JP4822248B2 - 自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、自動車、バス等の構造用鋼として使用される、自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板に関するものである。

自動車構造用鋼は、主として普通鋼の熱延鋼板を重防食塗装して使用されている。その耐用年数に対する設計の考え方として、耐用年数後に必要板厚を維持するために、塗装の耐用年数に、腐食を許容した錆代の耐用年数を加えている。つまり、鋼板の板厚は、強度等から計算される必要板厚と腐食を前提とした錆代部分の和から決められている。

近年、環境問題の点から自動車が与える環境負荷の軽減が必須となっており、その手段として車体の軽量化が積極的に進められている。その中で、構造用鋼の軽量化手段として、高耐食鋼であるステンレス鋼の使用が検討されている。錆代部分の低減による軽量化と塗装簡略化が目的である。
車両構造用のステンレス鋼としては、低Ｃのマルテンサイト系ステンレス鋼に関する発明が特許文献１に開示されている。
特開２００３−２５３４０３号公報

しかし、上記の特許文献１に記載された発明は、Ｃｒ量が１１〜１５質量％の成分系に高価なＮｉ、Ｍｏを多量に添加されたものであり、コストが高い材料と言わざるを得ない。
そこで、本発明は、ＣおよびＮ添加量を限定し、かつ、安価なＭｎを有効に利用して、高価なＮｉの低減を図り、オーステナイト形成元素およびフェライト系形成元素の含有量を限定し、Ｓ量とＡｌ量、Ｃａ量を限定することにより、安価で諸特性に優れた自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することを目的とするものである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．０２％以上０．４％以下、Ｍｎ：１．０％以上３．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．００１％以上０．０１０％以下、Ａｌ：０．００１％超０．０２％以下、Ｎ：０．０１５％以下、Ｃｒ：１２％以上１４％以下、Ｎｉ：０．５％以上１．５％未満、Ｍｏ：０．５％以上２％未満、Ｃｕ：０．２％超１．４％以下、Ｃａ：０．０００１％以上０．００１０％以下を含有するとともに、Ｃ、Ｎは、さらに、Ｃ＋Ｎ：０．０２％以下の関係を満たし、Ａｌ、Ｓは、さらに、９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９の関係を満たし、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｏは、さらに、下記（１）式で表されるγｐが８０以上を満たすように含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ ＝ ４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−１２［％Ｍｏ］＋１８９ ・・・ （１）

本発明によれば、安価で諸特性に優れた自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することができ、製造者のみならず本鋼を利用する者にとっても多大な利益を得ることができ、工業的価値は極めて高い。

本発明を実施するための最良の形態と限定条件について詳細に説明する。
本発明者らは、自動車構造用鋼として、普通鋼に替わって使用され得るステンレス鋼について、詳細な検討を行ってきた。その中で、
（ａ）強度が６００ＭＰａ以上であること、
（ｂ）伸びが２０％以上であること、
（ｃ）無塗装または簡易塗装で使用する場合、ＳＵＳ４２９系相当の耐食性であること、
（ｄ）予備処理不要で溶接可能であること、
などが必要であることがわかってきた。さらには、材料転換に伴うコストアップもできるだけ低くする必要がある。これらを満足する成分系を検討してきたところ、予備処理不要で溶接可能である低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼が候補材として望ましいと考え、さらに、コストを勘案して安価なＭｎを主体とし、高価なＮｉの添加はできるだけ少なくする方策の検討を進めた。しかし、Ｍｎは多量に添加すると耐食性、加工性を劣化させる元素である。特に耐食性を劣化させる傾向にある。

ところが、本発明者らは、そのＭｎによる耐食性の劣化機構を検討したところ、これまで耐食性に有害であると思われていたＭｎＳの影響は小さく、水溶性のＣａＳが形成されていることが耐食性を最も劣化させる原因であることを見出した。さらに、ＣａＳを生成させない条件の検討を進めた結果、Ａｌ、Ｃａ、Ｓを一定範囲に限定することがＣａＳの生成を阻害することを見出し、これにより耐食性を改善できることが判明した。

本発明者らは、以上の知見を基に詳細な検討を進め、本発明を完成させた。
はじめに、各成分に関する限定条件を述べる。
Ｃは、加工性および溶接性を劣化させる元素である。その悪影響を避けるためには、含有量を０．０１５％以下にする必要がある。しかし、強力なオーステナイト安定化元素であることから、安定にマルテンサイトを形成させるためには含有量は０．００３％以上が好ましい。

Ｎは、Ｃと同様に加工性および溶接性を劣化させる元素である。その悪影響を避けるためには、含有量を０．０１５％以下にする必要がある。しかし、強力なオーステナイト安定化元素であることから、安定にマルテンサイトを形成させるためには０．００３％以上の添加が好ましい。製鋼コストの増大を避けるためには０．００５％以上がより好ましい。

