JP6777274B1 - 溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

母材鋼板が、所定の組成を有し、フェライト：０％〜５０％、残留オーステナイト：０％〜３０％、焼き戻しマルテンサイト：５％以上、フレッシュマルテンサイト：０％〜１０％、およびパーライトとセメンタイトの合計：０％〜５％を含有し、残部組織がベイナイトからなり、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度に対して９０％以下の硬度を有する領域を軟質層としたときに、界面から母材鋼板側に厚さ１０μｍ以上の軟質層が存在し、軟質層が焼き戻しマルテンサイトを含み、かつ、軟質層内における界面から母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ以下である溶融亜鉛めっき前記鋼板およびその製造方法が提供される。

Description

本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法に関し、主として自動車用鋼板としてプレス加工等により様々な形状に成形される、高強度溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法に関する。
近年、地球温暖化対策に伴う温室効果ガス排出量規制の観点から自動車の燃費向上が求められており、車体の軽量化と衝突安全性確保のために高強度鋼板の適用がますます拡大しつつある。特に最近では、引張強度が９８０ＭＰａ以上の超高強度鋼板のニーズが高まりつつある。また、車体の中でも防錆性を要求される部位には表面に溶融亜鉛めっきを施した高強度溶融亜鉛めっき鋼板が求められる。
自動車用部品に供する溶融亜鉛めっき鋼板には、強度だけでなくプレス成形性や溶接性等、部品成形のために必要な各種施工性が要求される。具体的には、プレス成形性の観点から、鋼板には、優れた伸び（引張試験における全伸び：Ｅｌ）、伸びフランジ性（穴広げ率：λ）、および曲げ性が要求される。
一般に、鋼板の高強度化に伴って、プレス成形性は劣化する。鋼の高強度化とプレス成形性を両立する手段として、残留オーステナイトの変態誘起塑性を利用したＴＲＩＰ鋼板（ＴＲａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ）が知られている。
特許文献１〜３には、組織構成分率を所定の範囲に制御して、伸びと穴広げ率を改善した高強度ＴＲＩＰ鋼板に関する技術が開示されている。
さらに、ＴＲＩＰ型高強度溶融亜鉛めっき鋼板に関しても幾つかの文献において開示されている。
通常、連続焼鈍炉で溶融亜鉛めっき鋼板を製造するためには、鋼板を逆変態温度域（＞Ａｃ１）に加熱・均熱処理を施した後、室温まで冷却する過程の途中で、４６０℃程度の溶融亜鉛めっき浴に浸漬する必要がある。あるいは、加熱・均熱処理後、室温まで冷却した後、鋼板を溶融亜鉛めっき浴温度まで再度加熱し浴に浸漬する必要がある。さらに、通常、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造するためには、めっき浴浸漬後に合金化処理を施すことから、鋼板を４６０℃以上の温度域に再加熱する必要がある。例えば、特許文献４では、鋼板をＡｃ１以上に加熱後、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）以下まで急冷した後、ベイナイト変態温度域に再加熱し当該温度域で保持することでオーステナイトの安定化（オーステンパー）を進めた後、めっき合金化処理のためにめっき浴温度または合金化処理温度まで再加熱することが記載されている。しかしながら、このような製造方法では、マルテンサイトおよびベイナイトがめっき合金化処理工程で過剰に焼き戻されてしまうため、材質が劣化してしまう問題があった。
特許文献５〜９では、めっき合金化処理の後に鋼板を冷却し、再加熱することでマルテンサイトを焼き戻すことを含む溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法が開示されている。
高強度鋼板の曲げ加工性を改善する技術としては、例えば、特許文献１０には、鋼板に脱炭処理を行って製造された、表層部分がフェライト主体からなる高強度冷延鋼板が記載されている。また、特許文献１１には、鋼板を脱炭焼鈍して製造された、表層部に軟質層を有する超高強度冷延鋼板が記載されている。
国際公開第２０１３／０５１２３８号 特開２００６−１０４５３２号公報 特開２０１１−１８４７５７号公報 国際公開第２０１４／０２０６４０号 特開２０１３−１４４８３０号公報 国際公開第２０１６／１１３７８９号 国際公開第２０１６／１１３７８８号 国際公開第２０１６／１７１２３７号 特開２０１７−４８４１２号公報 特開平１０−１３０７８２号公報 特開平５−１９５１４９号公報
しかしながら、上記のように鋼板の表層を軟質化することで、鋼板の曲げ加工性を改善する場合、衝突変形時の部材の変形モードによっては、部材の曲げ変形荷重が、鋼板強度から本来期待される変形荷重（すなわち、鋼板表層が軟質化していない場合の変形荷重）よりも低下してしまう可能性がある。一般に、鋼板が曲げ変形を受ける場合、生じる塑性ひずみは鋼板表面に向かうほど大きくなる。すなわち、変形荷重への寄与度は鋼板内部よりも鋼板表面の強度が大きい。従って、衝突変形時の部材の変形が曲げ変形となる場合、鋼板表面の軟質化により部材の変形荷重が低下してしまう可能性がある。
本発明は上記背景を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、プレス成形性に優れ、かつ曲げ変形時の荷重低下を抑制した溶融亜鉛めっき鋼板およびその製造方法を提供することにある。
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
（ｉ）連続溶融亜鉛めっき熱処理工程において、めっき処理またはめっき合金化処理の後に、Ｍｓ以下まで冷却することでマルテンサイトを生成させる。さらにその後、再加熱および等温保持を施すことでマルテンサイトを適度に焼き戻すとともに、残留オーステナイトを含む鋼板の場合には、さらに当該残留オーステナイトを安定化させることもできる。このような熱処理により、マルテンサイトがめっき処理またはめっき合金化処理により過剰に焼き戻されなくなるため、強度と延性のバランスが改善する。
（ｉｉ）高強度鋼板の曲げ性を改善するには、脱炭処理を施し表層部を軟質化することが有効であることはよく知られている。しかしながら、表層部を軟質化すると、場合により、曲げ変形荷重が、その鋼板強度から期待される変形荷重よりも低下してしまうことがあった。この課題を解決するため、本発明者らは、硬質組織であるマルテンサイトの面積率の鋼板表面から鋼板内部にかけての板厚方向変化率（増加率）を、所定の値以下に制限すれば、上記課題を克服できることを見出した。また、このような金属組織制御を実現するには、連続溶融亜鉛めっき熱処理工程において、まず、鋼板を６５０℃以上の高温域に加熱し、かつ、炉内の雰囲気を高酸素ポテンシャルとして表層に脱炭領域を形成させる。その後、６００℃以下の低温域に鋼板を冷却し、かつ、炉内の雰囲気を低酸素ポテンシャルとして一定時間以上の等温保持を行う。この等温保持により鋼板内部の炭素原子が表層の脱炭領域に適度に拡散する。その結果、最終的に形成されるマルテンサイトの面積率の板厚方向変化率が、前記等温保持を行わない場合と比較して緩やかになることを見出した。但し、この等温保持工程は（ｉ）で説明したＭｓ以下まで冷却する工程の前に実施する必要がある。オーステナイトがマルテンサイトへ変態してしまうと、固溶炭素は炭化物としてマルテンサイト中に析出するため、鋼板内部から鋼板表層への炭素原子の再拡散が起こらないためである。
（ｉｉｉ）さらに、上記（ｉｉ）の効果は、連続溶融亜鉛めっき熱処理工程の前の冷間圧延条件が、所定の範囲内の場合により顕在化することを見出した。その詳細は明らかでないが、冷間圧延条件を所定の範囲に制限することにより、鋼板表層に付与されるせん断ひずみが大きくなると考えられる。このような表層ひずみを有する鋼板を連続溶融亜鉛めっき熱処理工程にて焼鈍すると、鋼板表層組織が微細化する。すなわち、鋼板表層部で結晶粒界の面積が増大する。結晶粒界は炭素原子の拡散パスとして作用するため、結晶粒界の面積が増大する結果、６００℃以下での等温保持時に炭素原子が表層に再拡散しやすくなると考えられる。
