JPH0353379B2

JPH0353379B2 -

Info

Publication number: JPH0353379B2
Application number: JP58119973A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamada; Noryasu Sakai; Hisao Kawase
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1991-08-14
Also published as: JPS6013057A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、高温強度と耐熱性に優れたアルミニ
ウムめつき鋼板に関するものである。従来の溶融アルミニウムめつき鋼板は、軟鋼や
高張力鋼の表面に純AlやあるいはAl−Si合金を
めつき被覆したものであり、低級耐熱用材料とし
て広く使用されている。これら従来の溶融アルミ
ニウムめつき鋼板の耐用温度はせいぜい600℃に
しか過ぎなかつた。この種の溶融アルミニウムめつき鋼板の耐熱性
さらには高温強度を改善すべく、これまでいくつ
かの提案がなされている。例えば(1)特公昭53−
15454号、(2)特公昭51−35532号、(3)特開昭56−
102556号、(4)特開昭56−102523号、(5)特開昭57−
140868号公報に記載のものが挙げられる。このう
ち、(2)〜(5)の提案は本願と同一出願人に係るもの
である。これらの各提案はそれなりにアルミニウ
ムめつき鋼板の耐熱性または高温強度を改善する
ものであるが、一層過酷な条件下での使用にはな
お不十分であつた。例えば、自動車の排ガス処理
装置部材などのように、室温での冷間成形性と共
に、500〜800℃での耐酸化性と強度特性が併せ要
求される用途に対してはなお不十分であつた。し
たがつて、この種の用途に対して従来より適用さ
れているステンレス系の鋼、例えばAISI409鋼の
ような耐熱鋼に代えて、アルミニウムめつき鋼板
の適用を図る場合には、なお一層の耐熱性（高温
耐酸化性）と高温強度の改善を図る必要がある。本発明はこの要求を満たすことを目的としてな
されたものである。この目的を達成するアルミニウムめつき鋼板と
して、本発明は、第一に、Ｃ：0.001〜0.020％，
Si：0.1〜2.2％，Mn：0.1〜2.5％，Cr：0.5〜6.0
％，Ti：0.1〜0.5％でTi／（Ｃ＋Ｎ）比が10以
上、Al：0.01〜0.1％，Nb：0.05〜0.30％，Ｎ：
0.010％以下、残部がFeおよび不可避的不純物か
らなる鋼の冷延鋼板を基材とし、これにアルミニ
ウムめつきを施した高温強度と耐熱性に優れたア
ルミニウムめつき鋼板を、また第二に、この第一
のめつき鋼板の基材中に0.05〜1.0％のMoを含有
させた高温強度と耐熱性に優れたアルミニウムめ
つき鋼板を提供するものである。本発明によるアルミニウムめつき鋼板の特徴は
後に詳述するが、先に掲げた５件の公報記載のも
のとの相違の主たる点をまず説明すると、公報(1)
および(5)のものは本発明で要件とするCrを基材
中に含まず、公報(1)，(2)，(4)および(5)のものは本
発明で要件とするSiを基材中に含まない。これに
対し、本発明はSi，Mn，CrおよびNbを、適正
Ti含有低炭素含量において積極的に含有させる
ことによつてアルミニウムめつき鋼板の高温強度
と耐酸化性を一層向上させたものである。なお、
公報(3)は基材中にある程度のSi，Mn，Crを含有
させたアルミニウムめつき鋼板の組成を開示する
