JP6879402B2 - 高強度亜鉛めっき鋼板および高強度部材 - Google Patents
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Description
C:0.08%以上0.20%以下、
Si:2.0%未満、
Mn:1.5%以上3.5%以下、
P:0.02%以下、
S:0.002%以下、
Al:0.10%以下、及び
N:0.006%以下を含有し、
鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)が0.2以上であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成と、
表面から板厚1/3位置までの範囲に存在するAl、Si、Mg及びCaの少なくとも1種を含有する介在物の平均粒径が50μm以下、前記介在物の平均最近接距離が20μm以上である鋼組織と、を有する鋼板と、
前記鋼板の表面に、片面あたりのめっき付着量が20g/m2以上120g/m2以下の亜鉛めっき層と、を備え、
鋼中に含まれる拡散性水素量が0.25質量ppm未満であり、
前記亜鉛めっき層直下の、下地鋼板表面から100μm以内の鋼板表層部に、Fe、Si、Mn、Al、P、B、Nb、Ti、Cr、Mo、V、Cu及びNiの中から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する酸化物が、片面あたり0.010g/m2以上であり、
引張強さが1100MPa以上である高強度亜鉛めっき鋼板。
[2]前記成分組成は、さらに、質量%で、下記(1)〜(3)のうち少なくとも1つを含有する[1]に記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
(1)Ti、Nb、V及びZrのうち1種以上を合計で0.005%以上0.1%以下
(2)Mo、Cr、Cu及びNiのうち1種以上を合計で0.01%以上0.5%以下
(3)B:0.0003%以上0.005%以下
[3]前記成分組成は、さらに、質量%で、Sb:0.001%以上0.1%以下及びSn:0.001%以上0.1%以下のうち少なくとも1種を含有する[1]又は[2]に記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
[4]前記成分組成は、さらに、質量%で、Ca:0.0005%以下を含有する[1]〜[3]のいずれか一つに記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
[5]前記鋼組織は、面積率で、30%以上85%以下のマルテンサイト、60%以下(0%を含む)のフェライト、15%以下(0%を含む)のベイナイト、かつ5%未満(0%を含む)の残留オーステナイトを有し、
フェライトの平均粒径が15μm以下である[1]〜[4]のいずれか一つに記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
[6][1]〜[4]のいずれか一つに記載の成分組成を有する鋼を、鋳型メニスカス近傍の凝固界面の溶鋼流速が16cm/秒以上となる条件で鋳造して鋼素材とする鋳造工程と、
前記鋳造工程後の鋼素材を熱間圧延する熱延工程と、
前記熱延工程後の鋼板を酸洗する酸洗工程と、
前記酸洗工程後の鋼板を、圧下率20%以上80%以下で冷間圧延する冷延工程と、
前記冷延工程後の鋼板を、連続焼鈍ラインにて、500℃以上の温度域の炉内雰囲気の水素濃度を0vol%超12vol%以下、かつ740℃以上の温度域での露点が−25℃以上である炉内雰囲気で、焼鈍温度740℃以上(Ac3+20)℃以下で加熱した後、焼鈍温度から少なくとも600℃までを平均冷却速度3℃/秒以上で冷却する焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後の鋼板を、めっき処理し、該めっき処理後450℃から250℃までの温度域を平均冷却速度3℃/秒以上で冷却するめっき工程と、を有する高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法。
[7]前記めっき工程後、幅トリムを行う幅トリム工程を、さらに有する[6]に記載の高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法。
[8]前記焼鈍工程後又は前記めっき工程後、水素濃度が5vol%以下、露点が50℃以下の雰囲気で、50〜400℃の温度域で30秒以上加熱する後処理工程をさらに有する[6]又は[7]に記載の高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法。
