JP5936390B2 - 溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板および製造方法 - Google Patents
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Description
(i)アーク溶接で組み立てられる溶接構造部材に溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を用いることで溶接部の耐食性を向上させることができる。
(ii)溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板で問題となりやすいアーク溶接時の溶融金属脆化割れを抑止するためには、めっき原板である素材鋼板の成分設計に加えて当該素材鋼板の板厚の影響を考慮すること、および溶接施工時の冷却過程でマルテンサイト変態等による体積膨張をうまく利用して冷却時の熱収縮に起因する引張応力を緩和することが極めて有効であり、化学組成と板厚の関数である「溶融金属脆化割れ感度指数」によって耐溶融金属脆化割れに優れた素材鋼板の要件を規定することができる。
(iii)バーリング性は、素材鋼板の金属組織を、フェライト相からなるマトリクス中に平均粒子径20nm以下のTi含有析出物が分散した組織とすることによって改善される。
本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。なお、上記特許文献3には液体金属脆化の感度指数E値が提案されているが、この文献には液体金属脆化が素材の板厚の影響を受けることは開示されておらず、また溶接凝固時の金属組織を制御することにより液体金属脆化割れを抑制する知見も示されていない。
H1値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+0.4t …(1)
選択元素であるCr:0.40〜1.00%、Mo:0.60〜1.00%の1種以上を含有する素材鋼板としては、下記(2)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H2値が3.24以下となる鋼成分含有量と板厚t(mm)の関係を有するものが対象となる。
H2値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t …(2)
H3値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t−0.7(Cr+Mo)1/2 …(3)
なお、(1)〜(3)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。また、(2)式あるいは(3)式の適用に際しCr、Moのうち無添加の元素がある場合は、その元素記号の箇所に0(ゼロ)が代入される。
熱間圧延にて前記(1)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H1値が2.84以下、前記(2)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H2値が3.24以下、または前記(3)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H3値が2.90以下となる板厚t(mm)に圧延し、巻取温度を550〜680℃とし、連続溶融めっきラインでの焼鈍温度を500〜700℃とする、溶接構造部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法が提供される。ここで、上記(1)〜(3)式のいずれを適用するかについては上述したとおりである。板厚tは例えば1.5〜6.0mm、好ましくは2.0〜4.0mmである。
〔素材鋼板の成分〕
<C:0.01〜0.10%>
Cは、Tiを含む炭化物を形成し、マトリクスであるフェライト相中に微細析出することで、鋼の強度を確保する役割を担う元素である。C含有量が0.01%未満では自動車足回り部材等の溶接構造部材に適した高強度(例えば590MPa以上)を得ることが難しい場合があり、0.10%を超えると析出物の粗大化やベイナイト等の第2相組織が形成されやすくバーリング性の低下要因となる。
Siも、鋼の強度を確保する役割を担う元素である。しかも、高強度化に有効な他の元素に比べ添加量を増やしても加工性を劣化させにくいため、高強度化にとって有効な元素である。これらの作用を十分得るためには0.01%以上のSi添加が必要である。ただし1.00%を超えると溶融めっきラインでの加熱時に鋼板表面に酸化物が形成しやすくなり、めっき性を阻害する。
Mnは、固溶強化に有効な元素である。Mn含有量が0.50%未満では590MPa以上の強度を安定して得るのが難しく、2.50%を超えると偏析が生じやすくなりバーリング性が低下することがある。
Pも、固溶強化に有効な元素であり、0.005%以上の含有が効果的である。ただし0.050%を超えると偏析が生じやすくなりバーリング性が低下することがある。
Sは、TiやMnと硫化物を形成しやく、これらの硫化物は鋼板のバーリング性を低下させる。種々検討の結果、Sは0.020%以下とする必要がある。ただし、過剰な脱硫は製造不可を増大させるため、通常は0.001%以上のS含有量とすればよい。
Nは、鋼中に固溶Nとして残存するとBNを生成し、耐溶融金属脆化割れ性に有効なB量の減少につながる。検討の結果、N含有量は0.005%以下に制限されるが、通常は0.001%程度のNが存在していても問題ない。
