JP6763023B2 - 表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板及びその製造方法 - Google Patents

表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、自動車車体構造用部材などに用いられる溶融亜鉛めっき鋼板に関し、より詳細には、表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板、並びにその製造方法に関する。
近年、地球環境保全のための二酸化炭素規制に伴う自動車の軽量化及び自動車の衝突安定性などを向上させるための努力の一環として、自動車用鋼板の高強度化が要求され続けている。
このような要求を満たすために、近年には、引張強度900MPa以上の高強度鋼板が開発されて自動車用鋼板として適用されている。
鋼板の強度を高める方法としては、炭素をはじめ鋼強化成分の添加量を増加させる方法があり、これにより強度を向上させた鋼板を容易に製造することができる。
しかし、自動車用鋼板、特に自動車車体用鋼板の場合は、車体に成形する過程で割れなどの欠陥が発生してはならないため、強度を向上させると共に伸びを確保することが求められている。
よって、鋼板の強度及び延性を同時に確保するために、主にMn、Si、Al、Cr、Tiなどの元素を添加しており、これらの添加量を適宜調整すると共に製造条件を制御することにより、高い強度及び延性を有する鋼板を製造することができる。
一方、自動車の寿命延長のためには、自動車用鋼板の耐食性を確保する必要があり、このために溶融亜鉛でめっき処理された溶融亜鉛めっき鋼板が適用されている。このような溶融亜鉛めっき鋼板は、連続焼鈍炉内で焼鈍処理された鋼板をめっき浴に装入してめっき処理することにより製造することができる。
900MPa以上の引張強度を有する自動車用高強度鋼板の場合、目標とする強度及び延性の確保のために、鋼中にSi、Mn、Alなどの成分を添加する。しかし、これらの元素は、酸化しやすい元素であって、上記鋼板の焼鈍時に焼鈍炉内に存在する微量の酸素又は水蒸気と反応して、鋼板の表面にSi、MnもしくはAlの単独酸化物又はこれらの複合酸化物を形成することにより、後続の亜鉛めっき時に亜鉛の濡れ性を阻害するため、めっき鋼板の表面に局部的又は全体的に亜鉛が付着しない、いわゆる不めっき現象を発生させ、めっき鋼板の表面品質を大きく低下させるという問題がある。
それだけでなく、高強度亜鉛めっき鋼板をスポット溶接する場合、加熱及び冷却により膨張及び収縮が起こり、これにより局部的に引張応力が発生すると、溶融状態の亜鉛が素地鉄の結晶粒界に沿って浸透して脆性割れを引き起こす液体金属脆化(Liquid metal embrittlement)現象が発生する。このように、亜鉛めっき鋼板のスポット溶接による液体金属脆化は、融着部より溶接熱影響部で激しく発生し、これにより溶接後の強度が大きく低下する。
亜鉛めっき鋼板の液体金属脆化は、素地鋼板中のSi、Mn、Alなどの含量が高い高強度鋼において激しく発生するが、高強度鋼は、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト、オーステナイトなどから構成される複合組織鋼であって、亜鉛めっきされた複合組織鋼をスポット溶接すると、溶接過程で温度上昇により表面の亜鉛めっき層が溶融し、溶融した亜鉛が素地鉄の結晶粒界に浸透することにより、液体金属脆化が発生する。特に、素地鉄の表層部組織にフェライトとオーステナイトが共存する場合、結晶粒界エネルギーがフェライトとフェライト相の結晶粒界エネルギーよりはるかに大きいため、フェライトとオーステナイトの粒界を介した液状亜鉛の浸透が激しくなり、液体金属脆化が激しく発生する。
その上、溶接部に液体金属脆化が発生すると、材料の剛性が大きく低下する。
よって、高強度溶融亜鉛めっき鋼板を自動車用鋼板として適切に使用するためには、めっき時の表面品質を確保すると共に、溶接部における液体金属脆化を減少させることが非常に重要である。
従来、高強度鋼板のめっき品質を向上させるために、次のように様々な技術が提案されている。
特許文献1においては、焼鈍過程で空気と燃料を空燃比0.80〜0.95に制御して、酸化性雰囲気の直火加熱炉(direct flame furnace)内で鋼板を酸化させることにより、鋼板内部の所定の深さまでSi、MnもしくはAlの単独又は複合酸化物を含む鉄酸化物を形成させ、次に還元性雰囲気で還元焼鈍させることで鉄酸化物を還元させ、その後溶融亜鉛めっきを行うことにより、めっき品質を向上させている。
このように焼鈍工程で酸化させた後に還元させる方法を適用すると、鋼板の表層から所定の深さに酸素との親和力の大きい成分が内部酸化して表層への拡散が抑制されるため、表層にはこれらの元素による酸化物の形成が相対的に抑制され、めっき浴中での亜鉛との濡れ性が改善されることにより、不めっきを減少させることができる。
しかし、酸化後還元法により高強度鋼板のめっき性は改善されるものの、鋼板を構造部材に成形した後に組み付けのためにスポット溶接する際に液体金属脆化の発生を抑制するには限界がある。
