JP2014005501A

JP2014005501A - 鉄鋼材料およびその製造方法

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Publication number: JP2014005501A
Application number: JP2012141847A
Authority: JP
Inventors: 悦男 ▲濱▼田; Etsuo Hamada; Katsumi Yamada; 克美山田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: JP5895735B2

Abstract

【課題】表面処理のための処理廃液を発生させることなく、加工性に優れた鉄鋼材料を提供する。
【解決手段】酸素分圧20Pa〜8000Paの雰囲気下で690℃〜820℃に加熱することにより形成される板状の酸化鉄を表面に有する。前記板状の酸化鉄は、高さが1μm以上15μm以下、幅が0.2μm以上2μm以下、厚さが前記幅より小さくかつ0.5μm以下である。さらには、鉄鋼材料の表面方向への長さ1mmあたり20本以上の存在密度で存在する。
【選択図】図1

Description

本発明は、加工性に優れた鉄鋼材料、特に鋼板、およびその製造方法に関するものである。

鉄鋼材料は成形加工して用いることが多く、加工性は特に重要な要求特性である。複雑な加工、強加工などを施す場合、鉄鋼材料の割れやカジリなどの抑制が課題となる。
この対策として、鉄鋼材料の表面に各種リン酸塩を形成させる、いわゆるボンデ処理（例えば、特許文献１）が確立されている。しかしながら、ボンデ処理では、リン酸塩処理液の廃液が発生するため環境負荷の点で課題がある。また、電気めっきを施すことも知られているが、この場合においてもめっき廃液が発生するため環境負荷の点で課題がある。

石井均著表面技術協会編「表面技術」２０１０年 Vol.６１、p.２１６

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、処理廃液を発生させることなく、加工性に優れた鉄鋼材料を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した結果、特定条件の酸化環境下において鉄鋼材料表面を酸化させることで、その表面に板状の酸化鉄を生成させ、このような酸化鉄を表面に有する鉄鋼材料は良好な加工性を有することを見出した。

本発明は上記知見に基づくものであり、特徴は以下の通りである。
［１］高さが1μm以上15μm以下、幅が0.2μm以上2μm以下、厚さが前記幅より小さくかつ0.5μm以下である板状の酸化鉄が、鉄鋼材料の表面方向への長さ1mmあたり20本以上の存在密度で、鉄鋼材料の表面に存在することを特徴とする鉄鋼材料。
［２］鉄鋼材料の表面を酸素分圧20Pa〜8000Paの雰囲気下で690℃〜820℃に加熱することにより、鉄鋼表面に前記板状の酸化鉄を生成させることを特徴とする前記［１］に記載の鉄鋼材料の製造方法。

本発明によれば、加工性に優れた鉄鋼材料が得られる。
また、表面処理のための処理廃液を発生させることなく、加工性を向上させることが可能となるため、実用性に優れた鉄鋼材料となる。

本発明の鋼板表面のＳＥＭ像であり、酸素１００Ｐａの雰囲気下で７６５℃に加熱した場合である。酸素１０Ｐａの雰囲気下で７６５℃に加熱した鋼板表面のＳＥＭ像である。本発明の鋼板表面のＳＥＭ像であり、酸素２０Ｐａの雰囲気下で７６５℃に加熱した場合である。本発明の鋼板表面のＳＥＭ像であり、酸素８０００Ｐａの雰囲気下で７６５℃に加熱した場合である。酸素１００００Ｐａの雰囲気下で７６５℃に加熱した鋼板表面のＳＥＭ像である。酸素１００Ｐａの雰囲気下で６７０℃に加熱した鋼板表面のＳＥＭ像である。本発明の鋼板表面のＳＥＭ像であり、酸素１００Ｐａの雰囲気下で６９０℃に加熱した場合である。本発明の鋼板表面のＳＥＭ像であり、酸素１００Ｐａの雰囲気下で８２０℃に加熱した場合である。酸素１００Ｐａの雰囲気下で９００℃に加熱した鋼板表面のＳＥＭ像である。１０％Ｈ_２−Ｎ_２雰囲気下で８５０℃に加熱した鋼板表面のＳＥＭ像である。平板摺動試験機を模式的に示す図である。板状酸化鉄を模式的に示す図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明で対象とする鉄鋼材料について説明する。
本発明において、素材として使用する鉄鋼材料については、鋼種等に特段の制約は無い。焼鈍処理を行う前の冷延鋼板を使用することもできる。