Tiは、Nとの親和性が高く、鋼中のNをTiNとして固定するため、Tiを添加することは耐溶融金属脆化割れ性を高めるB量を確保する上で極めて有効である。また、TiはCと結合して微細な炭化物を形成させるのに必要であり、本発明における重要な元素の一つである。これらの作用を十分得るためには0.02%以上のTi含有が必要である。ただし、0.20%を超えると加工性の低下を招く場合がある。
Bは、結晶粒界に偏析して原子間結合力を高め、溶融金属脆化割れの抑制に有効な元素である。その作用は0.0005%以上のB含有によって発揮される。一方、B含有量が0.0100%を超えるとホウ化物を生成し加工性の劣化を招きやすくなる。
Alは、製鋼時に脱酸材として添加される。その作用を得るためには0.005%以上のAl含有が望まれる。ただしAl含有量が0.100%を超えると延性の低下を招く恐れがある。
Crは、Bと同様に、アーク溶接の冷却過程で熱影響部のオーステナイト粒界に偏析して溶融金属脆化割れを抑制する作用を呈する。このため必要に応じて含有させることができる。Crを含有させる場合は0.10%以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、過剰のCr含有は加工性を低下させる要因となるのでCr含有量は1.00%以下に制限される。
Moは、Cr、Bと同様に、アーク溶接の冷却過程で熱影響部のオーステナイト粒界に偏析して溶融金属脆化割れを抑制する作用を呈する。このため必要に応じて含有させることができる。Moを含有させる場合は0.05%以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、Moは高価な元素であるためMoを添加する場合は1.00%以下の範囲で行う。
Nbは、加熱および熱延中のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、冷却後のフェライト結晶粒の微細化に有効である。また、Cを含む複合炭化物を形成し強度上昇にも寄与する。このためNbは必要に応じて含有することができる。Nbを含有させる場合は0.01%以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、過剰のNb含有は不経済であるためNbを添加する場合は0.10%以下の範囲で行う。
Vは、Nbと同様に加熱および熱延中のオーステナイト結晶粒の粗大化を防止し、フェライト結晶粒の微細化に有効となる。また、Tiと同様にCを含む複合炭化物を形成し強度上昇にも寄与する。このため必要に応じて含有することができる。Vを含有させる場合は0.05%以上の含有量を確保することがより効果的である。ただし、過剰のV含有は不経済であるためVを添加する場合は0.10%以下の範囲で行う。
H1値は、選択元素であるCr、Moを含有しない場合に適用される溶融金属脆化割れ感度指数である。この値が大きい材料は溶融金属脆化割れにより発生する最大割れ深さが大きくなる。H1値は素材鋼板(めっき原板)の鋼成分含有量と板厚t(mm)の関数であり、(1)式によって定義される。
H1値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+0.4t …(1)
ここで(1)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入され、tの箇所にはめっき原板である素材鋼板の平均板厚が0.1mmの単位で代入される(後述(2)式および(3)式において同様)。
H2値は、選択元素であるCr、Moの1種以上を含有する場合に適用される溶融金属脆化割れ感度指数であり、(2)式により定義される。この値が大きい材料は溶融金属脆化割れにより発生する最大割れ深さが大きくなる。
H2値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t …(2)
H3値は、選択元素であるCr、Moの含有の有無にかかわらず適用可能な溶融金属脆化割れ感度指数であり、(3)式により定義される。この値が大きい材料は溶融金属脆化割れにより発生する最大割れ深さが大きくなる。
H3値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t−0.7(Cr+Mo)1/2 …(3)
<マトリクス>
バーリング性を向上させるため、素材鋼板の金属組織はマトリクス(鋼素地)が延性の良好なフェライト単相であることが有効である。
本発明に従う鋼板の金属組織はマトリクスがフェライト単相であるが、Tiを含む析出物が熱間圧延時に析出し、その析出強化作用によって強度が上昇しており、およそ600MPa程度以上の引張強度を示す。また、バーリング性の向上には、このTi含有析出物がフェライトのマトリクス中に微細に分散していることが有効である。種々検討の結果、バーリング性と引張強さ約600MPaレベル以上の高強度を両立させるためには、フェライト相中に分散しているTi含有析出物の平均粒子径が20nm以下であることが極めて有効である。このような金属組織は熱間圧延の巻取温度および溶融めっきラインでの焼鈍温度を適正化することによって得られる。
上記の耐溶融金属脆化割れ性とバーリング性に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板は、例えば成分調整された鋼材(連続鋳造スラブなど)に、熱間圧延、酸洗、連続溶融めっきラインでの焼鈍および溶融Zn−Al−Mg系めっきを順次行う工程により製造することができる。以下、その場合の製造条件を例示する。