他の技術として、特許文献2においては、焼鈍炉内の露点(Dew point)を高く維持し、酸化しやすいMn、Si、Alなどの成分を鋼中で内部酸化させることにより、焼鈍後に鋼板の表面において外部酸化する酸化物を減少させてめっき性を向上させる方法を提示している。
上記技術により酸化性成分を内部酸化させる場合、外部酸化が減少してめっき性が改善されるという効果があるが、素地鋼板がオーステナイト相を含有しているため、スポット溶接中にフェライトとオーステナイトの粒界を介して液状亜鉛の浸透が激しくなり、液体金属脆化が発生するという問題がある。
韓国公開特許第2010−0030627号公報 韓国公開特許第2009−0006881号公報
本発明の一態様は、自動車車体構造用部材として適した高強度溶融亜鉛めっき鋼板を提供する上で、めっき表面品質に優れるだけでなく、スポット溶接時の液体金属脆化の発生を抑制することにより、溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板及びその製造方法を提供するためのものである。
本発明の一態様は、素地鋼板及び上記素地鋼板の表面に形成される亜鉛めっき層を含み、
上記素地鋼板は、重量%で、炭素(C):0.1〜0.3%、シリコン(Si):0.5〜2.5%、マンガン(Mn):2.0〜8.0%、可溶性アルミニウム(sol.Al):0.001〜0.5%、リン(P):0.04%以下(0%は除く)、硫黄(S):0.015%以下(0%は除く)、窒素(N):0.02%以下(0%は除く)、クロム(Cr):0.01〜0.7%、チタン(Ti):(48/14)×[N]〜0.1%、残部Fe及び不可避不純物を含み、
上記素地鋼板は、微細組織が、面積分率で、5〜30%のフェライト、5〜20%のオーステナイト、50〜80%のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物を含み、上記表面から厚さ方向に2μm以内の微細組織が、面積分率で、50%以上のフェライト、2%以下(0%を含む)のオーステナイト、50%以下(0%を含む)のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物を含む、表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板を提供する。
本発明の他の態様は、上記成分組成を有する鋼スラブを1100〜1300℃の温度範囲に再加熱する段階と、上記再加熱された鋼スラブをAr3以上の温度で仕上げ熱間圧延して熱延鋼板を製造する段階と、上記熱延鋼板を700℃以下の温度で巻き取る段階と、上記巻き取られた熱延鋼板を酸洗した後に冷間圧延して冷延鋼板を製造する段階と、上記冷延鋼板を露点温度−40〜−20℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で750〜950℃の温度範囲で5〜120秒間1次再結晶焼鈍する段階と、上記1次再結晶焼鈍された冷延鋼板を露点温度−20〜5℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で700〜950℃の温度範囲で5〜120秒間2次再結晶焼鈍する段階と、上記2次再結晶焼鈍された冷延鋼板を200〜400℃まで冷却する段階と、上記冷却された冷延鋼板を維持後に450〜500℃に再加熱又は再冷却し、その後亜鉛めっき浴に浸漬して溶融亜鉛めっき鋼板を製造する段階と、を含む、表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法を提供する。
本発明によれば、合金の成分組成及び製造条件を最適化することでめっき鋼板の素地鉄の表面及び内部の微細組織を制御することにより、自動車車体構造用部材に適用できるレベルの強度及び延性を有する高強度溶融亜鉛めっき鋼板を提供することができる。
また、本発明の高強度溶融亜鉛めっき鋼板は、スポット溶接時の液体金属脆化の発生が効果的に抑制されることにより、優れたスポット溶接性及び表面品質を共に確保することができる。
本発明者らは、自動車車体構造用部材として適した機械的物性を有する高強度鋼板を提供する上で、上記鋼板のめっき時に発生する不めっきなどによる表面品質の低下及び液体金属脆化の発生によるスポット溶接性の低下を防止する方法について深く研究している。
その結果、めっき素材として用いられる素地鋼板の成分組成及びその製造条件を最適化することにより、めっき時の不めっきなどの欠陥と溶接時の液体金属脆化などの問題を防止できる組織を有する素地鋼板を提供し、それを亜鉛めっき処理することにより、目標とする表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板を提供することができることを確認し、本発明を完成するに至った。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の一態様による高強度溶融亜鉛めっき鋼板は、素地鋼板及び上記素地鋼板の表面に形成される亜鉛めっき層を含み、上記素地鋼板は、重量%で、炭素(C):0.1〜0.3%、シリコン(Si):0.5〜2.5%、マンガン(Mn):2.0〜8.0%、可溶性アルミニウム(sol.Al):0.001〜0.5%、リン(P):0.04%以下(0%は除く)、硫黄(S):0.015%以下(0%は除く)、窒素(N):0.02%以下(0%は除く)、クロム(Cr):0.01〜0.7%、チタン(Ti):(48/14)×[N]〜0.1%の成分組成を有することが好ましい。