Ｃ＋Ｎが０．０２％を越えると、加工性および溶接性の劣化が顕著になるため、含有量が０．０２％以下とする。このことにより溶接割れの危険性を低減し、溶接後の熱処理を行わなくても使用可能となる。しかし、Ｃ、Ｎは、強力なオーステナイト安定化元素であることから、安定にマルテンサイトを形成させるためには、その含有量は０．０５％以上が好ましい。

Ｓｉは、脱酸成分として有効であり、同じく脱酸成分であるＡｌ量の制限が耐食性確保のために必須であるので、本発明では脱酸を助けるために添加する。しかし、Ｓｉはフェライト形成元素として非常に強力であり、この点では抑制する必要がある。よって、その好適範囲は０．０２％以上０．４％以下とする。

Ｍｎは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、オーステナイト形成元素であり、他のオーステナイト形成元素（ＮｉやＣｕ）と比較して安価なため、本発明では非常に重要である。高温でのオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するため、１％以上の添加を必要とする。３％を超えると、本発明を持ってしても耐食性の劣化が見られるため、３％を上限とする。

Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、０．０４％を越えて含有すると靭性が低下するために０．０４％を上限とした。
Ｃｒは、自動車構造用ステンレス鋼として必要な耐食性を確保するための必要な基本元素であり、その含有量が１２％未満では十分な耐食性を得ることができない。また、Ｃｒはフェライト形成元素であるため、１４％を超えて添加するとオーステナイト相生成温度域が縮小し、焼入れ温度域でのマルテンサイト相の変態しないフェライト相が生成し、焼入れ後の硬さを満足することができなくなる。よって、Ｃｒ添加量は１２％以上１４％以下とする。

Ｎｉは、Ｍｎと同じくオーステナイト形成元素であり、高温でオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。さらに、耐食性を向上させる元素あり、靭性を向上させる効果もある。しかしながら非常に高価であるため、本発明ではできるだけ最小限に留めたい。０．５％未満では効果が乏しく、１．５％以上ではコスト増加が著しいので、その含有量は０．５％以上１．５％未満とする。

Ｃｕは、Ｍｎ、Ｎｉと同じく、高温でオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。また、耐食性を向上させる元素である。しかも、Ｎｉと比較すると安価であるため本発明では積極的に使用し、その含有量は０．２％超１．４％以下とする。

Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。その効果を発現するためには０．５％以上の含有必要である。しかし、２％を超えて含有すると靭性が低下するため２％を上限とする。

Ａｌは、脱酸剤として非常に有用である。ところが本発明者らの詳細な検討により、Ａｌを過大に添加した場合、溶湯中にＣａＳが発生しやすい傾向があることが判明した。３ＣａＯ＋３Ｓ＋２Ａｌ→３ＣａＳ＋Ａｌ２Ｏ３という反応が起きているものと推定している。この反応が実質的に起こらない条件を検討した結果、ＡｌとＳとＣａを一定範囲に制限することで可能となることを見出した。
Ａｌに関しては、０．００１％超０．０２％以下とする。０．００１％以下ではＳｉの効果を加味しても脱酸が不十分となりやすいため好ましくなく、０．０２％を超えるとＣａＳが生成しやすくなり、耐食性が劣化するからである。

Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、本発明では０．０１％を越えて含有すＣａＳが生成しやすいため０．０１％を上限とする。また、Ｓを０．００１％未満とすることは製鋼コストの非常な増大を招くため、０．００１％を下限とする。
さらに、ＡｌとＳは、９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９を満足する必要がある。これを満足しない場合もＣａＳが生成しやすくなり耐食性が劣化する。

Ｃａは、その好適範囲を０．０００１％以上０．００１％以下とする。０．００１％超であると、本発明を持ってしてもＣａＳの生成を防止できず、耐銹性が劣化する。また、０．０００１％未満の場合、本発明でなくともＣａＳは生成せず、耐銹性は十分なためである。しかし、０．０００１％未満とするためには、製鋼コストの非常な増大を伴う。

さらに、これら述べてきた各元素はその成分範囲の中で、９００〜１１００℃の温度範囲で安定して焼入れを行えるために、次式（１）で表されるγｐが８０以上を満足するよう相互に調整される必要がある。γｐが８０未満であると、焼入れしてもフェライト相が残る場合があり、高強度化しない場合があるからである。
γｐ＝４２０×［％Ｃ］＋４７０×［％Ｎ］＋２３×［％Ｎｉ］＋９×［％Ｃｕ］＋７×［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５×［％Ｓｉ］−５２×［％Ａｌ］−１２×［％Ｍｏ］＋１８９ ・・・ （１）

次に製造方法について詳細に説明する。
本発明鋼の製造方法は、成分以外特に限定されず、一般的なマルテンサイト系ステンレス鋼の製造方法を適用できる。まず初めに、上述にように成分調整された溶鋼を公知の鋳造方法によってスラブ、インゴット等の鋼片（以下、単にスラブともいう。）にする。転炉または電炉による溶製、および、ＶＯＤ（Ｖａｃｕｕｍ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｉｔｉｏｎ）やＡＯＤ（Ａｒｇｏｎ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｃａｒｂｕｒｉｚａｉｔｉｏｎ）等による二次精錬、連続鋳造法によるスラブ製造を行うことが最も一般的である。その後、熱間圧延を行う。スラブを１０００〜１２５０℃に加熱した後、一般的な熱間圧延条件によって２〜８ｍｍ程度の熱延板とする。これらの熱延板は、必要に応じて６００〜８００℃のバッチ式焼鈍を行った後、酸洗され、熱延板製品となる。