溶融金属脆化割れ感度指数H1値、H2値またはH3値を上述の範囲にコントロールするためには、鋼を溶製する時点での成分調整と、圧延する時点での板厚調整が必要である。上記の製造工程では冷間圧延を経ないので、素材鋼板(めっき原板)の板厚調整は基本的に熱間圧延において行う。具体的にはH1値≦2.84、H2値≦3.24またはH3値≦2.90を満たすように熱間圧延で板厚t(mm)をコントロールする。
素材鋼板の金属組織をフェライト単相とするため、および平均粒子径20nm以下のTi含有析出物の析出量を十分に確保するため、巻取温度は550〜680℃とする。巻取温度が550℃未満では、Ti含有析出物の析出量が不十分となり強度が低下する。また、ベイナイト等の第2相組織が生成しやすくなりバーリング性を低下させる要因となる。一方、巻取温度が680℃を超えると析出物の粗大化が起こり、強度低下およびバーリング性低下を招く。
焼鈍温度が550℃未満では鋼板表面が十分に還元せずめっき性が低下する。一方、焼鈍温度が700℃を超えると析出物の粗大化が起こり、強度低下およびバーリング性低下を招く。
本発明では、公知の溶融Zn−Al−Mg系めっきの手法を適用することができる。
めっき層中のAlは、めっき鋼板の耐食性を向上させる作用を有する。また、めっき浴中にAlを含有させることでMg酸化物系ドロス発生を抑制する作用もある。これらの作用を十分に得るには溶融めっきのAl含有量を3.0%以上とする必要があり、4.0%以上とすることがより好ましい。一方、Al含有量が22.0%を超えると、めっき層と素材鋼板との界面でFe−Al合金層の成長が著しくなり、めっき密着性が悪くなる。優れためっき密着性を確保するには15.0%以下のAl含有量とすることが好ましく、10.0%以下とすることがより好ましい。
表1に組成を示す各鋼を溶製し、そのスラブを1250℃に加熱した後、仕上圧延温度880℃、巻取温度530〜700℃で熱間圧延し、熱延鋼帯を得た。熱延鋼帯の板厚と、前述のH1値またはH2値は表1中に、巻取温度は表4中にそれぞれ示してある。
〔めっき浴組成(質量%)〕
Al:6.0%、Mg:3.0%、Ti:0.002%、B:0.0005%、Si:0.01%、Fe:0.1%、Zn:残部
採取した溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板サンプルから作製した薄膜を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察し、Ti含有析出物が30個以上の析出物が含まれる一定の領域内の当該析出物の粒子径(長径)を測定し、その平均値をTi含有析出物の平均粒子径とした。
試験片の長手方向が素材鋼板の圧延方向に対し直角になるように採取したJIS5号試験片を用い、JISZ2241に準拠して引張強さTS、全伸びT.ELを求めた。
溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板から90×90mmのサンプルを採取し、これを穴広げ性試験のための素板(ブランク材)とした。この素板の中央にポンチとダイスを用いて打抜き穴を開けた。ポンチの直径D0は10.0mm、ダイスはクリアランスが板厚の12%となるものを選んだ。打ち抜きままの穴に、バリの反対側から頂角60°のポンチを押し込み、初期穴を拡大した。その際、ポンチの移動速度は10mm/minとした。鋼板の穴が拡大して板厚方向に割れが貫通した時点でポンチを止め、穴の内径Dbを測定した。そして、(Db−D0)/D0×100(%)で定義される穴広げ率λを求めた。λが60%以上であれば溶接構造部材の多くの用途において問題のないバーリング性を有すると評価できるが、ここではより厳しい基準としてλが70%以上であるものを合格と判定した。
溶融金属脆化特性は、次の手順により溶接試験を行って評価した。
溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板から100mm×75mmのサンプルを切り出し、これを溶融金属脆化に起因する最大割れ深さを評価するための試験片とした。溶接試験は、図1に示す外観のボス溶接材を作成する「ボス溶接」を行い、その溶接部断面を観察して割れの発生状況を調べた。すなわち、試験片3の板面中央部に直径20mm×長さ25mmの棒鋼(JISに規定されるSS400材)からなるボス(突起)1を垂直に立て、このボス1を試験片3にアーク溶接にて接合した。溶接ワイヤーはYGW12を用い、溶接開始点から溶接ビード6がボスの周囲を1周し、溶接始点を過ぎた後もさらに少し溶接を進めて溶接開始点を過ぎて溶接ビードの重なり部分8ができたところで溶接を終了とした。溶接条件は、190A,23V,溶接速度0.3m/min、シールドガス:Ar−20vol.%CO2、シールドガス流量:20L/minとした。
溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板から100mm×100mmのサンプルを採取し、同種のサンプル2枚を下記に示す溶接条件で、図3に模式的に示すように重ねすみ肉アーク溶接にて接合した。その後、表2に示す条件で表面調整とリン酸塩処理を施し、表3に示す条件でカチオン電着塗装を施した。カチオン電着塗装したサンプルに、振動による疲労をシミュレートするために溶接方向と垂直方向に応力50N/mm2、試験回数1×105回の試験条件で疲労試験を施した後、図4に示す条件の複合腐食試験(CCT)に供し、CCT250サイクル後の赤錆発生有無を調査した。溶接部に赤錆の発生が認められないものを○(良好)、それ以外を×(不良)と判定した。
・溶接電流:150A
・アーク電圧:20V
・溶接速度:0.4m/min
・溶接ワイヤー:YGW14
