JP4785171B2 - バネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関において、シリンダを始めとする各開口部のシール材として使用される、加工性およびばね性に優れたバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法に関する。特に、自動車のエンジンのシール用ガスケットに代表される材料の製造方法に関する。
自動車のエンジン回りには、シリンダーヘッドガスケットをはじめとして多くのガスケットが使用されている。このガスケット用材料として、従来はアスベストが使用されてきたが、環境問題およびエンジンの高性能化等に対処するため非アスベスト材料が模索されている。
前記アスベスト代替材料として、アラミド繊維や黒鉛を用い、軟鋼板との複合加工としたものが使用されている。また、従来のガスケット構造と全く異なるものとして、ステンレス鋼にゴム塗料を塗装したものも使用されている。
従来、冷延鋼板をガスケット用材料に用いたケースとして、再結晶温度以上に加熱した後、急冷する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、急冷するため、急冷後、冷延鋼板にそりが発生し、平坦性の点で問題がある。
また、ステンレス鋼板を提供する例が開示されている（例えば、特許文献２参照照）。しかし、ステンレス鋼板は高価であるため、不経済である。
本出願に関する先行技術文献情報として次のものがある。
しかし、前記アラミド繊維や黒鉛を用いたものや、ステンレス鋼にゴム塗料を塗装したものは、他の材料との複合加工を行う必要があるため、コストアップとなるという問題がある。
図３はガスケット材の使用態様を示す模式断面図である。この図３に示すように、シリンダ４３とシリンダヘッド４４との間に介装されるガスケット材４１は、シール性を向上させるため、ビード部４２が形成されている。このため、ガスケット材４１としての要求は、ビード加工時の加工性とばね性である。この加工性とばね性とは金属学上相反する性質である。
即ち、一般に加工性を向上させるには鋼材を軟化させるのがよく、一方ばね性を向上させるためには、鋼材を硬化させるのがよい。この硬化させる方法としては、焼鈍後の高い圧延率にて冷間圧延する方法が、安価で容易な手段として一般的であるが、この方法においては、冷間圧延後の機械特性が圧延方向に平行な方向と直角な方向とで異なるという異方性が生じ、ビード加工の際にある方向のみ割れが発生することがあるという問題点があった。
従って、本発明においては、安価で、かかる加工性とばね性との調和をとりながら、すぐれたガスシール性を有するばね性に優れたガスケット用材料となるバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
更に、本発明の他の目的は、シリンダ用開口部のシール性能に必要なばね性が特に良好であり、冷却水用開口、潤滑油用開口、およびボルト孔等の各種開口部についてもよく適応でき、ばね性の良好なシール性能が得られるばね性に優れたガスケット材を提供することを目的とし、その強度はＪＩＳ５号片の引張強度（抗張力：以下、「Ｔ．Ｓ．」という）で８００ＭＰａ以上を必要とする。また、ガスケットは前記のようにビード部の加工に対しては、８％以上の伸び（全伸び：以下、「Ｔ．ＥＬ．」という）が必要である。
更に、ばね性が要求されるばね用途の他に、ガスケット材としては、図４に示すように、折り曲げ加工が要求される加工用途もある。その場合、その強度はＪＩＳ５号片の引張強度（Ｔ．Ｓ．）で７００ＭＰａ以上を必要とし、１０％以上の伸び（Ｔ．ＥＬ．）、望ましくは、１２％以上のＴ．ＥＬ．が必要である。
本発明者らが鋭意研究した結果、平均結晶粒径が５μ以下の熱延鋼板を酸洗し、冷間圧延率と焼鈍温度、焼鈍時間を組み合わせて、加工性を有する高強度極薄冷延鋼板を製造することが可能であることが判明し、本発明が完成された。
前記目的を達成するため、請求項１記載のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法は、