以下では、上記素地鋼板の成分組成を上記のように制御する理由について詳細に説明する。ここで、特に言及しない限り、各成分の含量は重量%を意味する。
C:0.1〜0.3%
炭素(C)は、鋼の強度確保のための必須元素であり、十分な強度を確保するためには0.1%以上添加することが好ましい。ただし、その含量が0.3%を超えると、延性と共に曲げ加工性及び溶接性が低下し、プレス成形及びロール加工性が悪くなるという問題がある。
Si:0.5〜2.5%
シリコン(Si)は、鋼の降伏強度を向上させると共に、常温でフェライト及び残留オーステナイトを安定化させるのに有効な元素である。また、冷却時にオーステナイトからのセメンタイトの析出を抑制し、炭化物の成長を著しく阻止することにより、TRIP(変態誘起塑性)鋼において十分な量の残留オーステナイトを安定化させるのに寄与する。
それだけでなく、本発明で目標とする900MPa以上の引張強度と優れた延性の確保のための必須元素であり、上記効果を得るためには0.5%以上添加することが好ましい。ただし、その含量が高すぎると、熱間圧延負荷が増大して熱延割れを引き起こすという問題があり、焼鈍後に表面のSi濃化量が多くなってめっき性が劣る問題がある。そこで、これを考慮して、本発明においては、Siの上限を2.5%に制限することが好ましい。
Mn:2.0〜8.0%
マンガン(Mn)は、フェライトの形成を抑制してオーステナイトを安定させる硬化能向上元素としてよく知られている。また、Mnは、鋼の強度向上に有効な元素であって、本発明で目標とする引張強度を確保するためには2.0%以上添加することが好ましい。このようなMnは、含量が高いほど強度の確保は容易であるが、焼鈍過程でMnの表面酸化量が増加してめっき性が劣る恐れがある。そこで、これを考慮して、本発明においては、Mnの上限を8.0%に制限することが好ましい。
sol.Al:0.001〜0.5%
可溶性アルミニウム(sol.Al)は、製鋼工程で脱酸のために添加される元素であり、炭窒化物形成元素である。また、Alは、フェライト域を拡大する元素であって、Ac1変態点を下げて焼鈍コストを低減するのに有利であるという効果がある。そのためには、sol.Alを0.001%以上添加することが好ましいが、その含量が0.5%を超えると、溶接性が劣化すると共に、焼鈍過程でAlの表面酸化量が増加してめっき性の確保が難しくなるという問題がある。
P:0.04%以下(0%は除く)
リン(P)は、鋼中の不純物元素であって、その含量が0.04%を超えると、溶接性が低下し、鋼の脆性が生じる危険性が大きくなり、デント欠陥を引き起こす可能性が高くなるという問題がある。よって、Pの上限を0.04%に制限することが好ましい。
S:0.015%以下(0%は除く)
硫黄(S)は、上記Pと同様に、鋼中の不純物元素であって、鋼の延性及び溶接性を阻害する元素である。その含量が0.015%を超えると、鋼の延性及び溶接性を阻害する可能性が高くなるため、その含量を0.015%以下に制限することが好ましい。
N:0.02%以下(0%は除く)
窒素(N)は、窒化物を形成する元素であって、その含量が0.02%を超えると、AlNの形成により連続鋳造時に割れが発生する危険性が著しく増加するという問題があるため、その上限を0.02%に制限することが好ましい。
Cr:0.01〜0.7%
クロム(Cr)は、硬化能増加元素であって、フェライトの形成を抑制するという効果がある。特に、本発明においては、上述のようにフェライトの形成を抑制して所定の分率の残留オーステナイトを確保するためには、0.01%以上添加することが好ましいが、その含量が0.7%を超えると、過量の合金投入によりコスト上昇を招くという問題があるため好ましくない。
Ti:(48/14)×[N]〜0.1%
チタン(Ti)は、窒化物形成元素であって、鋼中のN濃度を低下させるという効果がある。そのためには、化学当量的に(48/14)×[N(重量%)]以上添加する必要がある。Tiを添加しない場合は、AlNの形成により連続鋳造時に割れが発生する恐れがあるため好ましくなく、その含量が0.1%を超えて高すぎると、固溶Nの除去の他に、さらに炭化物が析出することにより、マルテンサイトの炭素濃度及び強度が低下するため好ましくない。
上記素地鋼板は、上記成分組成に加え、本発明で目標とする物性をより向上させるために、下記成分をさらに含んでもよい。ここで、下記成分は、1種のみを選択して添加してもよく、2種以上を複合して添加してもよい。
Mo:0.1%以下(0%を含む)
モリブデン(Mo)は、上記Crと同様に、鋼の強度向上に寄与する効果が大きい元素であって、溶融亜鉛の濡れ性を阻害しないと共に強度確保に有利な元素である。ただし、このようなMoは、含量が高すぎると経済的に好ましくないため、その含量を0.1%以下に制限することが好ましい。
Sb:0.05%以下(0%を含む)