・シールドガス:Ar−20vol.%CO2、流量20L/min
以上の試験結果を表4に示す。
図6に、溶融金属脆化割れ感度指数H2と最大母材割れ深さの関係を示す。
表5に組成を示す各鋼を溶製し、実施例1と同様の製造条件にて溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を得た。熱延鋼帯の板厚と、前述のH3は表5中に、巻取温度は表6中にそれぞれ示してある。
2 クランプ
3 試験片
4 拘束板
5 実験台
6 溶接ビード
7 試験片全周溶接部の溶接ビード
8 溶接ビードの重なり部分
9 切断面
18 溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板サンプル
19 溶接金属
Claims (10)
- 素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板において、素材鋼板が、質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:1.00%以下、Mn:1.00〜2.50%、P:0.050%以下、S:0.020%以下、N:0.005%以下、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.100%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、フェライト相およびそのフェライト相中に分散している平均粒子径20nm以下のTi含有析出物からなる金属組織を有し、下記(1)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H1値が2.84以下となる鋼成分含有量と板厚t(mm)の関係を有する自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
H1値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+0.4t …(1)
ただし、(1)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板において、素材鋼板が、質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:1.00%以下、Mn:1.00〜2.50%、P:0.050%以下、S:0.020%以下、N:0.005%以下、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.100%以下を含有し、さらにCr:0.40%以上1.00%以下、Mo:0.60%以上1.00%以下の1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、フェライト相およびそのフェライト相中に分散している平均粒子径20nm以下のTi含有析出物からなる金属組織を有し、下記(2)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H2値が3.24以下となる鋼成分含有量と板厚t(mm)の関係を有する自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
H2値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t …(2)
ただし、(2)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 素材鋼板が、さらに、質量%で、Nb:0.10%以下、V:0.10%以下の1種以上を含有する請求項1または2に記載の自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
- 素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板において、素材鋼板が、質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:0.01〜1.00%、Mn:0.50〜2.50%、P:0.005〜0.050%、S:0.001〜0.020%、N:0.001〜0.005%、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.005〜0.100%、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Nb:0〜0.10%、V:0〜0.10%、残部Feおよび不可避的不純物からなる化学組成を有し、フェライト相からなるマトリクス中に平均粒子径20nm以下のTi含有析出物が分散した金属組織を有し、下記(3)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H3値が2.47以下となる鋼成分含有量と板厚t(mm)の関係を有する溶接構造部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
H3値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t−0.7(Cr+Mo)1/2 …(3)
ただし、(3)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 前記溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき組成は、質量%で、Al:3.0〜22.0%、Mg:0.05〜10.0%、Ti:0〜0.10%、B:0〜0.05%、Si:0〜2.0%、Fe:0〜2.0%、残部Znおよび不可避的不純物からなる請求項1〜4のいずれかに記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
