JP5444626B2

JP5444626B2 - 鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP5444626B2
Application number: JP2008063960A
Authority: JP
Inventors: 太郎木津; 和浩花澤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: JP2009221492A

Description

本発明は、自動車、家電、建材などに好適な鋼板、特に、防錆性に優れた鋼板およびその製造方法に関する。

鋼板は、需要家で使用に至るまでの錆びの発生を防止するために、通常、出荷時に防錆油が塗布される。めっき鋼板であっても自動車用などでは防錆油が塗布される場合が多い。このような防錆油は、プレス加工などにおける潤滑の役割も果たす場合もあるが、通常は、需要家における塗装に先立って脱脂処理により除去されるので、環境に対して好ましくないだけではなく、コストの上昇も伴うことになる。また、鋼板の使用環境が錆びに対して非常にマイルドであったり、鋼板の使用サイクルが短かったりする場合でも、軽微な錆びの発生は避けられず、そのため、後塗装をしたり、あるいは最初からめっき鋼板を使用するなど、コスト増の要因となっている。

このような背景から、短期間で発生する錆び、いわゆる初期錆びの発生を遅らせることは非常に重要である。従来、初期錆びの発生を遅らせる鋼板として、例えば、特許文献1には、質量%で、Mn:0.05%以上、S:0.020%以下を含有し、表面にSiを含有する酸化物を含む皮膜を有する鋼板が開示されている。また、軟磁性鋼板にかかる技術であるが、特許文献2には、質量%で、C:0.01%以下、Si:0.05〜3.0%、Mn:0.5%以下、S:0.01%以下、sol.Al:0.0005〜2.0%、P:0.1%以下、N:0.005%以下を含有し、残部がFeおよび不純物からなる鋼片を、1300℃以下に加熱後熱間圧延し、1回または中間焼鈍をはさむ2回以上の冷間圧延を施した後、600〜1100℃の温度域で仕上げ焼鈍し、0.1〜5%の伸び率で調質圧延を施して作製した軟磁性鋼板に、200〜500℃の温度域で低温酸化皮膜形成処理を行って表面にSiおよびAlの酸化皮膜を形成させて耐食性を付与する方法も開示されている。
特開2007-113108号公報特開2006-97095号公報

しかしながら、特許文献1に記載された鋼板では、Siを含む酸化皮膜を形成させるために、Siを含有する溶液を塗布、スプレー、浸漬などにより鋼板表面に接触させたのち、乾燥させる必要があり、コスト高となる。また、特許文献2に記載の方法により形成されたSiおよびAlの酸化皮膜では、塩分が比較的多く付着されるような塩素イオン環境下では、初期錆びの発生を十分に遅延できない。

本発明は、低コストで、塩素イオン環境下でも初期錆びの発生が十分に遅延される鋼板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らが、塩素イオン環境下でも初期錆びの発生が十分に遅延される鋼板について鋭意検討した結果、Mn量を制御し、SiとAlを添加した鋼板を大気中で加熱することで、表面に、Feの酸化物であるスケールの生成を抑制するとともに、所定量のAlを含有する酸化皮膜を形成させることが効果的であることを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、質量%で、Si:2.1〜3.5%、Mn:0.4%以下、Al:0.5〜5.0%を含有し、[Si]/[Mn]≧6を満足する化学組成を有し、かつ表面に最大Al質量比が10%以上である酸化皮膜を有することを特徴とする鋼板を提供する。ここで、[M]は元素Mの含有量(質量%)を表し、最大Al質量比は、グロー放電発光分析(GDS:Glow Discharge Spectroscopy)により求めた酸化皮膜中のFe、Si、Alの合計量に対するAlの質量比の厚さ方向における最大値である。