質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ：≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１０〜０．０１６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．００１０〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的な不純物よりなる冷延鋼板を、冷間圧延率３０〜９０％で冷間圧延し、７００〜８３０℃で連続焼鈍し、その後圧延率６０％以下で２次冷間圧延を行い、ＴＳ（引張強度）＞８００Ｍａ、Ｔ．ＥＬ（伸び）＞８％とすることを特徴とする。
質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ：≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１０〜０．０１６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．００１０〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的な不純物よりなる冷延鋼板を、冷間圧延率３０〜９０％で冷間圧延し、７００〜８３０℃で連続焼鈍し、その後圧延率６０％以下で２次冷間圧延を行い、ＴＳ（引張強度）＞８００Ｍａ、Ｔ．ＥＬ（伸び）＞８％とすることを特徴とする。
請求項２記載のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法は、
前記バネ用高強度極薄冷延鋼板が、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、当該マルテンサイトが体積率で６〜３０％である組織を有することを特徴とする。
前記バネ用高強度極薄冷延鋼板が、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、当該マルテンサイトが体積率で６〜３０％である組織を有することを特徴とする。
これにより本発明のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法によれば、ガスケット材は、安価で、加工性とばね性との調和をとりながら、すぐれたガスシール性を有するものとなる。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明の原板となるガスケット用材料となる高強度極薄冷延鋼板の鋼成分は、重量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ：≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１０〜０．０１６０％、残部Ｆｅおよび不可避的な不純物よりなる。また、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％およびＢ：０．００１〜０．０１％の内、１種または２種を更に含有するとより望ましい。
Ｃはガスケット用材料となる高強度極薄冷延鋼板に高い調質度のため、０．０３重量％以上であることが望ましい。しかし、Ｃが０．２重量％を超えると、炭化物析出量が増大し鋼板の加工性の低下をもたらすと同時に、冷間圧延の負荷の増大、形状の劣化、連続焼鈍工程での通板性阻害等、生産性低下の原因となる。そのため本発明においてはＣ成分の上限値を０．２０重量％とする。
Ｓｉは、鋼中では大きな固溶強化機能を持ち、ばね性を得るのに有効な元素である。従って、０．１重量％以上は必要である。また、Ｓｉは、材質強化面では、多いほど良いが、冷間圧延の負荷の増大、形状の劣化を招くため上限値を０．５０重量％とする。
Ｍｎは不純物であるＳによる熱延中の赤熱脆性を防止するために必要な成分であると同時に、前記のＣと同様に原板に高い調質度を与えるため、Ｍｎ成分は０．５重量％以上とする。しかし、ここでもＣ同様に、多過ぎると冷間圧延の負荷の増大、スラブ圧延中の割れ発生、形状の劣化、連続焼鈍工程での通板性阻害等、生産性低下の原因となるため、Ｍｎ成分は上限値を３．０重量％とする。