本発明は上記知見に基づきなされたものであり、具体的には以下の通りである。
（１）母材鋼板の少なくとも一方の表面に溶融亜鉛めっき層を有する溶融亜鉛めっき鋼板であって、前記母材鋼板が、質量％で、
Ｃ：０．０５０％〜０．３５０％、
Ｓｉ：０．１０％〜２．５０％、
Ｍｎ：１．００％〜３．５０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ａｌ：０．００１％〜１．５００％、
Ｎ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｔｉ：０％〜０．２００％、
Ｂ：０％〜０．０１００％、
Ｖ：０％〜１．００％、
Ｎｂ：０％〜０．１００％、
Ｃｒ：０％〜２．００％、
Ｎｉ：０％〜１．００％、
Ｃｕ：０％〜１．００％、
Ｃｏ：０％〜１．００％、
Ｍｏ：０％〜１．００％、
Ｗ：０％〜１．００％、
Ｓｎ：０％〜１．００％、
Ｓｂ：０％〜１．００％、
Ｃａ：０％〜０．０１００％、
Ｍｇ：０％〜０．０１００％、
Ｃｅ：０％〜０．０１００％、
Ｚｒ：０％〜０．０１００％、
Ｌａ：０％〜０．０１００％、
Ｈｆ：０％〜０．０１００％、
Ｂｉ：０％〜０．０１００％、および
Ｃｅ、Ｌａ以外のＲＥＭ：０％〜０．０１００％
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
前記母材鋼板の表面から１／４厚の位置を中心とした１／８厚〜３／８厚の範囲における鋼組織が、面積％で、
フェライト：０％〜５０％、
残留オーステナイト：０％〜３０％、
焼き戻しマルテンサイト：５％以上、
フレッシュマルテンサイト：０％〜１０％、および
パーライトとセメンタイトの合計：０％〜５％
を含有し、残部組織が存在する場合には、前記残部組織がベイナイトからなり、
前記母材鋼板と前記溶融亜鉛めっき層の界面から前記母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度に対して９０％以下の硬度を有する領域を軟質層としたときに、前記界面から前記母材鋼板側に厚さ１０μｍ以上の軟質層が存在し、
前記軟質層が焼き戻しマルテンサイトを含み、かつ、
前記軟質層内における前記界面から前記母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ以下であることを特徴とする、溶融亜鉛めっき鋼板。
（２）前記鋼組織が、さらに、面積％で、残留オーステナイト：６％〜３０％を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の溶融亜鉛めっき鋼板。
（３）上記（１）に記載の化学組成を有するスラブを熱間圧延する熱間圧延工程、得られた熱延鋼板を冷間圧延する冷間圧延工程、および得られた冷延鋼板に溶融亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき工程を含む溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法であって、
（Ａ）前記冷間圧延工程が以下の（Ａ１）および（Ａ２）の条件：
（Ａ１）圧延線荷重が下記式（１）を満足し、かつ、圧下率が６％以上である冷間圧延を１回以上施すこと、
１３≦Ａ／Ｂ≦３５ ・・・（１）
（式中、Ａは圧延線荷重（ｋｇｆ／ｍｍ）であり、Ｂは熱延鋼板の引張強度（ｋｇｆ／ｍｍ2）である。）
（Ａ２）総冷間圧下率が３０〜８０％であること
を満足し、
（Ｂ）前記溶融亜鉛めっき工程が、鋼板を加熱して第一均熱処理すること、第一均熱処理された鋼板を第一冷却し次いで第二均熱処理すること、第二均熱処理された鋼板を溶融亜鉛めっき浴に浸漬すること、めっきを施された鋼板を第二冷却すること、および第二冷却された鋼板を加熱し次いで第三均熱処理することを含み、さらに以下の（Ｂ１）〜（Ｂ６）の条件：
（Ｂ１）第一均熱処理前の鋼板加熱時において、下記式（２）および（３）を満足する雰囲気下で、６５０℃〜Ａｃ１℃＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度までの平均加熱速度が０．５℃／秒〜１０．０℃／秒であること、
（Ｂ２）前記鋼板を前記最高加熱温度で１秒〜１０００秒間保持すること（第一均熱処理）、
（Ｂ３）第一冷却における７００〜６００℃までの温度範囲の平均冷却速度が１０〜１００℃／秒であること、
（Ｂ４）下記式（４）および（５）を満足する雰囲気下において、第一冷却された鋼板を３００〜６００℃の範囲で８０秒〜５００秒間保持すること（第二均熱処理）、
（Ｂ５）第二冷却がＭｓ−５０℃以下まで行われること、
（Ｂ６）第二冷却された鋼板を２００〜４２０℃の温度域に加熱し、次いで前記温度域で５〜５００秒間保持すること（第三均熱処理）
を満足することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
−１．１０≦ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）≦−０．０７ ・・・（２）
０．０１０≦ＰＨ2≦０．１５０ ・・・（３）
ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）＜−１．１０ ・・・（４）
０．００１０≦ＰＨ2≦０．１５００ ・・・（５）
（式中、ＰＨ2Ｏは水蒸気の分圧を示し、ＰＨ2は水素の分圧を示す。）
本発明により、プレス成形性、具体的には延性、穴広げ性および曲げ性に優れ、更には曲げ変形時の荷重低下が抑制された溶融亜鉛めっき鋼板を得ることができる。
ＳＥＭ二次電子像の参考図を示す。 本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき処理相当のヒートサイクルを熱膨張測定装置で模擬した時の温度−熱膨張曲線である。 曲げ変形荷重を評価するための試験方法を模式的に示す図である。
＜溶融亜鉛めっき鋼板＞
本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき鋼板は、母材鋼板の少なくとも一方の表面に溶融亜鉛めっき層を有し、前記母材鋼板が、質量％で、
Ｃ：０．０５０％〜０．３５０％、
Ｓｉ：０．１０％〜２．５０％、
Ｍｎ：１．００％〜３．５０％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０１００％以下、
Ａｌ：０．００１％〜１．５００％、
Ｎ：０．０１００％以下、
Ｏ：０．０１００％以下、
Ｔｉ：０％〜０．２００％、
Ｂ：０％〜０．０１００％、
Ｖ：０％〜１．００％、
Ｎｂ：０％〜０．１００％、
Ｃｒ：０％〜２．００％、
Ｎｉ：０％〜１．００％、
Ｃｕ：０％〜１．００％、
Ｃｏ：０％〜１．００％、
Ｍｏ：０％〜１．００％、
Ｗ：０％〜１．００％、
Ｓｎ：０％〜１．００％、
Ｓｂ：０％〜１．００％、
Ｃａ：０％〜０．０１００％、
Ｍｇ：０％〜０．０１００％、
Ｃｅ：０％〜０．０１００％、
Ｚｒ：０％〜０．０１００％、
Ｌａ：０％〜０．０１００％、
Ｈｆ：０％〜０．０１００％、
Ｂｉ：０％〜０．０１００％、および
Ｃｅ、Ｌａ以外のＲＥＭ：０％〜０．０１００％
を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
前記母材鋼板の表面から１／４厚の位置を中心とした１／８厚〜３／８厚の範囲における鋼組織が、面積％で、
フェライト：０％〜５０％、
残留オーステナイト：０％〜３０％、
焼き戻しマルテンサイト：５％以上、
フレッシュマルテンサイト：０％〜１０％、および
パーライトとセメンタイトの合計：０％〜５％
を含有し、残部組織が存在する場合には、前記残部組織がベイナイトからなり、
前記母材鋼板と前記溶融亜鉛めっき層の界面から前記母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度に対して９０％以下の硬度を有する領域を軟質層としたときに、前記界面から前記母材鋼板側に厚さ１０μｍ以上の軟質層が存在し、
前記軟質層が焼き戻しマルテンサイトを含み、かつ、
前記軟質層内における前記界面から前記母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ以下であることを特徴としている。
『化学組成』