が、この場合はTi／（Ｃ＋Ｎ）比を20以上と非
常に高めることによつて耐酸化性の改善を意図し
たものであり、高温強度の改善については全く意
図しておらず、この公報(3)、さらには公報(1)，(2)
および(4)においてもNb，Moを含む鋼板組成を開
示していない。なお、公報(5)の鋼においては、
Nb，Moを部分的に含むが、SiおよびCrを合金
元素とするものではない。本発明のNb含有鋼を
基材とするアルミニウムめつき鋼板は、高温強度
が一段と優れ、800℃程度の高温下におけれても
高温強度の劣化が少ないという特徴を有してい
る。この特徴をより効果的に発揮させるには、こ
の基材の製造過程における熱延工程での巻取温度
を550〜650℃の範囲に制御することが非常に有益
であることも今回判明した。以下に、本発明のアルミニウムめつき鋼板の基
材中の化学成分の含有量の限定理由並びにその特
徴点を個別に説明する。Ｃはアルミニウムめつき鋼板の耐高温酸化性に
対しては有害な成分である。Ｃの有害作用の第一
点は基材鋼中のAlの拡散能を著しく低下させ、
めつき被覆層から基材鋼中へのAlの拡散能を著
しく阻害して、高温加熱時に基材鋼とめつき被覆
層との界面に空孔やボイドが多量に生成する原因
となる点にある。これらの空孔やボイドは、めつ
き被覆層から基材鋼中へのAlの拡散速度より、
基材鋼中からめつき被覆層中へのFe拡散速度の
方が大きいために生じるものと考えられる。Ｃの
有害作用の第二点は、めつき被覆層中の欠陥や空
隙を通じて基材鋼表面に達したＯ（酸素）と基材
鋼中のＣとが結合してCO＋CO₂を生成し、この
CO＋CO₂が前述の基材鋼とめつき被覆層との界
面に生成された空孔やボイドに集積して、空孔や
ボイドの内圧を高め、基材鋼とめつき被覆層との
界面強度を著しく低下させる点にある。以上の有
害作用は、基材鋼中にTiを添加して、Ｃをすべ
てTiC析出物として固定することにより除去でき
る。Tiの効率的利用を図るためにはＣ含有量は
極力低く抑えるべきであり、このためにその上限
を0.020％とした。また下限は、通常の転炉およ
び真空脱ガス装置にて現実的に達成し得る値とし
て0.001％とした。 Siは、本発明の主要な目的である高温強度およ
び耐高温酸化性の改善に寄与する元素である。Si
による高温強度改善効果は固溶強化に基づくもの
であり、Si含有量が多いほどその効果は大きい。
また耐高温酸化性の改善もSi含有量が多いほどそ
の効果は大きい。しかし、Si含有量が2.2％を越
えると高温強度や耐高温酸化性はさらに改善され
るものの、冷間加工性や溶接性が著しく劣化する
ばかりでなく、アルミニウムめつき性が著しく劣
化して健全なアルミニウムめつき被覆を得ること
が困難となるので、その上限を2.2％とした。ま
たSi含有量が0.1％未満では、高温強度および耐
高温酸化性に対する効果はきわめて小さいので、
その下限を0.10％とした。 Mnは本発明の主要な目的のひとつである高温
強度の改善に寄与する元素である。Mnによる高
温強度改善効果は固溶強化によるものであり、そ
の効果はMn含有量が多いほど大きい。しかし
Mn含有量が2.5％を超えると、高温強度さらに増
大するものの、冷間加工性および溶接性が著しく
劣化する上に、800℃以下の温度範囲で使用中に
αγ変態を起こし、機械的性質が著しく変化す
る恐れがあるので、その上限を2.5％とした。ま
たMn含有量が0.1％未満では高温強度に対する効
果はきわめて小さく、さらに通常の製鋼方法では
Mn含有量が0.1％未満の鋼を得ることは困難であ
るので、その下限を0.1％とする。 Tiは前述したように、本発明の主目的のひと
