を有する、最高使用温度が400℃以上の二輪車排ガス経路部材。
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