まず、本発明の実施形態に係る母材鋼板（以下、単に鋼板とも称する）の化学組成を上述のように限定した理由について説明する。なお、本明細書において化学組成を規定する「％」は特に断りのない限り全て「質量％」である。また、本明細書において、数値範囲を示す「〜」とは、特に断りがない場合、その前後に記載される数値を下限値および上限値として含む意味で使用される。
［Ｃ：０．０５０％〜０．３５０％］
Ｃは、鋼板強度確保のために必須の元素である。０．０５０％未満では所要の高強度が得られないので、Ｃ含有量は０．０５０％以上とする。Ｃ含有量は０．０７０％以上、０．０８０％以上または０．１００％以上であってもよい。一方、０．３５０％を超えると、加工性や溶接性が低下するので、Ｃ含有量は０．３５０％以下とする。Ｃ含有量は０．３４０％以下、０．３２０％以下または０．３００％以下であってもよい。
［Ｓｉ：０．１０％〜２．５０％］
Ｓｉは、鉄炭化物の生成を抑制し、強度と成形性の向上に寄与する元素であるが、過度の添加は鋼板の溶接性を劣化させる。従って、その含有量は０．１０〜２．５０％とする。Ｓｉ含有量は０．２０％以上、０．３０％以上、０．４０％以上もしくは０．５０％以上であってもよく、および／または２．２０％以下、２．００％以下もしくは１．９０％以下であってもよい。
［Ｍｎ：１．００％〜３．５０％］
Ｍｎ（マンガン）は強力なオーステナイト安定化元素であり、鋼板の高強度化に有効な元素である。過度の添加は溶接性や低温靭性を劣化させる。従って、その含有量は１．００〜３．５０％とする。Ｍｎ含有量は１．１０％以上、１．３０％以上もしくは１．５０％以上であってもよく、および／または３．３０％以下、３．１０％以下もしくは３．００％以下であってもよい。
［Ｐ：０．０５０％以下］
Ｐ（リン）は固溶強化元素であり、鋼板の高強度化に有効な元素であるが、過度の添加は溶接性および靱性を劣化させる。従って、Ｐ含有量は０．０５０％以下と制限する。好ましくは０．０４５％以下、０．０３５％以下または０．０２０％以下である。ただし、Ｐ含有量を極度に低減させるには、脱Ｐコストが高くなるため、経済性の観点から下限を０．００１％とすることが好ましい。
［Ｓ：０．０１００％以下］
Ｓ（硫黄）は不純物として含有される元素であり、鋼中でＭｎＳを形成して靱性や穴広げ性を劣化させる。したがって、靱性や穴広げ性の劣化が顕著でない範囲として、Ｓ含有量を０．０１００％以下と制限する。好ましくは０．００５０％以下、０．００４０％以下または０．００３０％以下である。ただし、Ｓ含有量を極度に低減させるには、脱硫コストが高くなるため、経済性の観点から下限を０．０００１％とすることが好ましい。
［Ａｌ：０．００１％〜１．５００％］
Ａｌ（アルミニウム）は、鋼の脱酸のため少なくとも０．００１％を添加する。しかし、過剰に添加しても効果が飽和し徒にコスト上昇を招くばかりか、鋼の変態温度を上昇させ熱間圧延時の負荷を増大させる。従ってＡｌ量は１．５００％を上限とする。好ましくは１．２００％以下、１．０００％以下または０．８００％以下である。
［Ｎ：０．０１００％以下］
Ｎ（窒素）は不純物として含有される元素であり、その含有量が０．０１００％を超えると鋼中に粗大な窒化物を形成して曲げ性や穴広げ性を劣化させる。したがって、Ｎ含有量は０．０１００％以下と制限する。好ましくは０．００８０％以下、０．００６０％以下または０．００５０％以下である。ただし、Ｎ含有量を極度に低減させるには、脱Ｎコストが高くなるため、経済性の観点から下限を０．０００１％とすることが好ましい。
［Ｏ：０．０１００％以下］
Ｏ（酸素）は不純物として含有される元素であり、その含有量が０．０１００％を超えると鋼中に粗大な酸化物を形成して曲げ性や穴広げさせる。従って、Ｏ含有量は０．０１００％以下と制限する。好ましくは０．００８０％以下、０．００６０％以下または０．００５０％以下である。ただし、製造コストの観点から、下限を０．０００１％とすることが好ましい。
本発明の実施形態に係る母材鋼板の基本化学成分組成は上記のとおりである。さらに、当該母材鋼板は、必要に応じて以下の元素を含有してもよい。
［Ｖ：０％〜１．００％、Ｎｂ：０％〜０．１００％、Ｔｉ：０％〜０．２００％、Ｂ：０％〜０．０１００％、Ｃｒ：０％〜２．００％、Ｎｉ：０％〜１．００％、Ｃｕ：０％〜１．００％、Ｃｏ：０％〜１．００％、Ｍｏ：０％〜１．００％、Ｗ：０％〜１．００％、Ｓｎ：０％〜１．００％およびＳｂ：０％〜１．００％］
Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔｉ（チタン）、Ｂ（ボロン）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｓｎ（錫）およびＳｂ（アンチモン）はいずれも鋼板の高強度化に有効な元素である。このため、必要に応じてこれらの元素のうち１種または２種以上を添加してもよい。しかしこれらの元素を過度に添加すると効果が飽和し徒にコストの増大を招く。従って、その含有量はＶ：０％〜１．００％、Ｎｂ：０％〜０．１００％、Ｔｉ：０％〜０．２００％、Ｂ：０％〜０．０１００％、Ｃｒ：０％〜２．００％、Ｎｉ：０％〜１．００％、Ｃｕ：０％〜１．００％、Ｃｏ：０％〜１．００％、Ｍｏ：０％〜１．００％、Ｗ：０％〜１．００％、Ｓｎ：０％〜１．００％およびＳｂ：０％〜１．００％とする。各元素は０．００５％以上または０．０１０％以上であってもよい。とりわけ、Ｂ含有量は０．０００１％以上または０．０００５％以上であってもよい。
［Ｃａ：０％〜０．０１００％、Ｍｇ：０％〜０．０１００％、Ｃｅ：０％〜０．０１００％、Ｚｒ：０％〜０．０１００％、Ｌａ：０％〜０．０１００％、Ｈｆ：０％〜０．０１００％、Ｂｉ：０％〜０．０１００％およびＣｅ、Ｌａ以外のＲＥＭ：０％〜０．０１００％］
Ｃａ（カルシウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃｅ（セリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＣｅ、Ｌａ以外のＲＥＭ（希土類元素）は鋼中介在物の微細分散化に寄与する元素であり、Ｂｉ（ビスマス）は鋼中におけるＭｎ、Ｓｉ等の置換型合金元素のミクロ偏析を軽減する元素である。それぞれ鋼板の加工性向上に寄与することから、必要に応じてこれらの元素のうち１種または２種以上を添加してもよい。ただし過度の添加は延性の劣化を引き起こす。従ってその含有量は０．０１００％を上限とする。また、各元素は０．０００５％以上または０．００１０％以上であってもよい。
本発明の実施形態に係る母材鋼板において、上述の元素以外の残部は、Ｆｅおよび不純物からなる。不純物とは、母材鋼板を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明の実施形態に係る母材鋼板に対して意図的に添加した成分でないものを包含するものである。また、不純物とは、上で説明した成分以外の元素であって、当該元素特有の作用効果が本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき鋼板の特性に影響しないレベルで母材鋼板中に含まれる元素をも包含するものである。
『鋼板内部の鋼組織』
次に、本発明の実施形態に係る母材鋼板の内部組織の限定理由について説明する。
［フェライト：０〜５０％］
フェライトは延性に優れるが軟質な組織である。鋼板の伸びを向上させるために、要求される強度または延性に応じて含有させてもよい。但し、過度に含有すると所望の鋼板強度を確保することが困難となる。従って、その含有量は面積％で５０％を上限とし、４５％以下、４０％以下または３５％以下であってもよい。フェライト含有量は面積％で０％であってもよく、例えば、３％以上、５％以上または１０％以上であってもよい。
［焼戻しマルテンサイト：５％以上］
焼戻しマルテンサイトは高強度かつ強靭な組織であり、本発明において必須となる金属組織である。強度、延性、穴広げ性を高い水準でバランスさせるために面積％で少なくとも５％以上を含有させる。好ましくは面積％で１０％以上であり、１５％以上または２０％以上であってもよい。例えば、焼戻しマルテンサイト含有量は面積％で９５％以下、９０％以下、８５％以下、８０％以下または７０％以下であってもよい。
［フレッシュマルテンサイト：０〜１０％］