アンチモン(Sb)は、めっき表面品質を向上させるのに有用な元素であって、添加時、素地鋼板の表層部にSbが濃化してSi、Mn、Alなどの表面拡散が相対的に抑制されることにより、めっき性が向上するという効果が得られる。ただし、このようなSbは、含量が0.05%を超えると、鋼の脆性が増加して伸びが減少する恐れがあるという問題があるため、その含量を0.05%以下に制限することが好ましい。
Nb:0.1%以下(0%を含む)
ニオブ(Nb)は、オーステナイト粒界に炭化物の形態で偏析し、焼鈍熱処理時にオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制することにより、強度を向上させるという効果がある。ただし、このようなNbは、含量が0.1%を超えると、製造コストが大きく上昇するという問題があるため、これを考慮して、その含量を0.1%以下に制限することが好ましい。
B:0.005%以下(0%を含む)
ボロン(B)は、鋼の強度確保のために添加される元素であるが、その含量が0.005%を超えると、焼鈍時に表面に濃化してめっき性を大きく阻害するという問題がある。よって、本発明においては、上記Bを添加する際に、その含量を0.005%以下に制限することが好ましい。
本発明の残りの成分は鉄(Fe)である。ただし、通常の製造過程で原料又は周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入することがあるため、これを排除することは難しい。これらの不純物は通常の製造過程の技術者であれば誰でも分かるものであるため、本発明ではその全ての内容を特に言及しない。
上記成分組成を有する本発明の素地鋼板は、その微細組織が、面積分率で、5〜30%のフェライト、5〜20%のオーステナイト、50〜80%のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物から構成されることが好ましい。
上記のように、軟質相と硬質相の分率を適正に制御して含むことにより強度及び延性を同時に確保することができ、オーステナイトにより加工後の強度が高くなるように形成することができる。
ただし、素地鋼板の全厚さにおいて上記微細組織から構成される場合、亜鉛めっき後のスポット溶接過程で界面エネルギーの高いフェライト相、オーステナイト相、ベイナイト相、マルテンサイト相の異種相の界面に液状亜鉛が浸透しやすくなり、これにより液体金属脆化(LME)が発生するという問題がある。
よって、本発明においては、上述の微細組織から構成される素地鋼板の表層部領域の微細組織をフェライト主相で形成することが好ましい。
より具体的には、上記素地鋼板の表面から厚さ方向に2μm以内の微細組織が、面積分率で、50%以上のフェライト、2%以下(0%を含む)のオーステナイト、50%以下(0%を含む)のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物から構成されることが好ましく、より有利には、フェライト単相から構成されることがより好ましい。
このように、上記素地鋼板の表層部領域を軟質相から構成することにより、後続のスポット溶接時に液体金属脆化を効果的に抑制することができる。
また、上記素地鋼板は、焼鈍工程で鋼中の酸化性元素(例えば、Si、Mn、Alなど)の表面酸化を抑制してめっき品質を向上させるために、上記素地鋼板の表面から厚さ方向に5μm以内にSi酸化物、Mn酸化物、Al酸化物及びCr酸化物から選択される2種以上の内部酸化物を含むことが好ましい。
上記酸化性元素を内部酸化物として形成させることにより、これらの表面への拡散を抑制することができる。
上述の成分組成や微細組織などを満たす本発明の素地鋼板を、後述する製造工程により溶融亜鉛めっき鋼板として製造することができ、このような本発明の溶融亜鉛めっき鋼板は、引張強度900MPa以上の高強度を確保することができると共に、16000MPa%以上の引張強度(MPa)×伸び(%)の値も確保することができる。
以下では、本発明の他の態様の高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法について詳細に説明する。
簡単に述べると、上記成分組成の鋼スラブを準備した後に、[再加熱−熱間圧延−冷間圧延−焼鈍−亜鉛めっき]工程を行うことで製造することができるという方法である。
再加熱工程
まず、上記成分組成を満たす鋼スラブを所定の温度範囲に再加熱することが好ましい。
ここで、再加熱の温度範囲は1100〜1300℃であることが好ましいが、その温度が1100℃未満であると、熱間圧延荷重が急激に増加するという問題があるため好ましくない。また、再加熱の温度範囲が1300℃を超えると、再加熱コストが上昇するだけでなく、表面スケール量が過多となるという問題があるため好ましくない。
熱間圧延工程
上記に従って再加熱された鋼スラブを仕上げ熱間圧延して熱延鋼板に製造することが好ましい。
ここで、上記仕上げ熱間圧延時の仕上げ圧延温度はAr3以上であることが好ましい。上記仕上げ圧延温度がAr3未満であると、フェライト+オーステナイトの2相域又はフェライト域の圧延が行われて混粒組織が形成され、熱間圧延荷重の変動による誤作動の恐れがあるため好ましくない。
巻取工程
上記製造された熱延鋼板を巻き取ることが好ましい。
ここで、上記巻取は、700℃以下で行うことが好ましく、より有利には、400〜700℃で行うことが好ましい。