つである耐高温酸化性の改善に寄与する元素であ
る。 Tiにより耐高温酸化性が向上するのは次の理
由による。すなわち、基材鋼中のＣおよびＮを
Ti（Ｃ，Ｎ）析出物として固定することにより、
めつき被覆層から基材鋼中へのAlの拡散が著し
く容易となり、基材鋼とめつき被覆層との界面で
の空孔およびボイドの生成量が激減する。また、
ＣはTi（Ｃ，Ｎ）と固定されており、CO＋CO₂が
生成されることもない。本効果により、高温加熱
後のめつき鋼板の表面最外層にはAl₂O₃を主成分
とする熱・化学的に安定で緻密な酸化物層が生成
し、その直下には高濃度のAlを含有するα−Fe
層が形成され、優れた耐高温酸化性を発揮する。
Tiはさらに（Ｃ＋Ｎ）量の10倍以上の量が存在
することにより、基材鋼中に固溶Tiの形で存在
する場合に、耐高温酸化性がさらに改善される。
この効果は、高温加熱時に前述の最外層のAl₂O₃
を主成分とする酸化物層と、その直下の高濃度の
Alを含有するα−Fe層との界面でTiが選択酸化
されることにより、当該界面にTiが濃縮して前
述のAl₂O₃を主成分とする酸化物層をさらに安定
で緻密なものとするからと考えられる。またTiは、基材鋼中にNbが0.05〜0.30％の範
囲で存在する場合に（Ti，Nb）炭窒化物として
微細に析出・分散することにより、高温強度の改
善に寄与する。以上のようなTiの効果は、Ti含有量が0.5％を
越えて大量に添加しても増大せず、かえつて基材
鋼の表面品質の劣化を招くのみであるから、その
上限を0.5％とした。またTi含有量が0.1％未満で
あると、基材鋼中のＣおよびＮを固定するに十分
であつても、基材鋼中の固溶Ti量が減少し、前
述のAl₂O₃を主成分とする酸化物層をさらに安定
で緻密なものとするには不十分となるのでその下
限を0.1％とした。Ti／（Ｃ＋Ｎ）については先
述の理由より10以上とするが、この比が20未満で
も本発明の目的は十分に達成できる。 Crは、本発明の主要な目的のひとつである耐
高温酸化性、とりわけ被加工部の耐高温酸化性
の、改善に寄与する元素である。Crは鋼の耐高
温酸化性を改善する元素として一般によく知られ
ており、その例が10％以上のCrを含有する種々
のステンレス鋼である。本発明鋼においては、
Crはアルミニウムめつき被覆層の一部が損傷し
て基材鋼の一部が酸化雰囲気に直接暴露される場
合に、基材鋼の酸化を抑制することにより、耐高
温酸化性の改善に寄与する。このようなCrの効
果はCr含有量が多いほど大きい。しかしCr含有
量が６％を越えると耐高温酸化性の改善効果は次
第に飽和するのみであり、冷間加工性やアルミニ
ウムめつき性が劣化する上に、本発明鋼の経済性
を徒らに損なうばかりであるので、その上限を
6.0％とした。またCr含有量が0.5％未満であると
耐高温酸化性の改善効果はきわめて小さいので、
その下限を0.5％とした。 Nbは本発明の主要な目的のひとつである高温
強度の改善に寄与する元素である。Nbは、｛Ti，
Nb）炭窒化物として基材鋼中に均一かつ微細に
存在することにより、高温強度の改善に寄与す
る。Nbはさらに、基材鋼中に添加された場合、
熱延の捲取温度を550〜650℃の範囲とすることに
より、（Ti，Nb）炭窒化物が基材鋼中に均一か
つ微細に析出して析出分散強化効果を発揮すると
ともに、さらに850℃以下の高温で長時間使用さ
れても（Ti，Nb）炭窒化物の凝集・肥大化が遅
く、強度および延性の低下はきわめて小さいとい
う効果を発揮する。このようなNbの効果を得る
ためには、0.05％以上添加すれば十分に目的を達
せられるので、その下限を0.05％とした。また