本発明において、フレッシュマルテンサイトとは、焼き戻されていないマルテンサイトすなわち炭化物を含まないマルテンサイトを言うものである。このフレッシュマルテンサイトは脆い組織であるため、塑性変形時に破壊の起点となり、鋼板の局部延性を劣化させる。従って、その含有量は面積％で０〜１０％とする。より好ましくは０〜８％または０〜５％である。フレッシュマルテンサイト含有量は面積％で１％以上または２％以上であってもよい。
［残留オーステナイト：０％〜３０％］
残留オーステナイトは、鋼板の変形中に加工誘起変態によりマルテンサイトへと変態するＴＲＩＰ効果により鋼板の延性を改善する。一方、多量の残留オーステナイトを得るにはＣ等の合金元素を多量に含有させる必要がある。そのため、残留オーステナイトの上限値は面積％で３０％とし、２５％以下または２０％以下であってもよい。但し、鋼板の延性を向上させたい場合は、その含有量は面積％で６％以上とすることが好ましく、８％以上または１０％以上であってもよい。また、残留オーステナイトの含有量を６％以上とする場合には、母材鋼板中のＳｉ含有量は質量％で０．５０％以上とすることが好ましい。
［パーライトとセメンタイトの合計：０〜５％］
パーライトは硬質かつ粗大なセメンタイトを含み、塑性変形時に破壊の起点となるため、鋼板の局部延性を劣化させる。従って、その含有量はセメンタイトと合わせて面積％で０〜５％とし、０〜３％または０〜２％であってもよい。
上記組織以外の残部組織は０％であってもよいが、それが存在する場合にはベイナイトである。残部組織のベイナイトは、上部ベイナイト、下部ベイナイトのいずれであっても、その混合組織であってもよい。
［母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から母材鋼板側に厚さ１０μｍ以上の軟質層が存在］
本実施形態に係る母材鋼板は、その表面に軟質層を有する。本発明において、軟質層とは、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から当該母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度に対して９０％以下の硬度を有する母材鋼板中の領域を言うものである。軟質層の厚みは１０μｍ以上である。軟質層の厚みが１０μｍを下回る場合、曲げ性が劣化する。軟質層の厚みは、例えば、１５μｍ以上、１８μｍ以上、２０μｍ以上もしくは３０μｍ以上であってもよく、および／または１２０μｍ以下、１００μｍ以下もしくは８０μｍ以下であってもよい。また、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から当該母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度（ビッカース硬さ）は、一般的には２００〜６００ＨＶであり、例えば２５０ＨＶ以上もしくは３００ＨＶ以上であってもよく、および／または５５０ＨＶ以下もしくは５００ＨＶ以下であってもよい。なお通常ビッカース硬さ（ＨＶ）は引張強度（ＭＰａ）の１／３．２程度である。
［軟質層内における界面から母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ以下］
本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき鋼板では、軟質層は焼き戻しマルテンサイトを含み、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から当該母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率は５．０％／μｍ以下である。５．０％／μｍを上回ると、曲げ変形時の荷重低下が顕在化する。例えば、この板厚方向増加率は、４．５％／μｍ以下、４．０％／μｍ以下、３．０％／μｍ以下、２．０％／μｍ以下、または１．０％／μｍ以下であってもよい。板厚方向増加率の下限値は、特に限定されないが、例えば０．１％／μｍまたは０．２％／μｍであってもよい。
溶融亜鉛めっき鋼板の鋼組織分率は、ＳＥＭ−ＥＢＳＤ法（電子線後方散乱回折法）およびＳＥＭ二次電子像観察により評価する。
まず、鋼板の圧延方向に平行な板厚断面であって、幅方向の中央位置における板厚断面を観察面として試料を採取し、観察面を機械研磨し鏡面に仕上げた後、電解研磨を行う。次いで、観察面における母材鋼板の表面から１／４厚を中心とした１／８厚〜３／８厚の範囲の一つないし複数の観察視野において、合計で２．０×１０-9ｍ2以上の面積をＳＥＭ−ＥＢＳＤ法により結晶構造および方位解析を行う。ＥＢＳＤ法により得られたデータの解析にはＴＳＬ社製の「ＯＩＭ Ａｎａｌｙｓｙｓ ６．０」を用いる。また、評点間距離（ｓｔｅｐ）は０．０３〜０．２０μｍとする。観察結果からＦＣＣ鉄と判断される領域を残留オーステナイトとする。さらに、結晶方位差が１５度以上となる境界を粒界として結晶粒界マップを得る。
次に、ＥＢＳＤ観察を実施したものと同一試料についてナイタール腐食を行い、ＥＢＳＤ観察と同一視野について二次電子像観察を行う。ＥＢＳＤ測定時と同一視野を観察するため、ビッカース圧痕等の目印を予めつけておくとよい。得られた二次電子像より、フェライト、残留オーステナイト、ベイナイト、焼き戻しマルテンサイト、フレッシュマルテンサイト、パーライトの面積分率をそれぞれ測定する。粒内に下部組織を有し、かつ、セメンタイトが複数のバリアント、より具体的には２通り以上のバリアントを持って析出している領域を焼き戻しマルテンサイトと判断する（例えば、図１の参考図を参照）。セメンタイトがラメラ状に析出している領域をパーライト（またはパーライトとセメンタイトの合計）と判断する。輝度が小さく、かつ下部組織が認められない領域をフェライトと判断する（例えば、図１の参考図を参照）。輝度が大きく、かつ下部組織がエッチングにより現出されていない領域をフレッシュマルテンサイトおよび残留オーステナイトと判断する（例えば、図１の参考図を参照）。上記領域のいずれにも該当しない領域をベイナイトと判断する。各々の面積率を、ポイントカウンティング法によって算出することで、各組織の面積率とする。フレッシュマルテンサイトの面積率については、Ｘ線回折法により求めた残留オーステナイトの面積率を引くことにより求めることができる。
残留オーステナイトの面積率は、Ｘ線回折法により測定する。母材鋼板の表面から１／４厚を中心とした１／８厚〜３／８厚の範囲において、板面に平行な面を鏡面に仕上げ、Ｘ線回折法によってＦＣＣ鉄の面積率を測定し、それをもって残留オーステナイトの面積率とする。
本発明の実施形態に係る焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率は以下の手法により決定される。まず、前記ナイタール腐食を施したミクロ組織観察試料について、軟質層を含む領域について組織写真を撮影する。当該組織写真について、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から鋼板内部にかけて１０μｍ毎に厚さ１０μｍ×幅１００μｍ以上の領域についてポイントカウンティング法によって焼き戻しマルテンサイトの面積分率を算出し、１０μｍ毎に得られた各面積分率をプロットして軟質層内で最大の傾きとなる値に基づいて上記焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が決定される。例えば、軟質層内の１つの領域において得られた面積分率と、当該領域と隣り合う軟質層外を含む領域において得られた面積分率とをプロットした２点間の傾きが最大の傾きとなる場合には、当該傾きが「軟質層内における界面から母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率」として決定される。
鋼板表層から鋼板内部にかけての硬度は以下の手法により測定する。鋼板の圧延方向に平行な断面であって、幅方向の中央位置における断面を観察面として試料を採取し、観察面を研磨して鏡面に仕上げ、さらに表層の加工層を除去するためにコロイダルシリカを用いて化学的研磨を行う。得られた試料の観察面について、微小硬度測定装置を用いて、最表層から５μｍ深さの位置を起点として、表面から板厚の１／４厚の位置まで、鋼板の厚さ方向に１０μｍピッチで、頂角１３６°の四角錐形状のビッカース圧子を荷重２ｇで押し込む。このとき、ビッカース圧痕のサイズによっては互いのビッカース圧痕が干渉する場合がある。このような場合は、千鳥状にビッカース圧子を押し込むことで互いの干渉を避けることとする。ビッカース硬さは、各厚さ位置につき各５点ずつ測定し、その平均値をその厚さ位置での硬さとする。各データ間は直線で補間することにより、深さ方向の硬さプロファイルを得る。硬さプロファイルから硬度が上記１／４厚の位置における硬度の９０％以下となる深さ位置を読み取ることで、軟質層の厚さを求める。
