JP6246621B2 - 引張強度が1180MPa以上の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板 - Google Patents
引張強度が1180MPa以上の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板 Download PDFInfo
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Description
鋼板の表層部は曲げ変形時に変形が集中し破壊が生じやすい部位であり、この部位の成形性を高めることで曲げ性を大幅に向上させることができる。本発明者らは、Znを鋼鈑に固溶させることで加工硬化能を高め、鋼鈑の成形性を高めることができることを見出した。この加工硬化能の上昇は、0.2質量%以上のZnが固溶することで発現する。この0.2質量%以上のZnが固溶して加工硬化能が上昇した領域が、5μm未満の厚さでは鋼板の曲げ性を向上させるのに十分ではない。尚、前記鋼板表層部に質量4.5%以上のZnが固溶した場合、Feとの化合物が生成し曲げ性が劣化するため、Znの固溶量は、好ましくは4.5質量%以下とする。また、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に5μm以上の鋼板表層部としており、この要件では鋼板表層部の具体的厚みは規定しないが、実際めっき層から0.2質量%以上のZnが固溶するのは、母地深さ方向に200μm程度が上限である。
未変態オーステナイトにZnが固溶するとベイナイト変態が促進されるため、溶融亜鉛めっき層からのZnが固溶した鋼板表層部のみに、鋼板中央部と比べると軟質な相を生成させることができる。この鋼板表層部に形成された軟質相は成形性に富むため、鋼材の曲げ性を向上させることができる。具体的には、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmでの鋼板表層部のビッカース硬さを、鋼板中央部のビッカース硬さの80%以下とすることで、前記したような効果を達成することができる。
鋼板が、引張強度(TS)が1180MPa以上という特性を備えるためには、その鋼板を構成する金属組織にマルテンサイトを含む必要がある。一方で、残部がベイナイト以外の軟質な相である場合、マルテンサイトとの硬度差が大きく曲げ試験時に相界面で破壊が生じるため、十分な曲げ性を得ることができない。また、引張強度が不足する場合がある。そのため、マルテンサイトおよびベイナイトを除く組織が、面積率で5%以下であることを要件とする。
鋼板表層部に、粗大なマルテンサイトが存在すると曲げ変形時に粗大なマルテンサイトの周辺で微小な亀裂が発生し、その結果、曲げ性を劣化させることがある。そのため、マルテンサイトの平均結晶粒径は小さくすることが好ましい。このマルテンサイトの平均結晶粒径は3μm以下とすることで曲げ性を高めることができる。
次に、本発明の鋼板における化学成分組成について説明する。本発明の鋼板は、先に説明した金属組織等に関する要件が適切であっても、化学成分(元素)の含有量が適正範囲内になければ、前記した作用効果を奏することができない。従って、本発明の鋼板では、夫々の化学成分の含有量が、以下に説明する範囲内にあることも併せて要件とする。尚、下記の化学成分の含有量(%)は全て質量%を示す。
Cは、鋼板の強度に大きく影響する重要な元素である。その含有量が0.05%未満では、引張強度:1180MPa以上を確保することができなくなる。また、Cの含有量が多いほど焼入れ性が向上し、めっき浴浸漬時の未変態オーステナイト分率が増加するため、鋼板表層部に多くのZnを固溶させることができる。その結果、鋼板の成形性が向上し、曲げ性を高めることができる。好ましいCの含有量は0.1%以上である。一方、Cの含有量が0.30%を超えると、溶接性が確保できなくなることから、Cの含有量は0.30%を上限とする。
Siは、鋼板製造過程で生成する炭化物粒子の粗大化を抑制する作用を有し、曲げ性の向上に寄与すると共に、固溶強化元素として鋼板の降伏強度の上昇にも寄与する有用な元素である。また、3.0%を超えると鋼板の溶接性が著しく低下するため、Siの含有量は0.05〜3.0%とする。好ましくは2.5%以下である。
Mnは、Siと同様に、焼戻し時におけるセメンタイトの粗大化を抑制する作用を有し、曲げ性の向上に寄与すると共に、固溶強化元素として鋼板の降伏強度の上昇にも寄与する有用な元素である。また、焼入れ性を高めることで、Cと同様に表面に軟質な層を形成させることができ、曲げ性を高めることができる。Mnの含有量が0.1%未満ではそれらの作用が十分に発揮されない。一方、Mnの含有量が5.0%を超えると鋳造性の劣化を引き起こす。従って、Mn含有量は0.1〜5.0%とする。好ましくは0.5〜3.5%、より好ましくは1.2〜2.2%である。