そして、本発明では、鉄鋼材料の表面に板状の酸化鉄を有することを特徴とする。ここで、鉄鋼材料の通常の自然酸化膜はSEMで観察できない程度薄い。具体的には、鉄鋼材料表面から垂直方向高さ（厚さ）が10nm以下である。一方、本発明の板状の酸化鉄はSEMで観察可能な十分な大きさを有し、後述するように鉄鋼材料表面からの垂直方向高さが前記自然酸化膜よりもかなり大きいものである。また、自然雰囲気に鉄鋼鋼材をさらした際に生成する、いわゆる「さび」と通常言われる物は、水酸化鉄やオキシ水酸化鉄などが成分として含まれているのに対し、本発明の板状の酸化鉄は水酸化鉄やオキシ水酸化鉄などを含まず、ヘマタイト、マグネタイト、ウスタイトからなっている。

本発明の板状の酸化鉄は、図１に示すような形態、つまり、鉄鋼材料の表面におよそ垂直に生成している板状酸化鉄であり、高さが１μm以上１５μm以下であり、幅が０．２μm以上２μm以下であり、厚さは幅より小さくかつ０．５μm以下である。なお、板状酸化鉄の高さ、幅、厚さとは、図１２(a)に示すように、板状酸化鉄の鉄鋼材料表面から最も遠い部分と鋼材表面との距離を板状酸化鉄の高さ、板状酸化鉄の横方向(鋼材表面に水平方向)の幅にあたる部分の最大長さを板状酸化鉄の幅、幅に垂直な厚さにあたる部分の最大厚さを板状酸化鉄の厚さとする。また、さらに鉄鋼材料の表面方向への長さ1mmあたり20本以上の存在密度で、板状の酸化鉄が鉄鋼材料の表面に存在する。

上記板状酸化鉄の高さ、幅、厚さは、ＴＥＭやＳＥＭを用いて測定することができる。

また、板状酸化鉄の存在密度は、以下の方法にて測定することができる。樹脂に試料を埋め込んで断面研磨をする、もしくはFIB装置で断面試料を作製するなどして、SEMで断面を観察して鉄鋼材料表面1mmの長さあたり何本板状酸化鉄が生成しているかを測定する。なお、鉄鋼材料の断面において板状酸化鉄が複数本密接しており、分離して数えることができない場合には、原則これらを1本として数える。具体的には、図１２(b)に示すように、板状酸化鉄の最大高さに対して５分の１の高さ以上のところで分岐しているものは同じ１本の板状酸化鉄とする。一方、図１２(c)に示すように、板状酸化鉄の最大高さに対して５分の１の高さ未満のところで分岐しているものは違う板状酸化物とし、板状酸化物は合計２本とする。

このような板状酸化鉄の生成した鉄鋼材料が良好な加工性を有する理由は不明であるが、板状の酸化鉄が鉄鋼材料の表面に密に生成することで油保持性が高くなることが一因であると推察される。

板状酸化鉄の高さが１５μm超えになると板状酸化鉄が鉄鋼材料表面から剥離しやすくなり、剥離した酸化鉄が汚れとなり目立つ場合がある。高さが１μm未満の場合は、本発明の効果を充分に発揮しない。また、幅が０．２μｍ未満になると油保持性が不十分となると考えられ、良好な加工性が得られなくなる。一方、幅が２μm超えの場合、理由は不明であるが、十分な加工性を得られない。さらに、鋼材表面方向への長さ１mmあたり２０本以上の存在密度で上記の板状酸化鉄が存在することで、加工性が十分となり、２０本未満では十分な効果が得られない。

本発明の一実施態様として板状の酸化鉄の一例を図１に示す。図１は、板状の酸化鉄が表面に密に生成した鋼板表面を走査電子顕微鏡により観察（電子線入射方向に対して試料を45°傾斜させて観察）した結果を示す図（以下、ＳＥＭ像と称す）である。別途板状酸化鉄のＴＥＭ試料を抽出レプリカ法で作製し、ＴＥＭ観察した結果、鋼板表面の板状酸化鉄は、高さが１μm〜15μm、幅が0.2μm〜2μmとなっていた。また、鋼板の任意の断面において板面方向への長さ１mmあたり２０以上の存在密度で上記の板状酸化鉄が存在していた。なお、鋼板の断面において酸化鉄が複数本密接しており、分離して数えることができない場合には、上記のように、これらを1本として数えた。
図２〜図９に様々な条件下で酸化させた鋼板表面のＳＥＭ像を示す。図３、図４、図７、図８は本発明の他の実施態様であり、鋼板表面には図１と同様に板状の酸化鉄が生成している。一方、図２、図５、図６、図９は鋼板表面を加熱する際の酸素分圧もしくは温度が本発明の範囲外のため、本発明の板状の酸化鉄は生成していない。