（溶融亜鉛めっき層）
本発明の実施形態に係る母材鋼板は、少なくとも一方の表面、好ましくは両方の表面に溶融亜鉛めっき層を有する。当該めっき層は、当業者に公知の任意の組成を有する溶融亜鉛めっき層または合金化溶融亜鉛めっき層であってよく、Ｚｎ以外にもＡｌ等の添加元素を含んでいてよい。また、当該めっき層の付着量は、特に制限されず一般的な付着量であってよい。
＜溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法＞
次に、本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法について説明する。以下の説明は、本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき鋼板を製造するための特徴的な方法の例示を意図するものであって、当該溶融亜鉛めっき鋼板を以下に説明するような製造方法によって製造されるものに限定することを意図するものではない。
溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法は、母材鋼板に関して上で説明した化学組成と同じ化学組成を有するスラブを熱間圧延する熱間圧延工程、得られた熱延鋼板を冷間圧延する冷間圧延工程、および得られた冷延鋼板に溶融亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき工程を含み、
（Ａ）前記冷間圧延工程が以下の（Ａ１）および（Ａ２）の条件：
（Ａ１）圧延線荷重が下記式（１）を満足し、かつ、圧下率が６％以上である冷間圧延を１回以上施すこと、
１３≦Ａ／Ｂ≦３５ ・・・（１）
（式中、Ａは圧延線荷重（ｋｇｆ／ｍｍ）であり、Ｂは熱延鋼板の引張強度（ｋｇｆ／ｍｍ2）である。）
（Ａ２）総冷間圧下率が３０〜８０％であること
を満足し、
（Ｂ）前記溶融亜鉛めっき工程が、鋼板を加熱して第一均熱処理すること、第一均熱処理された鋼板を第一冷却し次いで第二均熱処理すること、第二均熱処理された鋼板を溶融亜鉛めっき浴に浸漬すること、めっきを施された鋼板を第二冷却すること、および第二冷却された鋼板を加熱し次いで第三均熱処理することを含み、さらに以下の（Ｂ１）〜（Ｂ６）の条件：
（Ｂ１）第一均熱処理前の鋼板加熱時において、下記式（２）および（３）を満足する雰囲気下で、６５０℃〜Ａｃ１℃＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度までの平均加熱速度が０．５℃／秒〜１０．０℃／秒であること、
（Ｂ２）前記鋼板を前記最高加熱温度で１秒〜１０００秒間保持すること（第一均熱処理）、
（Ｂ３）第一冷却における７００〜６００℃までの温度範囲の平均冷却速度が１０〜１００℃／秒であること、
（Ｂ４）下記式（４）および（５）を満足する雰囲気下において、第一冷却された鋼板を３００〜６００℃の範囲で８０秒〜５００秒間保持すること（第二均熱処理）、
（Ｂ５）第二冷却がＭｓ−５０℃以下まで行われること、
（Ｂ６）第二冷却された鋼板を２００〜４２０℃の温度域に加熱し、次いで前記温度域で５〜５００秒間保持すること（第三均熱処理）
を満足することを特徴としている。
−１．１０≦ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）≦−０．０７ ・・・（２）
０．０１０≦ＰＨ2≦０．１５０ ・・・（３）
ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）＜−１．１０ ・・・（４）
０．００１０≦ＰＨ2≦０．１５００ ・・・（５）
（式中、ＰＨ2Ｏは水蒸気の分圧を示し、ＰＨ2は水素の分圧を示す。）
以下、当該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。
『熱間圧延工程』
本方法においては、熱間圧延工程は、特に限定されず、任意の適切な条件下で実施することが可能である。したがって、熱間圧延工程に関する以下の説明は、単なる例示を意図するものであって、本方法における熱間圧延工程を以下に説明するような特定の条件下で行われるものに限定することを意図するものではない。
まず、熱間圧延工程では、母材鋼板に関して上で説明した化学組成と同じ化学組成を有するスラブが熱間圧延前に加熱される。スラブの加熱温度は、特に限定されないが、ホウ化物や炭化物などを十分溶解するため、一般的には１１５０℃以上とすることが好ましい。なお使用する鋼スラブは、製造性の観点から連続鋳造法にて鋳造することが好ましいが、造塊法、薄スラブ鋳造法で製造してもよい。
［粗圧延］
本方法では、例えば、加熱されたスラブに対し、板厚調整等のために、仕上げ圧延の前に粗圧延を施してもよい。このような粗圧延は、特に限定されないが、１０５０℃以上での総圧下率が６０％以上となるように実施することが好ましい。総圧下率が６０％未満であると、熱間圧延中の再結晶が不十分となるため、熱延板組織の不均質化につながる場合がある。上記の総圧下率は、例えば、９０％以下であってもよい。
［仕上げ圧延入側温度：９００〜１０５０℃、仕上げ圧延出側温度：８５０℃〜１０００℃、および総圧下率：７０〜９５％］
仕上げ圧延は、仕上げ圧延入側温度が９００〜１０５０℃、仕上げ圧延出側温度が８５０℃〜１０００℃、および総圧下率が７０〜９５％の条件を満足する範囲で実施することが好ましい。仕上げ圧延入側温度が９００℃を下回るか、仕上げ圧延出側温度が８５０℃を下回るか、または総圧下率が９５％を上回ると、熱延鋼板の集合組織が発達するため、最終製品板における異方性が顕在化する場合がある。一方、仕上げ圧延入側温度が１０５０℃を上回るか、仕上げ圧延出側温度が１０００℃を上回るか、または総圧下率が７０％を下回ると、熱延鋼板の結晶粒径が粗大化し、最終製品板組織の粗大化ひいては加工性の劣化に繋がる場合がある。例えば、仕上げ圧延入側温度は９５０℃以上であってもよい。仕上げ圧延出側温度は９００℃以上であってもよい。総圧下率は７５％以上または８０％以上であってもよい。
［巻取温度：４５０〜６８０℃］
巻取温度は４５０〜６８０℃とする。巻取温度は４５０℃を下回ると、熱延板強度が過大となり、冷間圧延性を損なう場合がある。一方、巻取温度が６８０℃を上回ると、セメンタイトが粗大化し、未溶解のセメンタイトが残存するために加工性を損なう場合がある。巻取温度は５００℃以上であってよく、および／または６５０℃以下であってもよい。
本方法では、得られた熱延鋼板（熱延コイル）は、必要に応じて酸洗等の処理を行ってもよい。熱延コイルの酸洗方法は常法に従えばよい。また、熱延コイルの形状矯正および酸洗性向上のためにスキンパス圧延を行ってもよい。
『（Ａ）冷間圧延工程』
［圧延線荷重が式（１）を満足し、かつ、圧下率が６％以上である冷間圧延を１回以上施す］
本方法では、得られた熱延鋼板は冷間圧延工程に供され、当該冷間圧延工程は、圧延線荷重が下記式（１）を満足し、かつ、圧下率が６％以上である冷間圧延を１回以上施すことを含む。
１３≦Ａ／Ｂ≦３５ ・・・（１）
式中、Ａは圧延線荷重（ｋｇｆ／ｍｍ）であり、Ｂは熱延鋼板の引張強度（ｋｇｆ／ｍｍ2）である。