本発明の熱延板製品は、自動車構造用部材としてパイプやパネル等に加工される。これら部材作製で使用される溶接法は特に限定されず、ＭＩＧ、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接やスポットやシーム溶接等の抵抗溶接、あるいは電縫溶接等の高周波抵抗などが適用可能である。

以下、実施例に従って、さらに詳細に本発明を説明する。
表１に示す化学成分を有する５０ｋｇ鋼塊を真空溶解炉で溶製した後、熱間圧延によって厚さ３ｍｍの熱延板を得た。熱間圧延の条件は、加熱温度が１１５０〜１２００℃、熱間圧延終了温度が８５０〜９５０℃である。さらに、６５０℃で１０時間の熱処理を行い、供試鋼とした。これら鋼板から各種試験片を採取し、評価試験を行った。

供試鋼の引張試験は、引張方向をＬ方向（圧延方向）とした、ＪＩＳ１３Ｂ号試験片を用いて、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して行った。強度ＴＳが６００ＭＰａ以上、伸びＥＬが２０％以上が合格である。
また、耐食性試験は、試験片両面を＃２４０研磨し、２４０時間の塩水噴霧試験（ＪＩＳ Ｚ ２３７１準拠）を行い、発銹程度を調査した。発銹しないものを合格、発銹したものを不合格とした。

さらに、溶接部の靭性を評価した。供試鋼を圧延方向の板厚面の向かい合わせて突き合わせＭＩＧ溶接を行った。溶接ワイヤーはＪＩＳ Ｙ３０８、溶接条件は、電流１５０Ａ、電圧２０Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、シールドガスはＡｒである。その後、溶接熱影響部（ＨＡＺ）に２ｍｍＶノッチ加工を施し溶接余盛を研削で除去したＪＩＳ４号相似の衝撃試験片を作製し、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠したシャルピー衝撃試験を行った。シャルピー衝撃試験は試験温度−５０℃で、各５本ずつ行って、その吸収エネルギーを測定し、ノッチ部の断面積で割った値の平均値を取り、その値（ｖＥ−５０）を溶接熱影響部の靱性評価値とし、１００Ｊ／ｃｍ^２以上を合格とした。

これらの結果を表２に示す。
Ａ２鋼からＡ４鋼は本発明鋼であり、強度、伸び、耐食性、靱性、すべて合格であり、優れた特性を示していることがわかる。
Ａ５鋼からＡ８鋼までは、Ａｌ、Ｓ、Ｃａ量を変化させたもので、Ａ５鋼はＡｌが多く、Ａ６鋼はＳが多く、Ａ７鋼はＣａが多いため、耐食性が劣化している。Ａ８鋼はＡｌ、Ｓ量は本発明範囲にあるものの、ＡｌとＳの関係式を満足しないため、これも耐食性が劣化している。

Ａ９鋼はγｐの式（１）の値が本発明範囲より低いため、強度および靱性が劣化している。Ａ１０鋼はＭｎ量が多いため、本発明をもってしても耐食性の劣化を止められない。また、靭性も劣化している。Ａ１１鋼は優れた特性を有しているが、高価なＮｉが多い例であり本発明範囲の外とする。
Ａ１２鋼は、高純フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４２９系の一例である。強度が低いことはわかる。耐食性は十分で本発明鋼の耐食性の指標である。

以上から、本発明鋼が自動車構造用材料として優れた特性を有していることは明らかである。また、本発明鋼は、オーステナイト形成元素として主としてＭｎを使用し、高価なＮｉを必要最小限に抑制しているため比較的安価である。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０１５％以下、
   Ｓｉ：０．０２％以上０．４％以下、
   Ｍｎ：１．０％以上３．０％以下、
   Ｐ ：０．０４％以下、
   Ｓ ：０．００１％以上０．０１０％以下、
   Ａｌ：０．００１％超０．０２％以下、
   Ｎ ：０．０１５％以下、
   Ｃｒ：１２％以上１４％以下、
   Ｎｉ：０．５％以上１．５％未満、
   Ｍｏ：０．５％以上２％未満、
   Ｃｕ：０．２％超１．４％以下、
   Ｃａ：０．０００１％以上０．００１０％以下
   を含有するとともに、Ｃ、Ｎは、さらに、
   Ｃ＋Ｎ：０．０２％以下
   の関係を満たし、Ａｌ、Ｓは、さらに、
   ９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９
   の関係を満たし、Ｃ、Ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｏは、さらに、下記（１）式で表されるγｐが８０以上を満たすように含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、自動車構造用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
   γｐ ＝ ４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−１２［％Ｍｏ］＋１８９ ・・・ （１）