上述したように、本発明の板状の酸化鉄を表面に形成させるためには、酸素分圧20Pa〜8000Paの雰囲気下で６９０℃〜８２０℃に加熱する。酸素分圧が20Pa未満では板状酸化鉄が生成しない、もしくは本発明の範囲より小さな板状酸化鉄しか生成しない。一方、8000Pa超えでは板状酸化鉄が生成しないことに加え、酸化鉄が過剰に生成し鋼板と酸化鉄との密着性が低下する。また、加熱温度が６９０℃未満では、もしくは、８２０℃超えでは板状酸化鉄が生成しない。

雰囲気は酸素分圧を全圧とするか（酸素のみとするか）、もしくは、酸素以外の残圧（酸素以外の成分）は不活性ガスを用いることが望ましい。また、加熱時間は、温度、酸素分圧の影響により異なってくるので、本発明範囲内の酸素分圧と温度のもとで加熱時間を変更した数種の予備試験を行ない、鋼材表面の酸化鉄の生成状態をSEMにて観察し、本発明の板状酸化鉄ができる条件を加熱時間として設定することができる。

冷延鋼板（軟鋼）を供試材として用いた。表１に示す条件で冷延鋼板を加熱処理した。昇温は５０℃/分の速度で室温から所定の温度まで昇温し、所定温度に到達次第加熱を停止し自然冷却させた。図１〜図９にその表面ＳＥＭ像を示す。本発明例の冷延鋼板には、高さが１〜15μm、幅が０．２μm〜２μmの酸化鉄が密に生成していた。高さが１μm以上の任意の板状酸化鉄１０本を選んでＴＥＭを用いた電子回折図形を取得して解析したところ、すべてヘマタイトからなっており、オキシ水酸化鉄や水酸化鉄は含まれていなかった。

比較例として、上記と同様の冷延鋼板を一気圧の１０％Ｈ_２−Ｎ_２雰囲気下において、昇温速度５０℃/分で室温から８５０℃まで加熱した後、自然冷却させた（試料No１０）。図１０にその表面ＳＥＭ像を示す。この場合、図１０に示すように鋼板表面には自然酸化膜レベルの酸化物しか存在しないことがわかる。

比較例として、上記と同様の冷延鋼板を焼鈍した後に、Ni-Pめっき、もしくはリン酸マンガン化成処理を施した（試料No１１、１２）。Ni-Pめっきは電気めっき法によって施し、付着量を２００mg/m²とした。リン酸マンガン処理は、日本パーカライジング社のPF-M1A処理液を用いて行い、付着量を１０g/m²とした。

以上により得られた鋼板に対して、上記鋼板表面の摺動特性を、摩擦係数と耐かじり性で評価した。
摺動特性評価には、平板摺動試験機を用いた繰り返し摺動試験を採用した。図１１に示すように、長さ３mm、幅１０mmの材質SKD１１のビードを用い、荷重８００kgf、摺動速度１m/min、摺動距離１００〜１２０mm で行った。潤滑油はR３５２L を用いた。塗油は摺動前に施したのみで、繰り返し摺動の途中での追加塗油は行わなかった。
摺動１回目の摩擦係数、および、繰返し摺動回数で特性を評価した。摺動１回目の摩擦係数が０．１５０以下、且つ繰り返し摺動２０回までカジリが発生しなかった場合を良好とした。

表１に示すように、本発明例は良好な摺動特性を示していることがわかる。また、めっき処理、ボンデ処理を行った比較例No１１、１２と比べても、本発明例では、加工性が同等もしくはそれ以上となっていることがわかる。ただし、前述したように、めっき処理、ボンデ処理を行った比較例No１１、１２では、廃液が発生し環境負荷の点で課題がある。

Claims

高さが1μm以上15μm以下、幅が0.2μm以上2μm以下、厚さが前記幅より小さくかつ0.5μm以下である板状の酸化鉄が、鉄鋼材料の表面方向への長さ1mmあたり20本以上の存在密度で、鉄鋼材料の表面に存在することを特徴とする鉄鋼材料。
鉄鋼材料の表面を酸素分圧20Pa〜8000Paの雰囲気下で690℃〜820℃に加熱することにより、鉄鋼表面に前記板状の酸化鉄を生成させることを特徴とする請求項１に記載の鉄鋼材料の製造方法。