[9]前記めっき工程において、前記めっき処理直後に合金化処理を行う[6]〜[8]のいずれか一つに記載の高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法。
[10][1]〜[5]のいずれか一つに記載の高強度亜鉛めっき鋼板が、成形加工及び溶接の少なくとも一方がされてなる高強度部材。
[11][6]〜[9]のいずれか一つに記載の高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法によって製造された高強度亜鉛めっき鋼板を、成形加工及び溶接の少なくとも一方を行う工程を有する、高強度部材の製造方法。
Cは鋼板の高強度化に有効な元素であり、鋼組織の硬質相の一つであるマルテンサイトを形成することで高強度化に寄与する。また、製造方法によってはNbやTi、V及びZrといった炭化物形成元素と微細な合金化合物或いは合金炭窒化物を形成することでも高強度化に寄与する。これらの効果を得るためには、C含有量は0.08%以上とすることが必要である。一方、C含有量が0.20%を超えると、マルテンサイトが過剰に硬質化し、介在物や鋼中水素量を制御しても曲げ加工性が改善しなくなる傾向にある。したがってC含有量は0.08%以上0.20%以下とする。TSを安定して1100MPa以上にする観点からは、C含有量は0.09%以上が好ましい。
Siは主に固溶強化により高強度化に寄与する元素であり、強度上昇に対して延性の低下が比較的少なく、強度のみならず強度と延性のバランス向上にも寄与する。延性の向上は曲げ性の改善につながる。一方で、Siは鋼板表面にSi系酸化物を形成しやすく、不めっきの原因となる場合があると共に、過剰に含有すると熱間圧延時に著しいスケールが形成されて鋼板表面にスケール跡疵が付き、表面性状が悪くなることがあり、また酸洗性が低下することがある。したがって、強度確保に必要な分だけ添加すれば良いが、めっき性の観点から、Si含有量は2.0%未満とする。Si含有量は好ましくは1.8%以下である。Si含有量の下限は特に規定されないが、0.001%未満では製造での制御が難しくなる傾向があるので、Si含有量は0.001%以上とすることが好ましい。Siは強度確保に必要な量を添加すれば良く、強度向上の効果を有効に得る観点からは、Si含有量はより好ましくは0.3%以上であり、さらに好ましくは0.4%以上であり、特に好ましくは0.5%以上である。
Mnは固溶強化およびマルテンサイト形成により高強度化に寄与する元素として有効であり、この効果を得るために1.5%以上の含有が必要である。Mn含有量は好ましくは1.9%以上である。一方、Mn含有量が3.5%を超えるとMnの偏析などに起因して鋼組織にムラを生じやすくなり、加工性の低下を招くほか、Mnは鋼板表面に酸化物あるいは複合酸化物として外部酸化しやすく、不めっきの原因となる場合がある。そのためMn含有量は3.5%以下とする。
Pは、固溶強化により鋼板の高強度化に寄与する有効な元素であるが、一方でめっき性に影響を与える。特に鋼板との濡れ性の劣化、めっき層の合金化速度の遅延を招き、特に高強度鋼板を得るような高合金系では影響が大きい。そのため、P含有量は0.02%以下とした。P含有量は、好ましくは0.01%以下である。P含有量の下限は特に規定しないが0.0001%未満では製造過程において生産能率低下と脱燐コスト増を招くため、P含有量は0.0001%以上とすることが好ましい。
Sは鋼中で硫化物系の介在物を形成しやすい。特に高強度化のためMnを多量に添加する場合はMnS系の介在物を形成しやすくなる。これは曲げ性を損なう原因にもなるほか、Sは熱間脆性を起こす原因となって製造工程に悪影響を及ぼすため、極力低減することが好ましい。本発明では0.002%までは許容できる。S含有量の下限は特に規定しないが0.0001%未満では製造過程において生産能率低下とコスト増を招くため、S含有量は0.0001%以上とすることが好ましい。
Alは脱酸剤として添加される。脱酸剤としてAlを添加する場合、その効果を得るために、Alを0.001%以上含有することが好ましい。一方、Al含有量が0.10%を超えると製造工程中で介在物を形成しやすくなり、曲げ性を劣化させる。そのため、Al含有量は0.10%以下とし、好ましくは鋼中のsol.Alとして0.08%以下である。