冷間圧延は、複数の圧延スタンドが直列したタンデム方式、１台の圧延スタンドを往復させるリバースミル方式のいずれでもよい。圧延線荷重は冷延前の鋼板強度の他に、冷延前の鋼板の粗度、ワークロールの径、ワークロールの表面粗さ、ワークロールの回転速度、張力、エマルションの供給量・温度・粘度等、様々な要因により変動する。しかし圧延線荷重が高くなることは、鋼板とワークロールの間の界面に生じる摩擦力が大きくなることを意味する。摩擦力が大きくなるほど鋼板の表層に付与されるせん断ひずみが大きくなり、後の溶融亜鉛めっき工程における加熱時に鋼板表層部での再結晶が促進され、鋼板表層の組織が微細化する。組織の微細化とは、炭素の拡散パスとなる結晶粒界の面積が大きくなることを意味する。その結果、第二均熱処理時に鋼板内部から表層への炭素原子の再拡散が促進される。この効果を得るにはＡ／Ｂが１３以上、かつ、圧下率が６％以上となるように圧延線荷重を制御する必要がある。一方で圧延線荷重が過度に大きくなると冷延ミルへの負荷が増大し設備損傷を引き起こす可能性があることから、Ａ／Ｂの上限は３５とする。Ａ／Ｂは２０以上であってもよく、および／または３０以下であってもよい。また、上記圧下率は１０％以上であってもよく、および／または２５％以下であってもよい。従来技術において、例えば、鋼板表層の組織を微細化するために、Ａ（圧延線荷重）／Ｂ（熱延鋼板の引張強度）を所定の範囲内に制御することは行われておらず、このような制御によって鋼板表層の組織を微細化できるということも従来知られていない。というのも、圧延線荷重は冷延ミルの能力次第で変化するものであり、また熱延鋼板の引張強度も化学組成および鋼組織等によって変化するため、これらの比、すなわち圧延線荷重／熱延鋼板の引張強度を所望の範囲内に制御するということは容易でないからである。
なお、熱延鋼板の引張強度については、熱延鋼板の幅中央近傍から板幅方向を試験片長手方向としてＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠して引張試験を行い測定する。圧延線荷重の測定については、通常、操業管理指標として定常的に測定しているものであるが、例えば、圧延機に装備されているロードセル等の測定計を用いればよい。
［総冷間圧下率：３０〜８０％］
冷間圧下率はトータルで３０〜８０％の間に制限する。３０％を下回るとひずみの蓄積が不十分となり上記表層組織微細化効果が得られない。一方、過度の圧下は圧延加重が過大となり冷延ミルの負荷増大を招くため、その上限は８０％とすることが好ましい。例えば、総冷間圧下率は４０％以上であってもよく、および／または７０％以下もしくは６０％以下であってもよい。
『（Ｂ）溶融亜鉛めっき工程』
［式（２）および（３）を満足する雰囲気下で、６５０℃〜Ａｃ１＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度までの平均加熱速度：０．５〜１０．０℃／秒］
本方法においては、冷間圧延工程後、得られた鋼板は、溶融亜鉛めっき工程においてめっき処理を施される。当該溶融亜鉛めっき工程では、まず、下記式（２）および（３）を満足する雰囲気下で、鋼板が加熱され、第一均熱処理にさらされる。この鋼板加熱時において、６５０℃〜Ａｃ１＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度までの平均加熱速度は０．５〜１０．０℃／秒に制限される。加熱速度が１０．０℃／秒を超えると、フェライトの再結晶が十分進行せず、鋼板の伸びが劣化する場合がある。一方、平均加熱速度が０．５℃／秒を下回ると、オーステナイトが粗大化するため、最終的に得られる鋼組織が粗大なものとなる場合がある。この平均加熱速度は１．０℃／秒以上であってもよく、および／または８．０℃／秒以下もしくは５．０℃／秒以下であってもよい。本発明において、「平均加熱速度」とは、６５０℃と最高加熱温度との差を６５０℃から最高加熱温度に至るまでの経過時間で割ることにより得られた値をいうものである。
上記加熱中の炉内雰囲気は、下記式（２）および（３）を満足する。ここで、式（２）中のｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）は、雰囲気中の水蒸気分圧（ＰＨ2Ｏ）と水素分圧（ＰＨ2）の比の対数であり、酸素ポテンシャルとも呼ばれる。ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）が−１．１０を下回ると、最終組織において鋼板表層部に１０μｍ以上の軟質層が形成されない。一方、ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）が−０．０７を上回ると、過剰に脱炭反応が進行し強度低下を招く。まためっきとの濡れ性が劣化し不めっきなどの欠陥を引き起こす場合がある。ＰＨ2が０．０１０を下回ると鋼板外部に酸化物が形成され、めっきとの濡れ性が劣化し、不めっきなどの欠陥を引き起こす場合がある。ＰＨ2の上限については、水素爆発の危険性の観点から０．１５０とする。例えば、ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）は−１．００以上であってもよく、および／または−０．１０以下であってもよい。また、ＰＨ2は０．０２０以上であってもよく、および／または０．１２０以下であってもよい。
−１．１０≦ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）≦−０．０７ ・・・（２）
０．０１０≦ＰＨ2≦０．１５０ ・・・（３）
［第一均熱処理：Ａｃ１＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度で１秒〜１０００秒間保持］
十分にオーステナイト化を進行させるため、鋼板を少なくともＡｃ１＋３０℃以上に加熱し、当該温度（最高加熱温度）で均熱処理を行う。但し、過剰に加熱温度を上げると、オーステナイト粒径の粗大化による靭性の劣化を招くばかりか、焼鈍設備の損傷にも繋がる。そのため上限は９５０℃、好ましくは９００℃とする。均熱時間が短いとオーステナイト化が十分進行しないため、少なくとも１秒以上とする。好ましくは３０秒以上または６０秒以上である。一方、均熱時間が長すぎると生産性を阻害することから上限は１０００秒、好ましくは５００秒とする。均熱中は鋼板を必ずしも一定温度に保持する必要はなく、上記条件を満足する範囲で変動しても構わない。第一均熱処理ならびに後述する第二均熱処理および第三均熱処理における「保持」とは、各均熱処理において規定される上下限値を超えない範囲で温度を所定の温度±２０℃、好ましくは±１０℃の範囲内に維持することを意味するものである。したがって、例えば、徐々に加熱しまたは徐々に冷却することで、各均熱処理において規定される温度範囲内を４０℃、好ましくは２０℃を超えて変動する加熱または冷却操作は、本発明の実施形態に係る第一、第二および第三均熱処理には包含されない。
［第一冷却：７００〜６００℃の温度範囲の平均冷却速度：１０〜１００℃／秒］
最高加熱温度で保持した後は第一冷却を行う。冷却停止温度は、続く第二均熱処理の温度である３００℃〜６００℃である。７００℃〜６００℃の温度範囲の平均冷却速度は１０〜１００℃／秒とする。平均冷却速度が１０℃／秒を下回ると所望のフェライト分率が得られない場合がある。平均冷却速度は１５℃／秒以上または２０℃／秒以上であってもよい。また、平均冷却速度は８０℃／秒以下または６０℃／秒以下であってもよい。本発明において、「平均冷却速度」とは、７００℃と６００との差である１００℃を７００℃から６００℃に至るまでの経過時間で割ることにより得られた値をいうものである。
［第二均熱処理：式（４）および（５）を満足する雰囲気下において、３００〜６００℃の範囲で８０〜５００秒間保持］
３００〜６００℃の範囲で８０〜５００秒間保持する第二均熱処理は、炉内の雰囲気を低酸素ポテンシャルにして、鋼板内部の炭素原子を先の加熱時に形成された脱炭領域に向かって適度に再拡散させるために行う。第二均熱処理の温度が３００℃を下回るか、または保持時間が８０秒を下回ると、炭素原子の再拡散が不十分となるため所望の表層組織が得られない。一方、第二均熱処理の温度が６００℃を上回ると、フェライト変態が進行してしまい所望のフェライト分率が得られない。保持時間が５００秒を上回ると、ベイナイト変態が過剰に進行するため、本発明の実施形態に係る金属組織を得ることができない。ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）が−１．１０を上回ると、脱炭が進行してしまい所望の表層組織が得られない。また、ＰＨ2が０．００１０を下回ると、鋼板外部に酸化物が形成され、めっきとの濡れ性が劣化し不めっきなどの欠陥を引き起こす場合がある。ＰＨ2の上限については、水素爆発の危険性の観点から０．１５００とする。例えば、ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）は−１．００以下であってもよい。また、ＰＨ2は０．００５０以上であってもよく、および／または０．１０００以下であってもよい。
ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）＜−１．１０ ・・・（４）