巻取温度が700℃を超えると、鋼板の表面に酸化膜が過剰に形成されて欠陥を引き起こす恐れがあるため好ましくなく、巻取温度が400℃未満であると、熱延鋼板の強度が高すぎることから後続の冷間圧延時に圧延ロールの負荷が大きくなるため好ましくない。
冷間圧延工程
上記巻き取られた熱延鋼板を酸洗及び冷間圧延して冷延鋼板に製造することが好ましい。
上記冷間圧延時の冷間圧下率については特に限定しないが、圧延工程の負荷などを考慮して、60%以下で行うことが好ましい。
焼鈍工程
上記に従って製造された冷延鋼板を焼鈍炉に装入して焼鈍熱処理を施すことが好ましい。
本発明においては、上述の微細組織、すなわち素地鋼板の表層部領域の微細組織を軟質相で形成すると共に、内部酸化物の形成により酸化性元素の表面拡散を抑制するために、次のように1次再結晶焼鈍及び2次再結晶焼鈍を行うことが好ましい。
1次再結晶焼鈍
上記1次再結晶焼鈍は、露点温度−40〜−20℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で750〜950℃の温度範囲で行うことが好ましい。
1次再結晶焼鈍時の露点温度が−40℃未満であると、鋼板の表面にSi含量の高い酸化物が形成され、後続の2次焼鈍時に焼鈍炉内の雰囲気を制御しても焼鈍後に鋼板の表面にSi含量の高い酸化物が存在するため、めっき性を阻害するという問題がある。上記露点温度が−20℃を超えると、鋼板の表層部直下の素地鉄にSi、Mn、Al又はCrから構成される内部酸化物が形成され、上記内部酸化物が2次焼鈍過程で表層部にフェライトが形成されることを妨害し、本発明で意図する表層部の微細組織が得られなくなる。
よって、本発明においては、1次再結晶焼鈍時の露点温度を−40〜−20℃に制御することが好ましく、これにより、最終焼鈍後、鋼板の表面はMnが主となる酸化物から構成されてめっき性を確保することができるだけでなく、内部酸化物が形成されないため、後続の2次焼鈍及び亜鉛めっき後に素地鋼板の表層部の微細組織が意図する軟質相で形成されることにより、スポット溶接性を向上させることができる。
一方、上記1次再結晶焼鈍時のガス雰囲気中の水素含量は、体積%で3〜70%に制御することが好ましい。上記ガス雰囲気中の水素含量が3%未満であると、鋼板の表面に存在する鉄酸化物の還元が不十分であり、70%を超えても鋼板の表面の鉄酸化物の還元効果は優れるが、経済的な面を考慮して、70%以下、より有利には、30%以下に制御することが好ましい。
さらに、焼鈍温度が750℃以上に制御されないと、再結晶が十分に起こらない。ただし、焼鈍温度が950℃を超えることは、焼鈍炉の寿命が短縮されるため好ましくない。
このときの焼鈍時間は、均一な再結晶組織を得るために5秒以上とし、経済的な面を考慮して、120秒以下に制限することが好ましい。
2次再結晶焼鈍
上記1次再結晶焼鈍された冷延鋼板を常温に冷却し、その後それを再び焼鈍炉に装入して2次再結晶焼鈍を行うことが好ましい。
上記2次再結晶焼鈍は、露点温度−20〜5℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で700〜950℃の温度範囲で行うことが好ましい。
上記2次再結晶焼鈍工程において、焼鈍炉内の露点温度は、鋼中のSi、Mn、Al、Crなどの酸素と親和力の大きい成分が表面に拡散して表面酸化物を形成することを抑制するために−20〜5℃に制御して、上記成分を内部酸化させることが好ましい。
ここで、露点温度が−20℃未満であると、上記成分が表面に拡散して酸化することにより表面酸化物を形成し、めっき性を阻害するという問題がある。それに対して、露点温度が5℃を超えると、上記酸化性成分を内部酸化させる上で大きな問題はないが、内部酸化物層の厚さが厚すぎて材料特性が悪くなるという問題がある。
このように2次再結晶焼鈍時に焼鈍炉内の露点温度を−20〜5℃に維持する場合、内部酸化と共に表面での脱炭反応が起こり、表層部にフェライト相分率を高めるのに効果的である。
一方、上記2次再結晶焼鈍時のガス雰囲気中の水素含量は、体積%で3〜70%に制御することが好ましい。上記ガス雰囲気中の水素含量が3%未満であると、鋼板の表面に存在する鉄酸化物の還元が不十分であり、70%を超えても鋼板の表面の鉄酸化物の還元効果は優れるが、経済的な面を考慮して、70%以下に制限することが好ましい。
さらに、焼鈍温度が700℃以上に制御されないと、再結晶が十分に起こらず、目標とする組織及び材質を確保することが難しくなる。ただし、焼鈍温度が950℃を超えると、焼鈍炉の寿命が短縮されるため好ましくない。
このときの焼鈍時間は、均一な再結晶組織を得るために5秒以上にし、経済的な面を考慮して、120秒以下に制限することが好ましい。
冷却工程
上記に従って1次及び2次再結晶焼鈍処理された冷延鋼板を所定の温度まで冷却することが好ましい。
ここで、上記冷却は、200〜400℃の温度範囲で終了することが好ましい。冷却終了温度が200℃未満であると、マルテンサイト分率が高すぎるため、伸びの確保が難しくなるという問題があり、冷却終了温度が400℃を超えると、オーステナイトとマルテンサイトの分率が減少して十分な強度及び伸びを確保できなくなるという問題がある。
上記冷却は、5〜100℃/sの平均冷却速度で行うことが好ましい。