- 質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:1.00%以下、Mn:1.00〜2.50%、P:0.050%以下、S:0.020%以下、N:0.005%以下、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.100%以下を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材に、熱間圧延、酸洗、連続溶融めっきラインでの焼鈍および溶融Zn−Al−Mg系めっきを順次行う工程により、素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板を製造するに際し、
熱間圧延にて下記(1)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H1値が2.84以下となる板厚t(mm)に圧延し、巻取温度を550〜680℃とし、連続溶融めっきラインでの焼鈍温度を500〜700℃とする、請求項1に記載の自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
H1値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+0.4t …(1)
ただし、(1)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:1.00%以下、Mn:1.00〜2.50%、P:0.050%以下、S:0.020%以下、N:0.005%以下、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.100%以下を含有し、さらにCr:0.40%以上1.00%以下、Mo:0.60%以上1.00%以下の1種以上を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材に、熱間圧延、酸洗、連続溶融めっきラインでの焼鈍および溶融Zn−Al−Mg系めっきを順次行う工程により、素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板を製造するに際し、
熱間圧延にて下記(2)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H2値が3.24以下となる板厚t(mm)に圧延し、巻取温度を550〜680℃とし、連続溶融めっきラインでの焼鈍温度を500〜700℃とする、請求項2に記載の自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
H2値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t …(2)
ただし、(2)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 前記素材鋼板の化学組成範囲が、さらに、質量%で、Nb:0.10%以下、V:0.10%以下の1種以上を含有する組成範囲である請求項6または7に記載の自動車足回り部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
- 質量%で、C:0.010〜0.100%、Si:0.01〜1.00%、Mn:0.50〜2.50%、P:0.005〜0.050%、S:0.001〜0.020%、N:0.001〜0.005%、Ti:0.02〜0.20%、B:0.0005〜0.0100%、Al:0.005〜0.100%、Cr:0〜1.00%、Mo:0〜1.00%、Nb:0〜0.10%、V:0〜0.10%、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材に、熱間圧延、酸洗、連続溶融めっきラインでの焼鈍および溶融Zn−Al−Mg系めっきを順次行う工程により、素材鋼板の表面に溶融Zn−Al−Mg系めっき層を有するめっき鋼板を製造するに際し、
熱間圧延にて下記(3)式で表される溶融金属脆化割れ感度指数H3値が2.47以下となる板厚t(mm)に圧延し、巻取温度を550〜680℃とし、連続溶融めっきラインでの焼鈍温度を500〜700℃とする、請求項4に記載の溶接構造部材用溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
H3値=C/0.2+Si/5.0+Mn/1.3+Cr/1.0+Mo/1.2+0.4t−0.7(Cr+Mo)1/2 …(3)
ただし、(3)式の元素記号の箇所には素材鋼板中における当該元素の含有量(質量%)が代入される。 - 前記溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき組成は、質量%で、Al:3.0〜22.0%、Mg:0.05〜10.0%、Ti:0〜0.10%、B:0〜0.05%、Si:0〜2.0%、Fe:0〜2.0%、残部Znおよび不可避的不純物からなる請求項6〜9のいずれかに記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
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