０．００１０≦ＰＨ2≦０．１５００ ・・・（５）
第二均熱処理の後、鋼板を溶融亜鉛めっきに浸漬する。この時の鋼板温度が鋼板性能に及ぼす影響は小さいが、鋼板温度とめっき浴温度の差が大きすぎると、めっき浴温度が変化してしまい操業に支障をきたす場合があるため、めっき浴温度−２０℃〜めっき浴温度＋２０℃の範囲に鋼板を冷却する工程を設けることが望ましい。溶融亜鉛めっきは常法に従えて行えばよい。例えば、めっき浴温は４４０〜４６０℃、浸漬時間は５秒以下でよい。めっき浴は、Ａｌを０．０８〜０．２％含有するめっき浴が好ましいが、その他、不純物としてＦｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｂを含有してもよい。また、めっきの目付量を、ガスワイピング等の公知の方法で制御することが好ましい。目付量は、片面あたり２５〜７５ｇ／ｍ2が好ましい。
［合金化処理］
例えば、溶融亜鉛めっき層を形成した溶融亜鉛めっき鋼板に対して、必要に応じて合金化処理を行ってもよい。その場合、合金化処理温度が４６０℃未満であると、合金化速度が遅くなり生産性を損なうばかりでなく、合金化処理むらが発生するので、合金化処理温度は４６０℃以上とする。一方、合金化処理温度が６００℃を超えると、合金化が過度に進行して、鋼板のめっき密着性が劣化する場合がある。また、パーライト変態が進み所望の金属組織を得られない場合がある。したがって、合金化処理温度は６００℃以下とする。
［第二冷却：Ｍｓ−５０℃以下に冷却］
めっき処理またはめっき合金化処理後の鋼板にオーステナイトの一部ないしは大部分をマルテンサイトに変態させるため、マルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）−５０℃以下まで冷却する第二冷却を行う。ここで生成したマルテンサイトは後の再加熱および第三均熱処理により焼戻され、焼戻しマルテンサイトとなる。冷却停止温度がＭｓ−５０℃を超えると、焼戻しマルテンサイトが十分形成されないため、所望の金属組織が得られない。鋼板の延性を改善するために残留オーステナイトを活用したい場合には、冷却停止温度に下限を設けることが望ましい。具体的には、冷却停止温度はＭｓ−５０℃〜Ｍｓ−１３０℃の範囲に制御することが望ましい。
なお、本発明におけるマルテンサイト変態は、フェライト変態およびベイナイト変態の後に生じる。フェライト変態およびベイナイト変態に伴い、オーステナイトにＣが分配する。そのため、オーステナイト単相に加熱し、急冷した際のＭｓとは一致しない。本発明におけるＭｓは、第二冷却における熱膨張温度を測定することにより求められる。例えば、本発明におけるＭｓは、フォーマスタ試験機などの連続熱処理中の熱膨張量を測定可能な装置を用いて、溶融亜鉛めっき熱処理開始（室温相当）から上記第二冷却に至るまでの溶融亜鉛めっきラインのヒートサイクルを再現し、当該第二冷却における熱膨張温度を測定することにより、求めることができる。ただし実際の溶融亜鉛めっき熱処理ではＭｓ〜室温の間で冷却を停止する場合があるが、熱膨張測定時は室温まで冷却する。図２は本発明の実施形態に係る溶融亜鉛めっき処理相当のヒートサイクルを熱膨張測定装置で模擬した時の温度−熱膨張曲線である。鋼板は第二冷却工程において直線的に熱収縮するが、ある温度で直線関係から逸脱する。この時の温度が本発明におけるＭｓである。
［第三均熱処理：２００℃〜４２０℃の温度域で５〜５００秒間保持］
第二冷却の後、２００℃〜４２０℃の範囲に再加熱し第三均熱処理を行う。この工程では、第二冷却時に生成したマルテンサイトを焼き戻す。保持温度が２００℃未満または保持時間が５秒未満の場合、焼き戻しが十分に進行しない。一方、ベイナイト変態が十分進行しないため、所望の残留オーステナイト量を得ることが困難となる。一方、保持温度が４２０℃を超えるか、あるいは保持時間が５００秒を超えると、マルテンサイトが過剰に焼き戻されるとともに、ベイナイト変態が過剰に進行するために所望の強度および金属組織を得ることが困難となる。第三均熱処理の温度は２４０℃以上であってもよく、４００℃以下であってもよい。また、保持時間は１５秒以上または１００秒以上であってもよく、４００秒以下であってもよい。
第三均熱処理の後に室温まで冷却し、最終製品とする。鋼板の平坦矯正、表面粗度の調整のために、調質圧延を行ってもよい。この場合、延性の劣化を避けるため、伸び率を２％以下とすることが好ましい。
次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例である。本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得る。
表１に示す化学組成を有する鋼を鋳造し、スラブを作製した。表１に示す成分以外の残部はＦｅおよび不純物である。これらのスラブを表２に示す条件で熱間圧延を行い、熱延鋼板を製造した。その後、熱延鋼板を酸洗し、表面のスケールを除去した。その後、冷間圧延した。冷延後の板厚は１．４ｍｍとした。さらに、得られた鋼板について、表２に示す条件で連続溶融亜鉛めっき処理を実施し、適宜合金化処理を行った。表２に示す各均熱処理では、温度は表２に示される温度±１０℃の範囲内に維持された。製造した溶融亜鉛めっき鋼板から採取した試料を分析した母材鋼板の成分組成は、表１に示す鋼の成分組成と同等であった。
このようにして得られた鋼板から圧延方向に直角方向からＪＩＳ５号引張試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ２２４１：２０１１に準拠して引張試験を行い、引張強度（ＴＳ）および全伸び（Ｅｌ）を測定した。また、日本鉄鋼連盟規格の「ＪＦＳ Ｔ １００１ 穴広げ試験方法」を行い、穴広げ率（λ）を測定した。ＴＳが９８０ＭＰａ以上、ＴＳ×Ｅｌ×λ0.5／１０００が８０以上、かつ以下の曲げ試験が合格のものを機械特性が良好であり、自動車用部材として用いられるのに好ましいプレス成形性を有すると判断した。
また、ドイツ自動車工業会（ＶＤＡ）規格の２３８−１００に定められた方法により曲げ試験を行い、最大曲げ角度を測定した。引張強度が１１８０ＭＰａ未満のものについては曲げ角９０度以上、引張強度が１１８０ＭＰａ以上、１４７０ＭＰａ未満のものについては曲げ角８０度以上、１４７０ＭＰａを超えるものについては曲げ角が７０度以上を曲げ性が良好であると判断し、合格（表３において「◎」）とした。
また、図２に示すような閉断面形状のハット型部材を作製し、静的３点曲げ試験を実施した。その際の最大荷重を測定した。最大荷重［ｋＮ］を引張強度［ＭＰａ］で除した値が０．０１５以上のものを、曲げ変形時の荷重低下が十分に抑制されているとして合格（表３において「◎」）とした。
結果を表３に示す。表３中のＧＡは合金化溶融亜鉛めっきを意味し、ＧＩは合金化処理を行っていない溶融亜鉛めっきを意味する。
比較例４は溶融亜鉛めっき工程における第二均熱処理時の炉内の雰囲気が式（４）を満足しなかった。その結果、所望の表層組織が得られず、三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例５は溶融亜鉛めっき工程における加熱時の雰囲気が式（２）を満足しなかった。その結果、軟質層が形成されず、曲げ性が劣位であった。比較例７は溶融亜鉛めっき工程における第二冷却の停止温度がＭｓ−５０℃超であった。その結果、焼き戻しマルテンサイトが得られず、引張強度が９８０ＭＰａに満たなかった。また、三点曲げ試験時の最大荷重も劣位であった。比較例８は溶融亜鉛めっき工程における第三均熱処理の温度が２００℃未満であった。その結果、所望の金属組織が得られず、プレス成形性が劣位であった。比較例１３は冷間圧延工程におけるＡ／Ｂ（圧延線荷重／引張強度）が１３未満であった。また、比較例３２は冷間圧延工程における圧下率が６％未満であった。その結果、表層組織における焼戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ超となり、三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例１４は溶融亜鉛めっき工程における第一均熱処理の温度がＡｃ１℃＋３０℃未満であり、第二冷却の停止温度がＭｓ−５０℃超であった。その結果、所望の金属組織が得られず、プレス成形性および三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例１５は第一冷却の平均冷却速度が１０℃／秒未満であった。その結果、フェライトが５０％超、さらにはパーライトとセメンタイトの合計が５％超となり、プレス成形性が劣位であった。