上記再結晶焼鈍が行われたフェライトとオーステナイトの2相域又はオーステナイト単相域でオーステナイトがパーライトに変態することを抑制するために、上記冷却は、5℃/s以上の平均冷却速度で行うことが好ましい。ただし、平均冷却速度が100℃/sを超えると、急冷により鋼板の幅方向の温度偏差が大きくなり、鋼板の形状が不良となるという問題があるため好ましくない。
亜鉛めっき工程
上記条件で冷却された冷延鋼板を亜鉛めっき浴に浸漬して溶融亜鉛めっき鋼板を製造することが好ましい。
ここで、上記冷延鋼板を450〜500℃に再加熱又は再冷却した後に440〜500℃に維持し、Al含量0.13〜0.3%、残部Zn及び不可避不純物で組成される亜鉛めっき浴に浸漬した後、上記冷延鋼板を取り出してめっき付着量を調整し、その後冷却することにより、溶融亜鉛めっき鋼板に製造することができる。
上記めっき浴の温度が440℃未満であると、亜鉛の粘度が上昇してめっき浴中のロールの駆動性が低下するという問題があり、上記めっき浴の温度が500℃を超えると、蒸発する亜鉛が増加するため好ましくない。
また、上記めっき浴中のAl含量が0.13%未満であると、素地鉄とめっき層の界面に形成されるFe−Al合金相の形成が抑制されてめっき剥離が発生する恐れがあり、Al含量が0.3%を超えると、めっき層中のAl含量が増加して溶接性を阻害するという問題があるため好ましくない。
本発明は、上述の工程及び条件により高強度溶融亜鉛めっき鋼板を製造する際に、冷間圧延して製造された冷延鋼板に1次再結晶焼鈍工程を行ってから2次再結晶焼鈍工程を行う前に、その表面にFe、Ni、Co及びSnの1種以上を片面当たり0.01〜5.0g/mの付着量でプレめっきしてもよい。
上記プレめっきにより、後続の焼鈍工程で露点温度を効果的に制御することができる。
本発明により製造された高強度溶融亜鉛めっき鋼板は、素地鋼板の表面に亜鉛めっき層を含むものであると共に、上記素地鋼板は、微細組織として、面積分率で、5〜30%のフェライト、5〜20%のオーステナイト、50〜80%のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物が形成され、表面から厚さ方向に2μm以内では面積分率で、50%以上のフェライト、2%以下(0%を含む)のオーステナイト、50%以下(0%を含む)のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物が形成される。
これにより、本発明の高強度溶融亜鉛めっき鋼板は、引張強度が900MPa以上であると共に、16000MPa%以上の引張強度(MPa)×伸び(%)の値を確保することができる。
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。ただし、後述する実施例は本発明を例示して具体化するためのものにすぎず、本発明の権利範囲を制限するためのものではないことに留意する必要がある。本発明の権利範囲は特許請求の範囲に記載された事項とそれから合理的に類推される事項により決定されるものであるからである。
下記表1の成分組成を有する鋼を溶解し、その後それぞれの鋼スラブを製造した。上記それぞれの鋼スラブを1200℃で1時間維持し、その後900℃で仕上げ圧延して熱延鋼板を製造した。その後、それぞれの熱延鋼板を650℃まで冷却し、650℃に維持された保温炉で1時間維持し、その後炉冷を行った。
上記冷却が完了した熱延鋼板の熱延割れ発生の有無を肉眼で観察し、その後60℃、17Vol%HCl溶液で30秒間酸洗を行って鋼板表面の酸化物を溶解した。このように酸洗が完了した鋼板を50%の圧下率で冷間圧延を行って冷延鋼板を製造した。
上記それぞれの冷延鋼板は、前処理により表面に残存する異物を除去し、下記表2の条件で1次再結晶焼鈍を行い、その後冷却した。上記1次再結晶焼鈍時の焼鈍炉内の雰囲気ガスは5%H−N条件に制御した。
上記1次再結晶焼鈍が完了した後、下記表2に示した条件で2次再結晶焼鈍及び溶融めっきを行った。このとき、焼鈍及び溶融めっきは直結型設備で行い、2次焼鈍時の焼鈍炉内の雰囲気ガスは5%H−N条件に制御した。また、2次焼鈍された鋼板がめっき浴に引き込まれる温度は、めっき浴の温度より10℃高く設定した。
上記溶融めっきまで完了した後、エアナイフを用いて片面当たりのめっき付着量を60g/mに調整して冷却することにより、それぞれの溶融亜鉛めっき鋼板を製造した。
上記それぞれの溶融亜鉛めっき鋼板に対して、表面の不めっき部位の存在の有無及び程度を肉眼で観察して表面品質を評価し、その結果を下記表3に示した。
また、鋼板のめっき密着性を評価するために、鋼板の表面に自動車構造用接着剤を塗布して乾燥させてから90゜に曲げ、その後めっき鋼板が接着剤に付くかを確認してめっき密着性を評価し、その結果を下記表3に示した。
さらに、それぞれの溶融亜鉛めっき鋼板をJIS5号で引張試験を行って鋼板の引張強度及び伸びを測定し、引張強度(MPa)と引張強度(TS)(MPa)×伸び(El)(%)に換算した値を下記表3に示した。