N含有量が0.006%を超えると鋼中に過剰な窒化物が生成して加工性を低下させるほか、鋼板の表面性状の悪化を招くことがある。このためN含有量は0.006%以下、好ましくは0.005%以下とする。フェライトが存在する場合、その清浄化による延性向上の観点からは含有量は極力少ない方が好ましいが、製造過程における生産能率低下とコスト増を招くため、N含有量は0.0001%以上とすることが好ましい。
優れためっき性を得るためには鋼中で酸化しやすい元素の制御が重要であり、Mnの外部酸化を抑える観点から、SiMn複合酸化物を鋼板内部に形成することを狙いとしている。鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)が0.2未満になると、亜鉛めっき層直下の下地鋼板表面(以下、単に「下地鋼板表面」とも称する。)から100μm以内の鋼板表層部に十分な酸化物量が得られなくなる。そのため、鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)は0.2以上とする。鋼板表層部に十分な酸化物量を得る観点からは、鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)は0.20以上であることが好ましく、0.25以上であることがより好ましい。また、鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)の上限は特に規定しないが、本発明の成分組成においては1.3以下となることが多い。
(1)Ti、Nb、V及びZrのうち1種以上を合計で0.005%以上0.1%以下
(2)Mo、Cr、Cu及びNiのうち1種以上を合計で0.01%以上0.5%以下
(3)B:0.0003%以上0.005%以下
Ti、Nb、V及びZrは、CやNと炭化物や窒化物(炭窒化物の場合もある)を形成する。微細析出物とすることで鋼板の高強度化に寄与する。特に軟質なフェライトに析出させることでその強度を高め、マルテンサイトとの強度差を低減する効果は曲げ性のほか伸びフランジ性の改善にも寄与する。さらにこれらの元素は熱延コイルの組織を微細化する作用があり、その後の冷延・焼鈍後の鋼組織を微細化することでも強度上昇や曲げ性などの加工性向上に寄与する。この効果を得る観点から、Ti、Nb、V及びZrのうち1種以上を合計で0.005%以上含有することが好ましい。しかしながら過剰な添加は、冷間圧延時の変形抵抗を高めて生産性を阻害するほか、過剰な或いは粗大な析出物の存在はフェライトの延性を低下させ、鋼板の延性や曲げ性を低下させる傾向がある。このため、Ti、Nb、V及びZrのうち1種以上を合計で0.1%以下とすることが好ましい。
SbやSnは脱炭や脱窒、脱硼などを抑制して、鋼板の強度低下抑制に有効な元素であるため0.001%以上の含有が好ましい。しかしながら過剰な添加は表面性状を低下させるためその上限を0.1%とすることが好ましい。
Caを少量添加すると、硫化物の形状を球状化させ、鋼板の曲げ性を向上させる効果が得られる。一方、過剰に添加すると、Caは鋼中で硫化物や酸化物を過剰に形成し、鋼板の加工性、特に曲げ性を低下させるためCa含有量を0.0005%以下とすることが好ましい。また、Ca含有量の下限は特に規定されないが、Caを含有する場合は、Ca含有量は0.0001%以上であることが多い。
マルテンサイトは硬質であり、鋼板強度を高めるために有効かつ必須である。引張強さ(TS)1100MPa以上を確保するために面積率で30%以上とすることが好ましい。TSの安定確保の観点からは45%以上とすることが好ましい。また、ここで言うマルテンサイトは、製造中に自己焼戻しされたオートテンパードマルテンサイトや場合によってはその後の熱処理で焼き戻された焼戻しマルテンサイトを含む。また、曲げ性と強度とのバランスの観点からマルテンサイトは85%以下とすることが好ましい。
水素が存在する雰囲気中で熱処理およびめっきを付与する工程を施した場合、鋼中に水素が侵入および残存する。最終製品の鋼中水素を極力低減する1つの手法として、めっきを付与する前の鋼組織にBCC構造であるフェライトやベイナイトを出現させる。これは、FCC構造であるオーステナイトよりもBCC構造であるフェライトやベイナイトの方が水素の固溶度が小さいことを利用するものである。また軟質なフェライトは鋼板の延性を向上させ、曲げ性を向上させる。しかし、フェライトが60%を超えると強度を確保することができなくなるため好ましい上限を60%とする。なお、フェライトは2%以上となることが多い。
ベイナイトは曲げ性向上に寄与するため、含んでもよいが、過剰に含むと所望の強度が得られないため、15%以下とすることが好ましい。なお、ベイナイトは2%以上となることが多い。