Nbを0.30％越えて添加しても高温強度の向上効
果は次第に飽和するのみであり、本発明めつき鋼
板の経済性を徒らに損なうのみであるので、その
上限を0.30％とした。 Moは、本発明の主要な目的のひとつである高
温強度の改善に寄与する元素である。Moフエラ
イトを固溶強化する元素ではあるが、本発明にお
いては固溶強化効果を積極的に利用するものでは
ない。Moは、本発明のめつき鋼板の基質相であ
るフエライトの２次再結晶を抑制する効果によ
り、高温強度の改善に寄与する。したがつてMo
の添加により高温強度は増加し、さらに室温での
強度の増加は小さいという利点を発揮する。この
ようなMoの効果は、Mo含有量が1.0％を越えて
もその効果は増大せず、本発明のめつき鋼板の経
済性を徒らに損なうばかりであるので、その上限
を1.0％とした。またMo含有量が0.05％未満であ
ると、高温強度改善効果はきわめて小さいので、
その下限を0.05％とした。 Alは、基材鋼製造時の溶鋼の脱酸目的で使用
され、TiあるいはTiおよびNbを歩留りよく添加
する予備脱酸元素として重要であり、この観点か
らその下限を0.01％とした。またAlを0.1％を越
えて添加しても脱酸効果はとくに向上しないの
で、その上限を0.10％とした。Ｎは、本発明基材の如きTi添加鋼においては
ほとんどその全量が溶製および凝固時にTiN析
出物を形成し、以後いかなる工程においても分解
−凝集することはない。当該TiN析出物は基材
鋼の表面品質に対して有害であり、また本発明鋼
の高温強度および耐高温酸化性に対しては何らの
改善効果を示さない。したがつて、Tiの有効的
利用を図るためには、Ｎ含有量を極力低く抑える
ことが好ましいものの、現在の製鋼方法ではＮを
完全に除去することは不可能であるので、Ｎ含有
量0.010％以下とした。ＰとＳは多量に含有すると加工性を害するので
できるだけ少ないことが好ましいが、通常不可避
的に含有されるＰ：0.04％以下、Ｓ：0.04％以下
であれば本発明上何ら問題はない。以下さらに、本発明のアルミニウムめつき鋼板
の耐酸化性効果の挙動を図面を参照しながら説明
する。第１図は、型の溶融アルミニウムめつき被覆
を有する極低炭素鋼（Ｃ：0.01％）の垂直断面図
である。基材鋼１の表面にめつき被覆層が形成さ
れており、このめつき被覆層はAl−Si合金層３
とFe−Al−Si合金層２から成つている。Al−Si
合金層３はアルミニウムめつき浴にほとんど同じ
組成を有する。Fe−Al−Si合金層２は基材鋼１
とAl−Si合金層３の間に形成され、きわめて硬
質で脆弱な性質を有する。第２図は、第１図に示した型溶融アルミニウ
ムめつき鋼板に塑性加工を施したのちの、当該鋼
板の垂直断面図である。塑性加工によりFe−Al
−Si合金層２は破壊分断されて多数の亀裂４が形
成され、塑性加工が厳しい場合には当該亀裂４の
一部がAl−Si合金層３にまで及び、基材鋼１の
表面が外部雰囲気に直接に暴露される部分５が形
成される。第３図は、特公昭51−35532号による型の溶
融アルミニウムめつき鋼板についての酸化挙動を
示したものであるが、塑性加工を受けことにより
めつき被覆層が損傷を受けて基材鋼の一部が雰囲
気に直接に暴露されるようになつた状態（第２図
の状態）のあと、さらに大気中で800℃に20時間
保持後に室温まで冷却することを10回繰り返した
後の当後鋼板の垂直断面図を示したものである。
この加熱によつて、最表層にはAl₂O₃を主成分と
する酸化物層６が形成され、その直下に高濃度の
Alを含有するα−Fe層７が形成され、さらにそ
の下に基材鋼１が存在する。そして、この加熱に
よつて、塑性加工により生じためつき被覆層の開