これらの元素は、焼入れ性を高め、めっき浴浸漬時の未変態オーステナイト分率を高めることで、鋼板表層部に多くのZnを固溶させ、鋼材の成形性を高めることができる。各元素とも、上記した各下限値未満の含有量ではそれらの作用を有効に発揮することができず、一方、各上限値を超えると、それらの作用が飽和してしまう。
これらの元素は、成形性を劣化させずに強度を改善するのに有用な元素である。各元素とも、0.01%未満の添加では上記のような作用を有効に発揮しえず、一方、添加量が多すぎると粗大な炭化物生成により成形性が劣化する。
これらの元素は、介在物を微細化し、破壊の起点を減少させることによって成形性を向上させるのに有用な元素である。各元素とも、0.0005%未満の添加では上記のような作用を有効に発揮しえず、一方、各元素とも0.01%を超える添加では逆に介在物が粗大化し、成形性が低下する。
上記した要件を満足する本発明の鋼板を製造するためには、以下の製造要件を満足するようにして、鋼板を製造することが好ましい。
めっき浴浸漬時における鋼板の未変態オーステナイト分率を高めることは、本発明の表層部にZnを固溶させた鋼板を製造するために重要な要件である。未変態オーステナイト分率を高めるためには、焼鈍時にオーステナイトを生成させる必要がある。また、めっき浴浸漬時の組織を未変態オーステナイトとするためには、オーステナイト粒径を粗大化させ、冷却時の変態を抑制することが有効である。更に、鋼板の強度を高めるためには最終組織をマルテンサイトおよびベイナイトとする必要があり、焼鈍によりオーステナイト単相とする必要がある。そのため焼鈍加熱温度はAc3点+50℃以上とする。
Ac3(℃)=910−203√[C]−15.2[Ni]+44.7[Si]+104[V]+31.5[Mo]−(30[Mn]+11[Cr]+20[Cu]−700[P]−400[Al]−400[Ti])・・・(1)
を用いて求めることができる。
ここで、上記式(1)中の[元素記号]は、各元素の含有量(質量%)を表す。
冷却の工程では、焼鈍時に生成したオーステナイトを、冷却中にフェライトやベイナイト、マルテンサイトに変態させることなく、未変態オーステナイトとすることが重要である。冷却停止温度を450℃以上とすれば、マルテンサイト変態を抑制することができる。また、冷却停止温度が550℃を超える場合、めっき処理後の表面性状が悪化する。一方、冷却速度が15℃/s未満の場合、冷却中にフェライト変態またはベイナイト変態が進行するために引張強度の低下を招くばかりでなく、未変態オーステナイトが著しく減少する。また、フェライトが生成した場合、曲げ変形時にマルテンサイト/フェライト界面で破壊が生じ、曲げ性が劣化する。好ましい冷却速度は30℃/s以上である。
冷却停止後、長時間保持すると、ベイナイト変態またはマルテンサイト変態が進行するために、めっき浴浸漬時の未変態オーステナイトが減少する。そのため、急冷終了から30s以内に溶融亜鉛めっき浴へ浸漬することが必要となる。好ましくは15s以内、より好ましくは10s以内である。
本発明の鋼板を製造するにあたり、合金化処理は必ずしも必要ではないが、上記した条件で合金化処理を行うことで、更に曲げ性を高めることができる。本発明では、鋼鈑表層部にZnを固溶させることで鋼板表層部のベイナイト変態を促進し、曲げ性を高めている。一般に合金化処理は、450℃以上600℃以下で60s以下の時間で行われるが、特に530℃以上570℃以下で10s以上の保持を行うことで、Znが固溶した鋼板表層部においてベイナイト変態を大きく進行させることができ、結果としてマルテンサイトの微細化を達成することができる。合金化処理温度が530℃未満では拡散速度が十分でなく、一方、570℃を超えると変態の駆動力が不足するため、前記温度範囲外ではZnが固溶した鋼板表層部においてもベイナイト変態は十分に進行せず、マルテンサイトが微細化しない。処理時間が、10s未満では鋼板表層部でのベイナイト変態がマルテンサイトの微細化に十分ではなく、60sを超えると鋼板内部でも過度にベイナイト変態が進行し引張強度が低下する。
平均冷却速度が10℃/s未満であると、軟質なベイナイトまたはフェライトが過度に生成し、引張強度1180MPa以上を満足できない。また、平均冷却速度が30℃/sを超えると、Znが固溶した鋼板表層部においても過度にマルテンサイトが生成し、鋼板表層部を十分に軟質化することができない。
まず、供試材となる各鋼板を鏡面研磨した。続いて、EPMA(電子線マイクロアナライザ)により、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に5μmの鋼板表層部におけるZnの固溶量、鋼板中央部(板厚中央部)におけるZnの固溶量を、夫々10点毎に測定し平均値を求めた。尚、参照データとしては純Znを用いた。めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に5μmの鋼板表層部におけるZnの固溶量の平均値から、母地中央部(板厚中央部)におけるZnの固溶量の平均値を差し引いた値が、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に5μm以上の鋼板表層部におけるZnの固溶量であると判断した。