オーステナイトはfcc相であり、フェライト(bcc相)に比べ、水素の吸蔵能が高くかつ鋼中での拡散が遅いため鋼中に残存しやすい。さらにこの残留オーステナイトがマルテンサイトに加工誘起変態した場合には、鋼中の拡散性水素を増加させる懸念がある。そのため、本発明では、残留オーステナイトは5%未満が好ましい。
本発明の製造方法で使用する鋼は、一般的にスラブとよばれる連続鋳造方法で製造されたものを用いるが、これは合金成分のマクロ偏析を防止する目的であり、造塊法や薄スラブ鋳造法などで製造してもよい。
Ac3(℃)=910−203(C)1/2+44.7Si−30Mn−11P+700S+400Al+400Tiとする。
上記式における元素記号は各元素の含有量(質量%)を意味し、含有しない成分は0とする。
<高強度部材およびその製造方法>
本発明の高強度部材は、本発明の高強度亜鉛めっき鋼板が、成形加工及び溶接の少なくとも一方がされてなるものである。また、本発明の高強度部材の製造方法は、本発明の高強度亜鉛めっき鋼板の製造方法によって製造された高強度亜鉛めっき鋼板を、成形加工及び溶接の少なくとも一方を行う工程を有する。
鋼中の水素量の影響を確認するために、実施例1に示す検討を行った。
鋼中の水素量は以下の方法で測定した。先ずめっき鋼板から、5×30mm程度の試験片を切り出し、ルータ(精密グラインダ)を使って試験片表面のめっきを除去して石英管中に入れた。次いで、石英管中をArで置換した後、200℃/hrで昇温し、400℃までに発生した水素をガスクロマトグラフにより測定した。このように、昇温分析法にて放出水素量を測定した。室温(25℃)から210℃未満の温度域で検出された水素量の累積値を鋼中の拡散性水素量とした。
製造しためっき鋼板から、圧延方向に平行方向が短辺となるように、25×100mmの短冊試験片を切出した。次いで圧延方向が曲げたときの稜線になるように90°V曲げ試験を行った。ストローク速度は50mm/minとし、荷重10トンで5秒間ダイスに押し付ける決め押しをした。V型パンチの先端Rを0.5ステップで種々変化させて試験を行い、試験片稜線近傍を20倍のレンズで観察して亀裂(割れ)の有無を確認した。亀裂が発生しなかった最小のRと、試験片の板厚(tmm、千分の一の位で四捨五入した百分の一の位までの値を使用)から、R/tを算出し、これを曲げ性の指標とした。R/tの値が小さいほど曲げ性は良好である。
実施例2では、以下に示す亜鉛めっき鋼板を製造して評価した。
めっき鋼板から圧延方向に対して直角方向にJIS5号引張試験片(JISZ2201)を採取し、引張速度(クロスヘッドスピード)10mm/min一定で引張試験を行った。引張強さは引張試験における最大荷重を初期の試験片平行部断面積で除した値とした。平行部の断面積算出における板厚はめっき厚込みの板厚値を用いた。
実施例1と同様の方法で行った。
実施例1と同様の方法で行った。なお、本評価では、R/t≦3.5を曲げ性に優れると評価した。
製造した溶融亜鉛鍍金鋼板から組織観察用試験片を採取し、L断面(圧延方向に平行な板厚断面)を研磨後、ナイタール液で腐食しSEMで1500倍の倍率で3視野以上を観察して撮影した画像を解析した(観察視野ごとに面積率を測定し、平均値を算出した)。観察位置は、板厚表面から板厚1/4付近の位置とした。ただし、残留オーステナイトの体積率(体積率を面積率とみなす)についてはX線回折強度により定量したため、各組織の合計が100%を超える結果になる場合がある。表4のFはフェライト、Mはマルテンサイト(焼戻しマルテンサイトを含む)、Bはベイナイト、γは残留オーステナイトを意味する。フェライトの平均粒径はSEMで10個の粒子を観察し、各々の面積率を求め、円相当径を算出し、これを平均することで求めた。
90°V曲げ試験をおこなった試験片の稜線部を強制的に破断させて、鋼板の断面をSEMで観察した。試験片表層、すなわち曲げ外側表面から板厚1/3位置までに存在した介在物に関し、EDXによる定性分析で組成を確認し、Al、Si、Mg及びCaの少なくとも1種類以上を含有する酸化物を同定したのち、画像中の介在物の最長径(粒子幅の最も長い部分の寸法)を測定して、その最長径を粒径とみなし、その平均粒径を求めた。また、該視野内で、表面から板厚1/3位置までの範囲に存在する任意の介在物に対し、最近接に位置する介在物までの距離(最近接距離)を求め、全ての介在物についてこの距離を平均して平均最近接距離を求めた。