本発明の鋼板は、上記の化学組成を有する鋼板に、大気中において500℃超1100℃以下の温度範囲で熱処理を施すことにより製造できる。

このとき、鋼板が剪断された切板の場合は、5%以下のクリアランスで剪断加工することが好ましい。

本発明により、低コストで、塩素イオン環境下でも初期錆びの発生が十分に遅延される鋼板を製造できるようになった。本発明の鋼板の使用により、防錆油の使用や後塗装の必要などがなくなり、環境汚染やコスト増の問題を解消できる。また、本発明の鋼板を用いたプレス加工品では、プレス加工により表面の酸化皮膜が分断されても、プレス加工品を新たに大気中で熱処理することにより皮膜を再生させることができ、初期錆び発生の防止効果を維持することができる。

以下に、本発明である塩素イオン環境下でも初期錆びの発生が十分に遅延される鋼板およびその製造方法の詳細を説明する。

1)化学組成(以下の「%」は、「質量%」を表す。)
Si:2.1〜3.5%
Siは、Feに比べて酸素との結合自由エネルギーが小さく、大気中の熱処理で、酸素が鋼中に拡散するのを抑制し、Feを主体とするスケールの生成を抑制して、後述する初期錆びの発生防止に有利な所定量のAlを含有する酸化皮膜の形成を促進する。それには、Si量を2.1%以上、より好ましくは2.5％以上とする必要がある。一方、多量のSi添加は鋼の脆化を招き、熱間圧延あるいは冷間圧延時に割れが発生することから、Si量は3.5%以下、より好ましくは3.0％以下とする必要がある。

Mn:0.4%以下
Mn量が0.4%を超えると、鋼板表面に生成する皮膜中にMnを含む酸化物が増加し、初期錆びが発生しやすくなる。そのため、Mn量は0.4%以下とする必要がある。

[Si]/[Mn]≧6 ([Si]、[Mn]は、それぞれSi、Mnの含有量を表す。)
さらに、MnとSiは酸素との結合自由エネルギーが近いことから、Mn量をSi量に対して十分に少なくしないと、Mnを含む酸化物が生成してしまう。そのため、[Si]/[Mn]≧6とする必要がある。

Al:0.5〜5.0%
Alは、酸素との結合エネルギーが非常に小さく、大気中の熱処理で、優先的に所定量のAlを含有する酸化皮膜を形成させることで初期錆び発生防止効果を大いに向上させることができる。このような効果を得るため、Al量は0.5%以上、より好ましくは1.0%以上とする必要がある。一方、多量のAl添加は鋼の脆化を招き、熱間圧延あるいは冷間圧延時に割れが発生することから、Al量は5.0%以下、より好ましくは2.0%以下とする必要がある。

上記の成分組成以外は、特に限定する必要はなく、一般的な鋼板の成分組成の範疇とすればよい。具体的には、例えば、C:0.2%以下、P:0.05%以下、S:0.01%以下、N:0.01%以下程度であり、残部はFeおよび不可避的不純物とすればよい。

2)鋼板表面に形成された酸化皮膜の最大Al質量比:10%以上
C:0.002%、Si:3.0%、Mn:0.1%、P:0.01%、S:0.003%、Al:1.0%、[Si]/[Mn]:30の鋼板に、大気中において1000℃で90秒間あるいは300秒間の熱処理を施して酸化皮膜を形成し、下記の条件でGDSにより厚さ方向の各元素の発光強度プロファイルを測定し、検量線を用いて各元素濃度(質量%)の厚さ方向分布を決定し、酸化皮膜中のFe、Si、Alの合計量に対するFe、Si、Alの質量比の厚さ方向プロファイルを求めた。また、下記の塩水噴霧試験を実施して錆び発生時間を求め、初期錆び発生防止効果を評価した。さらに、下記の条件で薄膜X線分析を行い酸化皮膜を構成する酸化物を同定した。

GDS：定電流制御:60mA、放電面積:8mmφ
塩水噴霧試験：JIS Z2371に準拠し、35℃に設定した試験槽で鋼板に5%食塩水を噴霧して、錆が発生し始めるまでの時間を測定した。なお、別途調査により、錆び発生時間が5時間以上であれば、初期錆び発生防止効果が十分であることを確認している。