孔部５（第２図）からは基材鋼１の酸化が起、
Feスケール８が基材鋼の内部深くまで形成され
その一部はAl₂O₃を主体とする酸化物層６の外に
まで突出している。第４図は、本発明のアルミニウムめつき鋼板に
ついての挙動を示すものであり、第２図に示すよ
うに塑性加工を受けることによりめつき被覆層が
損傷を受けて基材鋼１の一部が雰囲気に直接に暴
露される状態となつた型の溶融アルミニウムめ
つき被覆を有する本発明のめつき鋼板について、
これをさらに大気中で800℃に20時間保持後に室
温まで冷却することを10回繰り返した後の垂直断
面図である。塑性加工により生じためつき被覆層
の開孔部５（第２図）からは、基材鋼の酸化が起
きてFeスケール８が生成されるが、その量はき
わめて少ない。またFeスケール８と基材鋼１の
間には、SiおよびCr濃度の高いFeスケール層９
が形成され、このFeスケール層９に隣接する基
材鋼１にはSiおよびCrの内部酸化層１０が形成
される。このように、被加工部の耐高温酸化性が本発明
では優れることになるが、その理由については次
のように考えられる。特公昭51−35532号にもとづく溶融アルミニウ
ムめつき鋼板は、基材鋼中のTiの作用によりめ
つき被覆中のAlが基材鋼中へ拡散して、基材表
面にAl濃度の高いα−Fe層を形成することによ
り、優れた耐高温酸化性を発揮する。しかし、当
該溶融アルミニウムめつき鋼板が塑性加工を受け
ると第２図に示されるようにめつき被覆層の一部
に開孔部５が形成され、第３図に示すごとくそこ
から基材鋼の酸化が開始されて、当該溶融アルミ
ニウムめつき鋼板の耐高温酸化性は著しく劣化す
るこの場合に基材鋼中にCrが0.5〜6.0％、Siが0.1
〜2.2％の範囲で含有されると、第４図に示すご
とく、基材鋼１の酸化が開始されてFeスケール
が生成されるものの、基材鋼とFeスケールの間
にSiおよびCr濃度の高いFeスケール層９とさら
にその直下の基材鋼１中にSiおよびCrの内部酸
化層１０が形成される。SiおよびCrはFeよりも
酸素親和力の強い元素であり、SiおよびCr濃度
の高いFeスケール層やSiおよびCrの内部酸化層
が形成されるとその周囲の酸素ポテンシヤルが
Feスケールの形成に必要な酸素ポテンシヤルよ
り著しく低くなるため、Feスケールの成長が抑
制されるのであろう。次に実施例によつて本発明を説明する。実施例１第１表に示す組成の鋼を10Kg真空溶解炉にて溶
製し、次いで鋳造、鍛造、熱延、酸洗、冷延工程
を経て、1.0mm厚の冷延板とし、その後に焼鈍し
てから素材表面の酸化スケールの除去を行つた
後、脱脂し、通常のめつき工程に従つて素材を溶
融Al浴（Al−９％Si）に浸漬して付着量80g／m²
のアルミニウムめつきを施した。このようにして
得た試料について室温での引張特性と600℃での
引張強さを測定し、さらに大気中800℃に20時間
保持後室温まで冷却することを10回繰り返した後
のめつき表面での酸化増量で耐高温酸化性を評価
した。さらにまたこれらの試料を外径38.1mmの電
縫管としたものと、当該電縫管をさらに外径45.7
mmまで拡管加工して約20％の拡管率を与えたもの
について、大気中800℃に20時間保持後室温まで
冷却することを10回繰り返した後のめつき表面で
の酸化増層を求め、軽加工および重加工を施した
のちの耐高温酸化性を評化した。ここでいう軽加
工とは、1.0mm厚のアルミニウムめつき鋼板を外
径38.1mmの電縫管とするこをいい、また重加工と
は当該電縫管をさらに外径45.7mmまで拡管加工し
て約20％の拡管率を与えるとをいう。以上の試験
結果を第２表に総括して示した。