製造した溶融亜鉛鍍金鋼板の表面性状(外観)を目視観察し、不めっき欠陥の有無を調べた。不めっき欠陥とは数μm〜数mm程度のオーダーで、めっきが存在せず鋼板が露出している領域を意味する。
A:不めっき欠陥が全くなく、かつZnカウント数が7000未満である。
B:不めっき欠陥が全くなく、かつZnカウント数が7000以上8000未満である。
C:不めっき欠陥が全くなく、かつZnカウント数が8000以上である。
D:不めっき欠陥が発生する。
酸化物量は、「インパルス炉―赤外線吸収法」により測定した。ただし、素材(すなわち焼鈍を施す前の鋼板)に含まれる酸素量を差し引く必要があるので、本発明では、連続焼鈍後の鋼板の両面の表層部を100μm以上研磨して鋼中酸素濃度を測定し、その測定値を素材に含まれる酸素量OHとし、また、連続焼鈍後の鋼板の板厚方向全体での鋼中酸素濃度を測定して、その測定値を内部酸化後の酸素量OIとした。このようにして得られた鋼板の内部酸化後の酸素量OIと、素材にもともと含まれていた酸素量OHとを用いて、OIとOHの差(=OI−OH)を算出し、さらに片面の単位面積当たりの量に換算した値(g/m2)を酸化物量とした。
[実施例3]
実施例2の表3の製造条件No.1(本発明例)の亜鉛めっき鋼板を、プレス成形をして、本発明例の部材を製造した。さらに、実施例2の表3の製造条件No.1(本発明例)の亜鉛めっき鋼板と、実施例2の表3の製造条件No.2(本発明例)の亜鉛めっき鋼板とをスポット溶接により接合し、本発明例の部材を製造した。これらの本発明例の部材は、曲げ性及びめっき性に優れているため、自動車部品等に好適に用いることができることを確認できた。
Claims (5)
- 鋼組成が質量%で、
C:0.08%以上0.20%以下、
Si:2.0%未満、
Mn:1.5%以上3.5%以下、
P:0.02%以下、
S:0.002%以下、
Al:0.10%以下、及び
N:0.006%以下を含有し、
鋼中のMn含有量に対するSi含有量の質量比(Si/Mn)が0.2以上0.49以下であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分組成と、
面積率で、30%以上85%以下のマルテンサイト、2%以上60%以下のフェライト、15%以下(0%を含む)のベイナイト、かつ5%未満(0%を含む)の残留オーステナイトを有し、
フェライトの平均粒径が15μm以下であり、
表面から板厚1/3位置までの範囲に存在するAl、Si、Mg及びCaの少なくとも1種を含有する介在物の平均粒径が50μm以下、前記介在物の平均最近接距離が20μm以上である鋼組織と、を有する鋼板と、
前記鋼板の表面に、片面あたりのめっき付着量が20g/m2以上120g/m2以下の亜鉛めっき層と、を備え、
鋼中に含まれる拡散性水素量が0.25質量ppm未満であり、
前記亜鉛めっき層直下の、下地鋼板表面から100μm以内の鋼板表層部に、Fe、Si、Mn、Al、P、B、Nb、Ti、Cr、Mo、V、Cu及びNiの中から選ばれる少なくとも1種以上の元素を含有する酸化物が、片面あたり0.010g/m2以上であり、
圧延方向が曲げたときの稜線になるように90°V曲げ試験を行った際に、亀裂が発生しない最小のV型パンチの先端Rと、鋼板の板厚tが、R/t≦3.5を満たし、
引張強さが1100MPa以上である高強度亜鉛めっき鋼板。 - 前記成分組成は、さらに、質量% で、下記(1)〜(3)のうち少なくとも1つを含有する請求項1に記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
(1)Ti、Nb、V及びZrのうち1種以上を合計で0.005%以上0.1%以下
(2)Mo、Cr、Cu及びNiのうち1種以上を合計で0.01%以上0.5%以下
(3)B:0.0003%以上0.005%以下 - 前記成分組成は、さらに、質量%で、Sb:0.001%以上0.1%以下及びSn:0.001%以上0.1%以下のうち少なくとも1種を含有する請求項1又は2に記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
- 前記成分組成は、さらに、質量%で、Ca:0.0005% 以下を含有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の高強度亜鉛めっき鋼板。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の高強度亜鉛めっき鋼板が、成形加工及び溶接の少なくとも一方がされてなる高強度部材。
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