まず、供試材となる各鋼板を鏡面研磨し、荷重25g(試験力:0.245N)のビッカース試験機により、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmでの鋼板表層部と、鋼板中央部(板厚1/2部)における夫々の部位において、5点測定を行って平均値を算出し、前記夫々の部位でのビッカース硬さを求めた。
各相の面積率については、供試材となる各鋼板を鏡面研磨し、その表面を3%ナイタール液で腐食して金属組織を顕出させた後、光学顕微鏡を用いて板厚1/2部の組織を観察し、白く観察される領域の内、ラス状部分をマルテンサイトまたはベイナイト、ポリゴナルな部分をフェライトとし、茶褐色にみえる領域をマルテンサイトとして定義した。尚、残留オーステナイトもマルテンサイトとの混成組織として存在する可能性があるが、本発明において生成すると考えられる残留オーステナイトは極少量であり、特性に影響しないと考えられることから、マルテンサイトと区別していない。これらの結果から、マルテンサイト+ベイナイトの面積率、その他の相の面積率を求めた。
めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmまでの鋼板表層部に存在するマルテンサイトの平均結晶粒径については、供試材となる各鋼板を鏡面研磨し、その表面をナイタール液で腐食して金属組織を顕出させた後、めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmまでの鋼板表層部を、概略40μm×15μm領域1視野について倍率2000倍の走査型電子顕微鏡(SEM)像を観察し、灰色に観察される部分をマルテンサイトと定義して、JIS G 0551に記載の方法で、マルテンサイトの結晶粒度を測定し、粒度番号から平均結晶粒径を算出した。
供試材となる各鋼板を用い、圧延方向と直角方向に長軸をとってJIS Z 2201に記載の5号試験片を作製し、JIS Z 2241に従って測定を行うことで引張強度(TS)を求めた。
供試材となる各鋼板を用い、圧延方向と直角方向に長軸をとって幅30mm×長さ35mmの試験片を作成し、JIS Z 2248に準拠したVブロック法で曲げ試験を行い、その時の曲げ半径を0〜5mmまで種々変化させ、材料が破断せずに曲げ加工ができる最小の曲げ半径を求め、これを限界曲げ半径(R)とした。本実施例では、得られた限界曲げ半径(R)と鋼板の板厚(t)からR/tを算出した。
Claims (5)
- 質量%で、C:0.05〜0.30%、Si:0.05〜3.0%、Mn:0.1〜5.0%を含有し、残部が鉄および不可避的不純物からなる成分組成を有し、
めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に5μm以上の鋼板表層部において0.2質量%以上4.5質量%以下のZnが固溶していると共に、
めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmでの鋼板表層部のビッカース硬さが、鋼板中央部のビッカース硬さの80%以下であり、
且つ、前記鋼板を構成する金属組織のうちマルテンサイトおよびベイナイトを除く組織が面積率で5%以下であることを特徴とする引張強度が1180MPa以上で、且つ、Vブロック法による曲げ試験における限界曲げ半径Rの板厚tに対する比R/tが1.5以下の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板。 - 更に、質量%で、Mo:0.05〜1.0%、Cr:0.05〜1.0%、Cu:0.05〜1.0%、Ni:0.05〜1.0%、B:0.0002〜0.0050%の1種または2種以上を含有する請求項1記載の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
- 更に、質量%で、Nb:0.01〜0.3%、Ti:0.01〜0.3%、V:0.01〜0.3%の1種または2種以上を含有する請求項1または2に記載の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
- 更に、質量%で、Ca:0.0005〜0.01%、Mg:0.0005〜0.01%、REM:0.0005〜0.01%の1種または2種以上を含有する請求項1乃至3のいずれかに記載の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
- めっき層と鋼板の界面から母地深さ方向に15μmまでの鋼板表層部に存在するマルテンサイトの平均結晶粒径が、3μm以下である請求項1または2記載の強度−曲げ性バランスに優れた溶融亜鉛めっき鋼板もしくは合金化溶融亜鉛めっき鋼板。
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