比較例１８は第二均熱処理の保持時間が５００秒超であり、また第二冷却の停止温度がＭｓ−５０℃超であった。その結果、所望の金属組織が得られず、プレス成形性が劣位であった。比較例２２は第二均熱処理の温度が６００℃超であった。その結果、フェライトが５０％超、さらにはパーライトとセメンタイトの合計が５％超となり、プレス成形性が劣位であった。比較例２３は溶融亜鉛めっき工程における第二均熱処理の温度が３００℃未満であった。その結果、所望の表層組織が得られず、三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例２７は溶融亜鉛めっき工程における第二冷却の停止温度がＭｓ−５０℃超であった。その結果、所望の金属組織が得られず、プレス成形性および三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例２８は第二均熱処理の保持時間が８０秒未満であった。その結果、表層組織における焼戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ超となり、三点曲げ試験時の最大荷重が劣位であった。比較例２９は溶融亜鉛めっき工程における第三均熱処理の保持時間が５秒未満であった。その結果、フレッシュマルテンサイトが１０％超となり、プレス成形性が劣位であった。比較例３３は溶融亜鉛めっき工程における加熱時の雰囲気が式（２）を満足しなかった。また、比較例３４は加熱時の水素分圧が式（３）を満足しなかった。さらに、比較例３５は第二均熱処理時の水素分圧が式（５）を満足しなかった。その結果、これらの比較例では不めっきが発生した。比較例５７〜６２では化学組成が所定の範囲内に制御されていないために、所望の金属組織が得られず、プレス成形性が劣位であった。また、比較例５９〜６１ではＣ、ＳｉおよびＭｎ含有量が過剰であったために鋼板の靭性が不足し、３点曲げ試験中に試験体が脆性的に破壊した。
これとは対照的に、実施例の溶融亜鉛めっき鋼板は、引張強度が９８０ＭＰａ以上でかつＴＳ×Ｅｌ×λ0.5／１０００が８０以上であり、さらには三点曲げ試験の結果が良好であったことから、プレス成形性に優れ、さらに曲げ変形時の荷重低下が抑制されていることがわかる。また、実施例１０、２４、３１および３９の溶融亜鉛めっき鋼板について、母材鋼板と溶融亜鉛めっき層の界面から当該母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度を調べたところ、それぞれ３１５ＨＶ、３９４ＨＶ、３９０ＨＶおよび４８７ＨＶであった。

Claims (3)

  1. 母材鋼板の少なくとも一方の表面に溶融亜鉛めっき層を有する溶融亜鉛めっき鋼板であって、前記母材鋼板が、質量％で、
    Ｃ：０．０５０％〜０．３５０％、
    Ｓｉ：０．１０％〜２．５０％、
    Ｍｎ：１．００％〜３．５０％、
    Ｐ：０．０５０％以下、
    Ｓ：０．０１００％以下、
    Ａｌ：０．００１％〜１．５００％、
    Ｎ：０．０１００％以下、
    Ｏ：０．０１００％以下、
    Ｔｉ：０％〜０．２００％、
    Ｂ：０％〜０．０１００％、
    Ｖ：０％〜１．００％、
    Ｎｂ：０％〜０．１００％、
    Ｃｒ：０％〜２．００％、
    Ｎｉ：０％〜１．００％、
    Ｃｕ：０％〜１．００％、
    Ｃｏ：０％〜１．００％、
    Ｍｏ：０％〜１．００％、
    Ｗ：０％〜１．００％、
    Ｓｎ：０％〜１．００％、
    Ｓｂ：０％〜１．００％、
    Ｃａ：０％〜０．０１００％、
    Ｍｇ：０％〜０．０１００％、
    Ｃｅ：０％〜０．０１００％、
    Ｚｒ：０％〜０．０１００％、
    Ｌａ：０％〜０．０１００％、
    Ｈｆ：０％〜０．０１００％、
    Ｂｉ：０％〜０．０１００％、および
    Ｃｅ、Ｌａ以外のＲＥＭ：０％〜０．０１００％
    を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなる化学組成を有し、
    前記母材鋼板の表面から１／４厚の位置を中心とした１／８厚〜３／８厚の範囲における鋼組織が、面積％で、
    フェライト：０％〜５０％、
    残留オーステナイト：０％〜３０％、
    焼き戻しマルテンサイト：５％以上、
    フレッシュマルテンサイト：０％〜１０％、および
    パーライトとセメンタイトの合計：０％〜５％
    を含有し、残部組織が存在する場合には、前記残部組織がベイナイトからなり、
    前記母材鋼板と前記溶融亜鉛めっき層の界面から前記母材鋼板側に１／４厚の位置における硬度に対して９０％以下の硬度を有する領域を軟質層としたときに、前記界面から前記母材鋼板側に厚さ１０μｍ以上の軟質層が存在し、
    前記軟質層が焼き戻しマルテンサイトを含み、かつ、
    前記軟質層内における前記界面から前記母材鋼板内部への焼き戻しマルテンサイトの面積％の板厚方向増加率が５．０％／μｍ以下であることを特徴とする、溶融亜鉛めっき鋼板。
  2. 前記鋼組織が、さらに、面積％で、残留オーステナイト：６％〜３０％を含有することを特徴とする、請求項１に記載の溶融亜鉛めっき鋼板。
  3. 請求項１に記載の化学組成を有するスラブを熱間圧延する熱間圧延工程、得られた熱延鋼板を冷間圧延する冷間圧延工程、および得られた冷延鋼板に溶融亜鉛めっきを施す溶融亜鉛めっき工程を含む溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法であって、
    （Ａ）前記冷間圧延工程が以下の（Ａ１）および（Ａ２）の条件：
    （Ａ１）圧延線荷重が下記式（１）を満足し、かつ、圧下率が６％以上である冷間圧延を１回以上施すこと、
    １３≦Ａ／Ｂ≦３５ ・・・（１）
    （式中、Ａは圧延線荷重（ｋｇｆ／ｍｍ）であり、Ｂは熱延鋼板の引張強度（ｋｇｆ／ｍｍ2）である。）
    （Ａ２）総冷間圧下率が３０〜８０％であること
    を満足し、
    （Ｂ）前記溶融亜鉛めっき工程が、鋼板を加熱して第一均熱処理すること、第一均熱処理された鋼板を第一冷却し次いで第二均熱処理すること、第二均熱処理された鋼板を溶融亜鉛めっき浴に浸漬すること、めっきを施された鋼板を第二冷却すること、および第二冷却された鋼板を加熱し次いで第三均熱処理することを含み、さらに以下の（Ｂ１）〜（Ｂ６）の条件：
    （Ｂ１）第一均熱処理前の鋼板加熱時において、下記式（２）および（３）を満足する雰囲気下で、６５０℃〜Ａｃ１℃＋３０℃以上９５０℃以下の最高加熱温度までの平均加熱速度が０．５℃／秒〜１０．０℃／秒であること、
    （Ｂ２）前記鋼板を前記最高加熱温度で１秒〜１０００秒間保持すること（第一均熱処理）、
    （Ｂ３）第一冷却における７００〜６００℃までの温度範囲の平均冷却速度が１０〜１００℃／秒であること、
    （Ｂ４）下記式（４）および（５）を満足する雰囲気下において、第一冷却された鋼板を３００〜６００℃の範囲で８０秒〜５００秒間保持すること（第二均熱処理）、
    （Ｂ５）第二冷却がＭｓ−５０℃以下まで行われること、
    （Ｂ６）第二冷却された鋼板を２００〜４２０℃の温度域に加熱し、次いで前記温度域で５〜５００秒間保持すること（第三均熱処理）
    を満足することを特徴とする、請求項１または２に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法。
    −１．１０≦ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）≦−０．０７ ・・・（２）
    ０．０１０≦ＰＨ2≦０．１５０ ・・・（３）
    ｌｏｇ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）＜−１．１０ ・・・（４）
    ０．００１０≦ＰＨ2≦０．１５００ ・・・（５）
    （式中、ＰＨ2Ｏは水蒸気の分圧を示し、ＰＨ2は水素の分圧を示す。）
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