一方、それぞれの溶融亜鉛めっき鋼板の素地鉄の表層部及び内部の組織相分率を測定するために、EBSD(電子後方散乱回折)とX線回折を用いた。ここで、素地鉄の表面から厚さ方向に0.3μm以内の地点で相分析を行って表層部の相分率とし、また、素地鉄の表面から厚さ方向に10μm以内の地点で相分析を行って内部の相分率として下記表3に示した。
さらに、それぞれの溶融亜鉛めっき鋼板の断面をTEMで観察して、素地鉄内部の内部酸化物の成分、素地鉄の表面からの内部酸化物が存在する深さを測定し、下記表3に示した。
さらに、溶接性評価のために、製造された溶融亜鉛めっき鋼板を2枚重ねてスポット溶接を行い、溶接された鋼板の断面をSEMで観察して熱影響部の割れの大きさを測定し、そのうち最大の大きさを該当試片の液体金属脆化(LME)の大きさとして記録した。
上記スポット溶接は、ISO 18278−2標準によって行い、溶接電流はZn Expulsion電流より0.5kA低く設定した。
Figure 0006763023
(上記成分組成Dを有する鋼板の場合、熱間圧延過程で割れが発生し、後工程の進行を中断した。)
Figure 0006763023
Figure 0006763023
Figure 0006763023
(上記表3において、表面品質は、○:不めっき部位なし、△:直径1mm以下の不めっき存在、×:直径2mm超の不めっき存在の基準で評価し、めっき密着性は、○:めっき剥離なし、×:めっき剥離ありの基準で評価した。)
(上記表3において、Fはフェライト、γはオーステナイト、Bはベイナイト、Mはマルテンサイトを意味する。)
上記表1〜3に示したように、鋼の成分組成及び製造条件が本発明を満たす発明例1〜12の場合は、素地鉄の表面から厚さ方向に2.9μm以内にMn、Si、Al又はCrの内部酸化物が形成され、相対的に表面酸化が抑制できた。したがって、めっき表面品質及びめっき密着性に優れていた。
また、発明例1〜12は、900MPa以上の高い引張強度を有し、またTS×Elの値が16000MPa%以上と高い値を有するため、材料特性に優れていた。
特に、素地鋼板の内部組織が軟質相及び硬質相と共にオーステナイト相を所定の分率で含むことにより、高い強度及び伸びを有し、その表面ではフェライトを主相として含むことにより、スポット溶接時のLMEの大きさが67μm以下と良好であった。
それに対して、比較例1は、鋼の成分組成のうちMn含量が不十分な場合であって、製造条件が本発明を満たすことによりめっき表面品質とめっき密着性及びスポット溶接性は良好であったが、十分な強度を確保することはできなかった。
比較例2は、1次再結晶焼鈍時の露点温度が−40℃未満の場合であって、1次再結晶焼鈍過程でSi含量の高い酸化物が形成され、後続の2次再結晶焼鈍が本発明の条件を満たしていてもめっき性が劣るため、最終的に不めっきが発生して表面品質が劣った。
比較例3は、1次再結晶焼鈍時の露点温度が−20℃超の場合であって、1次再結晶焼鈍過程で形成された内部酸化物により素地鉄の表層部でフェライト層の形成が抑制された。これにより、表層部の微細組織のフェライト相分率が36%と低く、オーステナイト相が過剰に形成されることにより、溶接後のLMEの大きさが188μmであり、スポット溶接性が劣った。
比較例4は、2次再結晶焼鈍時の炉内の露点温度が−20℃より低い場合であって、焼鈍過程でSi、Mn、Al、Crなどの表面酸化物が厚く形成され、めっき表面品質及びめっき密着性が劣った。また、素地鉄の表層部組織が本発明で意図する組織に形成されないことから、溶接後のLMEの大きさが460μmと非常に大きかった。
比較例5は、2次再結晶焼鈍時の焼鈍温度が低い場合であって、素地鉄内部のフェライト相分率が高すぎ、オーステナイト相分率は低いため、材料特性が劣った。
比較例6は、2次再結晶焼鈍後の冷却温度が高すぎる場合であって、素地鉄内部のオーステナイト相分率が低いため、材料特性が劣った。
比較例7は、1次及び2次再結晶焼鈍時の露点温度が本発明で提案する温度より低い場合であって、Si、Mn、Al、Crなどが表面に拡散して外部酸化することにより、めっき性及びめっき密着性が劣った。また、表層部のフェライト相分率が低く、オーステナイト相分率は高いため、溶接後のLMEの大きさが737μmであり、溶接性が非常に劣った。
比較例8は、鋼中のMn含量が高すぎ、且つ2次再結晶焼鈍炉内の露点温度が低い場合であって、鋼中のMn、Si、Crなどが表面に拡散して表面に厚い酸化物層を形成することにより、めっき性及びめっき密着性が不良であった。また、素地鉄の表層部のフェライト相分率が低く、オーステナイト相分率は高いため、溶接後のLMEの大きさが612μmであり、溶接性が非常に劣った。

Claims (8)

  1. 素地鋼板及び前記素地鋼板の表面に形成される亜鉛めっき層を含み、
    前記素地鋼板は、重量%で、炭素(C):0.1〜0.3%、シリコン(Si):0.5〜2.5%、マンガン(Mn):2.0〜8.0%、可溶性アルミニウム(sol.Al):0.001〜0.5%、リン(P):0.04%以下(0%は除く)、硫黄(S):0.015%以下(0%は除く)、窒素(N):0.02%以下(0%は除く)、クロム(Cr):0.01〜0.7%、チタン(Ti):(48/14)×[N]〜0.1%と、モリブデン(Mo):0.1%以下(0%を除く)、アンチモン(Sb):0.05%以下(0%を除く)、ニオブ(Nb):0.1%以下(0%を除く)及びボロン(B):0.005%以下(0%を除く)から選択される1種以上、残部Fe及び不可避不純物からなり、