【表】

【表】第２表の結果から次のことがわかる。試料Ａ，Ｂ，Ｃは比較例であり、SiおよびCr
が本発明の範囲外であり、Ti含有量およびTi／
（Ｃ＋Ｎ）比がそれぞれ異なり、Nb，Moを含ま
ないものである。また試料Ｃは、特公昭51−
35532号の基材の組成範囲内のものである。試料
Ａ，Ｂ，Ｃの600℃の高温強度は一様に低い。ま
た試料Ａ，Ｂ，Ｃの酸化増量を比べると、Ti含
有量およびTi／（Ｃ＋Ｎ）比が本発明の範囲内
にある試料Ｃがもつとも低く、Tiの効果がみら
れる。また試料の加工状態に着目して比較する
と、試料Ｃにおいても重加工を受けると、耐高温
酸化性は著しく劣化することが明らかである。試料Ｄは、Ｃ，Si，MnおよびTiは本発明の組
成範囲内にあるものの、Crを含まず、Nb，Mo
も含まないものである。この試料Ｄでは600℃で
の高温強度は十分に高く、未加工および軽加工の
場合の耐高温酸化性に優れている。しかし、重加
工を受けると耐高温酸化性は著しく劣化してい
る。試料ＥはCrを含むもののSiが本発明の下限以
下でNb，Moを含まないものである。Crの効果
により重加工を受けても耐高温酸化性の低下は小
さいが、600℃での高温強度が低い。これに対して、本発明の範囲内にある試料１と
２は、600℃での高温強度に優れ、同時に重加工
を受けた場合の耐高温酸化性も優れている。この
特性は特に熱延巻取温度を低くしたときに現れる
ことが試料Ｆとの比較からわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、型の溶融アルミニウムめつき被覆
を有する極低炭素鋼（Ｃ：0.01％）の垂直断面図
である。第２図は、第１図に示した型溶融アル
ミニウムめつき鋼板にさらに厳しい塑性加工を施
した場合の垂直断面図である。第３図は、第２図
に示したように厳しい塑性加工を受けた後に、さ
らに大気中高温加熱後の状態を示す特公昭51−
35532号のアルミニウムめつき鋼板の垂直断面図
である。第４図は、第２図に示したように厳しい
塑性加工を受けた後に、さらに大気中高温加熱後
の状態を示す本発明のアルミニウムめつき鋼板の
垂直断面図である。１……基材鋼、２……Fe−Al−Si合金層、３
……Al−Si合金層、４……塑性加工により生じ
たFe−Al−Si合金層２の亀裂、５……塑性加工
により生じたAl−Si合金被覆層３の開孔部、６
……Al₂O₃を主成分とする酸化物層、７……高濃
度のAlを含有するα−Fe層、８……Feスケール、
９……SiおよびCr濃度の高いFeスケール層、１
０……SiおよびCrの内部酸化層。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.001〜0.020％，Si：0.1〜2.2％，Mn：
0.1〜2.5％，Cr：0.5〜6.0％，Ti：0.1〜0.5％でか
つTi／（Ｃ＋Ｎ）比が10以上、Al：0.01〜0.1％，
Nb：0.05〜0.30％，Ｎ：0.010％以下、残部がFe
および不可避的不純物からなる鋼の冷延鋼板を基
材とし、これにアルミニウムめつきを施した高温
強度と耐熱性に優れたアルミニウムめつき鋼板。２Ｃ：0.001〜0.020％，Si：0.1〜2.2％，Mn：
0.1〜2.5％，Cr：0.5〜6.0％，Ti：0.1〜0.5％でか
つTi／（Ｃ＋Ｎ）比が10以上、Al：0.01〜0.1％，
Nb：0.05〜0.30％，Mo：0.05〜1.0％、Ｎ：0.010
以下、残部がFeおよび不可避的不純物からなる
鋼の冷延鋼板を基材とし、これにアルミニウムめ
つきを施した高温強度と耐熱性に優れたアルミニ
ウムめつき鋼板。