Ｐは結晶粒微細化成分であり、また原板の強度を高めることから一定の割合で添加されるが、一方で耐食性を阻害する。本発明の用途としては、Ｐが０．１０重量％を超えると耐食性、特に耐孔明性が著しく低下するためＰ成分の上限値を０．１０重量％とする。
Ｓは熱延中において赤熱脆性を生じる不純物成分であり、極力少ないことが望ましいが、鉄鋼石等からの混入を完全に防止することができず、工程中の脱硫も困難なことからある程度の残留もやむをえない。少量の残留Ｓによる赤熱脆性はＭｎにより軽減できるため、Ｓ成分の上限値は０．０６重量％とする。
Ａｌは製鋼に際し脱酸剤として鋼浴中に添加されるが、０．１０重量％以上になると連続鋳造時に酸化抑制剤、および、連続鋳造での鋳型への焼き付き防止剤として使用する鋳型パウダー中の酸素と過剰Ａｌが反応し、本来のパウダー効果を阻害する。したがって、Ａｌ量は０．１０重量％以下とする。
ＮはＣ，Ｍｎと同様に原板に高い調質度を与える。耐力強化のために必要な成分であるが、０．００１重量％より少なくすることは製鋼上の困難を生じ、また一方０．０１６０重量％を超える添加は製鋼時に添加するフェロ窒化物の歩留の低下が著しく、安定性に欠けると同時に、プレス成形時の異方性を著しく劣化させる。さらに連続鋳造片の表面に割れが生じ、鋳造欠陥となるため本発明ではＮ成分範囲を０．００１〜０．０１６０重量％とする。
Ｔｉ、Ｎｂは炭窒化化合物を形成しやすく、結晶粒を微細化する効果ある。Ｎｂは下限を０．００５重量％、Ｔｉは０．０１重量％とする。また、いずれの元素も多すぎると再結晶温度を上昇させ、連続焼鈍温度を上げなければならず、コスト増である。そこで、Ｔｉの上限は０．２重量％、Ｎｂの上限を０．１重量％とする。
Ｂは本発明の重要な組織であるマルテンサイトを得るために必要な元素であることと粒界に偏析しやすく、結晶粒粗大化を低減し結晶粒を微細化する効果があるため、必要に応じて０．００１重量％以上を添加する。また、多過ぎてもその効果が飽和するため、コストなどの理由から、Ｂ成分の上限を０．０１重量％とする。
熱間圧延
熱間圧延工程における鋼片加熱温度は本発明において特定するものではないが、Ｎの積極的分解固溶および熱間仕上圧延温度の安定的確保の見地から１１００℃以上とするのが望ましい。熱間圧延仕上温度をＡｒ３点以下にすると、熱間鋼帯の結晶組織が混粒化するとともに粗大化し、目的の強度が得られないので熱間圧延仕上温度はＡｒ３点以上とするのが望ましい。
熱延仕上圧延における圧延率、冷却条件は特定するものではないが、高強度を得るためには、平均結晶粒径が５μｍ以下となるようにできるだけ高圧下、急冷することが望ましい。また、平均粒径が５μｍ以下のフエライト中にマルテンサイトが分散してなる組織であることが望ましい。
巻き取り温度は本発明において特定するものではないが、結晶粒粗大化を抑制するために巻取温度は７００℃以下とするのが望ましい。
熱間圧延工程における鋼片加熱温度は本発明において特定するものではないが、Ｎの積極的分解固溶および熱間仕上圧延温度の安定的確保の見地から１１００℃以上とするのが望ましい。熱間圧延仕上温度をＡｒ３点以下にすると、熱間鋼帯の結晶組織が混粒化するとともに粗大化し、目的の強度が得られないので熱間圧延仕上温度はＡｒ３点以上とするのが望ましい。
熱延仕上圧延における圧延率、冷却条件は特定するものではないが、高強度を得るためには、平均結晶粒径が５μｍ以下となるようにできるだけ高圧下、急冷することが望ましい。また、平均粒径が５μｍ以下のフエライト中にマルテンサイトが分散してなる組織であることが望ましい。
巻き取り温度は本発明において特定するものではないが、結晶粒粗大化を抑制するために巻取温度は７００℃以下とするのが望ましい。
冷間圧延
前記の成分系で熱延された鋼板を冷間圧延するが、この冷間圧延率は、成分とともに本発明の重要な強度因子であり、目的の強度を得るために、３０〜９０％で行う。
前記の成分系で熱延された鋼板を冷間圧延するが、この冷間圧延率は、成分とともに本発明の重要な強度因子であり、目的の強度を得るために、３０〜９０％で行う。
焼鈍
前記のように圧延率３０〜９０％の冷間圧延を施した材料は、クリーニング工程で脱脂を施した後、連続焼鈍では７００℃以上または、バッチ焼鈍では５５０℃以上の温度で焼鈍する。上限温度は、連続焼鈍では８３０℃、箱型焼鈍では７００℃とする。