薄膜X線分析：管球:Cu、管電圧:55kV、管電流:250mA、X線入射角:2°、スキャニング4°/分、スキャニングインターバル:0.020°
図4に、GDSにより求めた酸化皮膜中のFe、Si、Alの合計量に対するFe、Si、Al の質量比の厚さ方向プロファイルを示す。図には、酸化皮膜の形成されていることを確認するためにOの分析結果も任意の単位(a.u.)で示してある。図の横軸のスパッタ時間は酸化皮膜の厚さ方向を示しており、スパッタ時間0秒が皮膜表面で、スパッタ時間とともに厚さ方向に分析を行っていることを示している。図の(a)には熱処理時間が90秒間の結果、(b)には熱処理時間が300秒間の結果を示したが、いずれの場合も、Oの検出されるスパッタ時間内で、すなわち酸化皮膜の厚みのある位置でAl質量比が最大を示し、その最大値は10%以上となっている。なお、薄膜X線分析の結果、熱処理時間が90秒間の場合はFeAl₂O₃の酸化物が、熱処理時間が300秒間の場合はAl₂O₃+Fe₂O₃の酸化物が確認された。

また、熱処理時間が90秒間、300秒間ともに、塩水噴霧試験による錆び発生時間が5時間以上であった。

発明者らは、種々の条件で作成した酸化被膜につき上記のような検討を行った結果、鋼板表面に形成された酸化皮膜の最大Al質量比が10%以上であれば、塩素イオン環境下でも初期錆びの発生を十分に抑制できるといえることを明らかにした。この理由は、必ずしも明確ではないが、酸化力の強いAlが酸化皮膜中に多量に存在することにより酸化皮膜が不動態化していると考えられる。

なお、ここで、最大Al質量比が10%以上である酸化皮膜の厚さは概ね0.5μm以下であり、非常に薄い皮膜が形成されていた。

3)製造方法
上記した初期錆びの発生防止に有利な所定量のAlを含有する酸化皮膜は、上記の化学組成を有する鋼板を、大気中において500℃超、好ましくは550℃以上で熱処理を施すことにより形成できる。一方、1100℃を超える高温で熱処理を行うと、Feの酸化物であるスケールが生成し、十分な初期錆び発生防止効果が得られなくなる。したがって、大気中での熱処理温度は1100℃以下とする。なお、熱処理温度における保持時間は、特に限定する必要はなく、1秒間以上であれば十分であり、例えば10分間以下程度とすればよい。このように、本発明の鋼板は、大気中で熱処理するだけでよいので、低コストで製造できる。

発明の実施に当たり、通常の熱延鋼板あるいは冷延鋼板を用いて、大気中で熱処理を行うことができる。すなわち、本発明の酸化皮膜が形成された鋼板には、熱延鋼板あるいは冷延鋼板を用いることができる。熱延鋼板としては、常法に従い熱間圧延して製造された熱延鋼板を素材として、上記熱処理を施すことにより、本発明の鋼板を製造できる。冷延鋼板としては、常法に従い熱間圧延、冷間圧延、次いで焼鈍の施された冷延鋼板を素材として、上記熱処理を施すことにより、本発明の鋼板を製造できる。熱間圧延、冷間圧延後の鋼板を素材として、上記熱処理を施し、焼鈍と兼ねるようにしてもよい。

また、鋼板を所定寸法に剪断加工された切板として保管後使用する場合は、剪断端面(切断端面)から初期錆びが発生し、問題となる場合がある。このような場合でも、上記熱処理を施すことにより、剪断端面からの初期錆び発生を抑制することができる。剪断加工により形成される剪断端面は、表面の凹凸の大きな破断面と表面の凹凸の小さな剪断面を有し、剪断加工時のクリアランスを小さくすることで、破断面の割合を小さくすることができる。後述する図3に示すように、クリアランスが板厚の5%以下で剪断加工して剪断端面における破断面の面積率を小さくし、大気中で熱処理を行うことで、剪断端面に所定量のAlを含有する酸化皮膜を形成させ、剪断端面の初期錆び発生を防止することができる。なお、大気中での熱処理中に剪断加工を行っても同様な効果が得られる。