    前記素地鋼板は、微細組織が、面積分率で、5〜30%のフェライト、5〜20%のオーステナイト、50〜80%のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物からなり、
    前記素地鋼板は、表面から厚さ方向に2μm以内の微細組織が、面積分率で、50%以上のフェライト、2%以下(0%を含む)のオーステナイト、50%以下(0%を含む)のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物を含む、表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
  2. 前記素地鋼板は、表面から厚さ方向に5μm以内にSi酸化物、Mn酸化物、Al酸化物及びCr酸化物から選択される2種以上の内部酸化物を含む、請求項1に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
  3. 前記溶融亜鉛めっき鋼板は、900MPa以上の引張強度を有し、引張強度(MPa)×伸び(%)の値が16000MPa%以上である、請求項1に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板。
  4. 重量%で、炭素(C):0.1〜0.3%、シリコン(Si):0.5〜2.5%、マンガン(Mn):2.0〜8.0%、可溶性アルミニウム(sol.Al):0.001〜0.5%、リン(P):0.04%以下(0%は除く)、硫黄(S):0.015%以下(0%は除く)、窒素(N):0.02%以下(0%は除く)、クロム(Cr):0.01〜0.7%、チタン(Ti):(48/14)×[N]〜0.1%と、モリブデン(Mo):0.1%以下(0%を除く)、アンチモン(Sb):0.05%以下(0%を除く)、ニオブ(Nb):0.1%以下(0%を除く)及びボロン(B):0.005%以下(0%を除く)から選択される1種以上、残部Fe及び不可避不純物からなる鋼スラブを1100〜1300℃の温度範囲に再加熱する段階と、
    前記再加熱された鋼スラブをAr3以上の温度で仕上げ熱間圧延して熱延鋼板を製造する段階と、
    前記熱延鋼板を700℃以下の温度で巻き取る段階と、
    前記巻き取られた熱延鋼板を酸洗した後に冷間圧延して冷延鋼板を製造する段階と、
    前記冷延鋼板を露点温度−40〜−20℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で750〜950℃の温度範囲で5〜120秒間1次再結晶焼鈍する段階と、
    前記1次再結晶焼鈍された冷延鋼板を露点温度−20〜5℃、ガス雰囲気3〜70%H及び残部Nに制御された焼鈍炉で700〜950℃の温度範囲で5〜120秒間2次再結晶焼鈍する段階と、
    前記2次再結晶焼鈍された冷延鋼板を5〜100℃/sの平均冷却速度で200〜400℃まで冷却する段階と、
    前記冷却された冷延鋼板を維持後に450〜500℃に再加熱又は再冷却し、その後亜鉛めっき浴に浸漬して溶融亜鉛めっき鋼板を製造する段階と、を含み、
    前記めっき浴は、0.13〜0.3%のAl及び残部Znを含み、440〜500℃の温度範囲に維持するものであり、
    前記冷延鋼板は、微細組織が、面積分率で、5〜30%のフェライト、5〜20%のオーステナイト、50〜80%のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物を含み、表面から厚さ方向に2μm以内の微細組織が、面積分率で、50%以上のフェライト、2%以下(0%を含む)のオーステナイト、50%以下(0%を含む)のベイナイト及びマルテンサイト、並びに2%以下(0%を含む)の析出物を含む、表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
  5. 前記1次再結晶焼鈍する段階の後、前記2次再結晶焼鈍する前に冷却する段階をさらに含む、請求項4に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
  6. 前記維持は、40〜200秒間行うものである、請求項4に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
  7. 前記製造された溶融亜鉛めっき鋼板のめっき付着量を調整し、その後冷却する段階をさらに含むものである、請求項4に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
  8. 前記冷延鋼板を1次再結晶焼鈍する前に、前記冷延鋼板の表面にFe、Ni、Co及びSnのうち1種以上を片面当たり0.01〜5.0g/mの付着量でプレめっきする段階をさらに含むものである、請求項4に記載の表面品質及びスポット溶接性に優れた高強度溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
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