前記のように圧延率３０〜９０％の冷間圧延を施した材料は、クリーニング工程で脱脂を施した後、連続焼鈍では７００℃以上または、バッチ焼鈍では５５０℃以上の温度で焼鈍する。上限温度は、連続焼鈍では８３０℃、箱型焼鈍では７００℃とする。
２次冷間圧延
焼鈍後の２次冷間圧延は圧延率が高くなると強度は増し、望ましいが、伸びが小さくなるので、２次冷間圧延を行う場合は、圧延率を６０％以下とする。その後、必要により調質圧延により表面粗度を付与する。
以上のように作製した冷延鋼板は、平均粒径が５μｍ〜１２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトであって体積率が３０％以下のマルテンサイトからなる組織を有することが望ましい。ばね用途では、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトが体積率で６％〜３０％以下からなる組織を有することがより望ましい。加工用途では、平均粒径が３μｍ〜１２μｍのフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトが体積率で５％以下からなる組織を有することがより望ましい。このようにフェライトの結晶粒径とマルテンサイトの体積比率を冷延率と焼鈍条件を組み合わせて制御することにより、ばね性が重要な冷延鋼板には、より微細な組織とし、加工性を求められる冷延鋼板には粒径を大きくすることで、それぞれに最適な特性を得ることが可能である。
焼鈍後の２次冷間圧延は圧延率が高くなると強度は増し、望ましいが、伸びが小さくなるので、２次冷間圧延を行う場合は、圧延率を６０％以下とする。その後、必要により調質圧延により表面粗度を付与する。
以上のように作製した冷延鋼板は、平均粒径が５μｍ〜１２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトであって体積率が３０％以下のマルテンサイトからなる組織を有することが望ましい。ばね用途では、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトが体積率で６％〜３０％以下からなる組織を有することがより望ましい。加工用途では、平均粒径が３μｍ〜１２μｍのフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトが体積率で５％以下からなる組織を有することがより望ましい。このようにフェライトの結晶粒径とマルテンサイトの体積比率を冷延率と焼鈍条件を組み合わせて制御することにより、ばね性が重要な冷延鋼板には、より微細な組織とし、加工性を求められる冷延鋼板には粒径を大きくすることで、それぞれに最適な特性を得ることが可能である。
つぎに、このようにして作成した本発明の鋼板としては、シート状およびコイル状の鋼板、鋼箔およびそれらの鋼板に表面処理を施したものがあげられる。特に、下層が金属クロム、上層がクロム水和酸化物の２層構造をもつ電解クロム酸処理鋼板あるいは極薄錫めっき鋼板、ニッケルめっき鋼板、亜鉛めっき鋼板およびこれらのめっき鋼板にクロム水和酸化物あるいは上層がクロム水和酸化物、下層が金属クロム層からなる２層構造をもつ表面処理をほどこしたものが耐食性の点で優れている。
本発明である実施例と比較例について、表１（１／２）（２／２）に鋼成分と圧延率などの製造条件を示し、表２にその特性評価結果を示す。
表１と表２より、試料Ｎｏ．１〜７は、高張力でかつ折り曲げ性に優れる。表２には、加工用途に用いる試料Ｎｏ．１〜３は、ばね性の欄は×で、ばね用途には適用できないが、折り曲げ加工性の欄は○となり、良好な折り曲げ性を有している。ばね用途に用いる試料Ｎｏ．４〜７は、バネ評価及びビード加工の欄で○印と良好であるが、折り曲げ加工性は×で適用できない。
一方、比較例である試料Ｎｏ．８〜１４は、ばね性およびビード加工性の特性を満足しておらず、ばね用途および加工用途には適用できない（表２のばね性及び加工性の欄のいずれの項目にも×印を記載）。
ばね性およびビード加工性の評価