本発明が対象とする鋼板では、最大Al質量比が10%以上である酸化皮膜の上に、さらに耐腐食性を向上させるため、従来よりも薄くすることで低コストにしためっきや塗装、化成処理などを施すこともできる。

表１に示すSi、Mn、Al量を含有し、[Si]/[Mn]を変えた冷延鋼板No.1〜12を、大気中で表1に示す条件で熱処理後、上記の塩水噴霧試験を実施して錆び発生時間を求め、初期錆び発生防止効果を評価した。また、上記の分析方法により、熱処理後で塩水噴霧試験前の鋼板の皮膜中の最大Al質量比の測定を行った。なお、表1に示したSi、Mn、Al以外の成分は、C:0.002〜0.15%、P:0.01〜0.03%、S:0.003〜0.01%、N:0.002〜0.008%であった。

結果を表1および図1、2に示す。

表1より、本発明例である冷延鋼板No.1〜5は、いずれも[Si]/[Mn]≧6を満足しており、錆び発生時間が5時間以上で、十分な初期錆び発生防止効果を有していることがわかる。

また、冷延鋼板No.1〜10の結果を基に作成した図1より、Si:2.1〜3.5%、Mn:0.4%以下、[Si]/[Mn]≧6を満たす領域で、冷延鋼板No.1〜5およびNo.12の結果を基に作成した図2より、Al:0.5〜5.0%を満たす領域で、5時間以上の錆び発生時間が得られることがわかる。

表2に示すSi、Mn、Al量を含有し、[Si]/[Mn]が14の冷延鋼板No.13〜17を、大気中で表2に示す条件で熱処理し、処理温度で保持後ただちにクリアンスを変えて剪断加工し、実施例1と同様な塩水噴霧試験を実施して剪断端面における錆び発生時間を求め、初期錆び発生防止効果を評価した。

結果を表2および図3に示す。

表2、図3より、本発明例である5%以下のクリアランスで剪断加工した冷延鋼板No.13〜15は、剪断端面における錆び発生時間が5時間以上で、十分な初期錆び発生防止効果を有していることがわかる。

Si量[Si]、Mn量[Mn]と錆び発生時間との関係を示す図である。 Al量[Al]と錆び発生時間との関係を示す図である。クリアランスと剪断端面における錆び発生時間との関係を示す図である。 GDSにより求めた酸化皮膜中のFe、Si、Alの合計量に対するFe、Si、Alの質量比の厚さ方向プロファイルを示す図である。

Claims

質量%で、Si:2.1〜3.5%、Mn:0.4%以下、Al:0.5〜5.0%を含有し、[Si]/[Mn]≧6を満足する化学組成を有し、かつ表面に大気中において500℃超1100℃以下の温度範囲で熱処理を施すことにより得た最大Al質量比が10%以上である酸化皮膜を有することを特徴とする鋼板；ここで、[M]は元素Mの含有量(質量%)を表し、最大Al質量比は、グロー放電発光分析(GDS)により求めた酸化皮膜中のFe、Si、Alの合計量に対するAlの質量比の厚さ方向における最大値である。
請求項1に記載の化学組成を有する鋼板に、大気中において500℃超1100℃以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする鋼板の製造方法。
請求項１に記載の化学組成を有する鋼板を、板厚の5%以下のクリアランスで剪断加工後大気中において500℃超1100℃以下の温度範囲で熱処理を施す、または、大気中において500℃超1100℃以下の温度範囲で熱処理中に板厚の5%以下のクリアランスで剪断加工を施すことを特徴とする鋼板の製造方法。