本発明のガスケットについてのビード加工性およびばね性の評価は下記のようにして行った。まず、図１に示すような断面形状に鋼板をプレス加工（フランジ付きビード溝加工）し、幅ｗ、高さｔのビード部を形成する。このビード加工時にビード部に割れが発生しない場合は○で合格とし、一方、割れが発生するものは、ビード加工性不合格として評価×とした。
本発明のガスケットについてのビード加工性およびばね性の評価は下記のようにして行った。まず、図１に示すような断面形状に鋼板をプレス加工（フランジ付きビード溝加工）し、幅ｗ、高さｔのビード部を形成する。このビード加工時にビード部に割れが発生しない場合は○で合格とし、一方、割れが発生するものは、ビード加工性不合格として評価×とした。
図２は、ばね性を評価するための試験法である圧縮試験の工程を示す。図２の（ａ）は、加工ビード部の圧縮前の状態を示し、同図（ｂ）は、圧縮荷重を負荷した状態を示し、同図（ｃ）は、圧縮荷重を除荷した状態を示す。
図２に示すように、圧縮試験機にてビード部に上方から圧縮荷重を負荷した。荷重除荷後、圧縮量（Ｔ）に対し復元量（Ｔ１）が４０％を超えたものを、ばね性が合格で○で表した。一方、復元量（Ｔ１）が４０％以下の場合は、バネ性が×で、不合格とした。
折り曲げ加工性評価
折り曲げ加工性は、試料を０Ｔで１８０°折り曲げ加工を施し、試料に亀裂が起きるか起きないかで評価した。亀裂が発生した場合を×として表し、不合格とした。逆に亀裂が発生しなかった場合を、○とし表し、合格とした。伸びが１５％以上を示す試料は、この折り曲げ加工性が良好であった。
折り曲げ加工性は、試料を０Ｔで１８０°折り曲げ加工を施し、試料に亀裂が起きるか起きないかで評価した。亀裂が発生した場合を×として表し、不合格とした。逆に亀裂が発生しなかった場合を、○とし表し、合格とした。伸びが１５％以上を示す試料は、この折り曲げ加工性が良好であった。
本発明のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法によれば、ガスケット材は、製造方法を少し変えることにより、加工性とばね性との調和がとれているばね用途、あるいは、０Ｔ折り曲げ加工性に優れている加工用途として、いずれもすぐれたガスシール性を有する。
さらに表面処理を施したガスケット材は、高温状態にさらされてもすぐれた耐食性を示し、長期間安定したガスシール性を示す。
また、本発明のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法によれば、ガスケット材は、ばね用途では、シリンダ用開口部のシール性能に必要なばね特性が特に良好であり、冷却水用開口、潤滑油用開口、およびボルト孔等の各種開口部についても好適に用いることができる。加工用途では、ばね用途には適用できないが、冷却水用開口、潤滑油用開口、およびボルト孔等の各種開口部についても好適に用いることができる。
Ｔ 圧縮量
Ｔ１ 復元量
４１ ガスケット材
４２ ビード部
Ｔ１ 復元量
４１ ガスケット材
４２ ビード部
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．０３〜０．２０％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｍｎ：０．５〜３．０％、Ｐ：≦０．１％、Ｓ：≦０．０６％、Ａｌ：≦０．１％、Ｎ：０．００１０〜０．０１６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．００１０〜０．０１％、残部Ｆｅおよび不可避的な不純物よりなる冷延鋼板を、冷間圧延率３０〜９０％で冷間圧延し、７００〜８３０℃で連続焼鈍し、その後圧延率６０％以下で２次冷間圧延を行い、ＴＳ（引張強度）＞８００Ｍａ、Ｔ．ＥＬ（伸び）＞８％とすることを特徴とするバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法。
- 前記バネ用高強度極薄冷延鋼板は、平均粒径が２μｍ以下のフェライトと、平均粒径が５μｍ以下のマルテンサイトからなり、当該マルテンサイトが体積率で６〜３０％である組織を有することを特徴とする請求項１に記載のバネ用高強度極薄冷延鋼板の製造方法。
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