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JPWO2020203979A1 - 被覆鋼部材、被覆鋼板およびそれらの製造方法 - Google Patents

被覆鋼部材、被覆鋼板およびそれらの製造方法 Download PDF

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JPWO2020203979A1
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Abstract

この被覆鋼部材は、所定の化学組成からなる鋼板基材と、前記鋼板基材の表面に形成され、Al及びFeを含有する被覆と、を有し、前記被覆が、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である低Al含有領域と、前記低Al含有領域よりも表面側に形成され、Al含有量が30質量%以上である高Al含有領域と、を有し、前記高Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材のC含有量の25%以下であり、かつ、前記低Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材のC含有量の40%以下であり、前記鋼板基材と前記被覆との界面から前記鋼板基材側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、前記鋼板基材のC含有量に対して80%以下である。

Description

本発明は、被覆鋼部材、被覆鋼板およびそれらの製造方法に関する。
本願は、2019年03月29日に、日本に出願された特願2019−068658号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
自動車用鋼板の分野においては、昨今の環境規制および衝突安全基準の厳格化を背景に、燃費と衝突安全性との両方を向上させるため、高い引張強度を有する鋼板(高強度鋼板)の適用が拡大している。しかしながら、高強度化に伴い鋼板のプレス成形性が低下するので、複雑な形状の製品を製造することが困難になってきている。
具体的には、高強度化に伴って鋼板の延性が低下し、複雑な形状に加工した場合に高加工部位で破断するという問題が生じている。また、鋼板の高強度化に伴って、加工後の残留応力によってスプリングバックおよび壁反りが発生し、寸法精度が劣化するという問題も生じている。したがって、高強度、特に780MPa以上の引張強度を有する鋼板を、複雑な形状を有する製品にプレス成形することは容易ではない。プレス成形ではなくロール成形によれば、高強度の鋼板を加工しやすいが、その適用先は長手方向に一様な断面を有する部品に限定される。
そこで近年、例えば、特許文献1〜3に開示されるように、高強度鋼板のような成形が困難な材料をプレス成形する技術として、ホットスタンプ技術が採用されている。ホットスタンプ技術とは、成形に供する材料を加熱してから成形する熱間成形技術である。
この技術では、材料を加熱してから成形する。そのため、成形時には、鋼材が軟質であり、良好な成形性を有する。これにより、高強度な鋼板であっても、複雑な形状に精度よく成形することができる。また、ホットスタンプ技術では、プレス金型によって成形と同時に焼入れを行うので、成形後の鋼部材は十分な強度を有する。
例えば、特許文献1によれば、ホットスタンプ技術により、成形後の鋼部材に1400MPa以上の引張強度を付与することが可能となることが開示されている。
一方、現在、世界各国ではより高い燃費目標が設定されている。これに伴い、車体軽量化が検討され、車体に用いられる鋼部材に対してはさらなる高強度が求められている。例えば、現在ホットスタンプ部材として一般的に使用されている部材の強度である1.5GPaを超える、より高強度な鋼部材が必要とされている。
また、上述したように、自動車には、衝突安全性も要求される。自動車の衝突安全性は、車体全体や一部部材の衝突試験における圧壊強度と吸収エネルギーとによって評価される。特に圧壊強度は材料強度に大きく依存するので、自動車部材として、超高強度な鋼部材の需要が飛躍的に高まっている。
しかしながら、一般に鋼部材は、高強度化に伴って破壊靱性および変形能が低下する。そのため、衝突圧壊時に早期に破断するか、または変形が集中するような部位において破断し、材料強度に見合った圧壊強度が発揮されず、十分な吸収エネルギーが得られない場合がある。したがって、自動車の衝突安全性を向上させるためには、用いられる鋼部材に対して、材料強度だけでなく、破壊靱性および変形能の向上、つまり靱性や曲げ性の向上が求められる。
鋼部材が従来のホットスタンプ部材よりも高強度になると、具体的には引張強度が1.5GPaを超えると、曲げ性や靭性はさらに劣化する。したがって、引張強度が1.5GPaを超える高強度鋼部材を車体に適用するためには、従来以上の靭性や曲げ性を具備し、衝突事故が発生した場合でも十分な吸収エネルギーを示す鋼部材を提供する技術が必要である。
引張強度が1.5GPaを超える高強度鋼材に関しては、例えば特許文献2には、靱性に優れ、かつ引張強度が1.8GPa以上の熱間プレス成形されたプレス成形品が開示されている。特許文献3には、2.0GPa以上という極めて高い引張強度を有し、さらに、良好な靱性と延性とを有する鋼材が開示されている。特許文献4には、1.8GPa以上という高い引張強度を有し、さらに、良好な靱性を有する鋼材が開示されている。特許文献5には、2.0GPa以上という極めて高い引張強度を有し、さらに、良好な靱性を有する鋼材が開示されている。
しかしながら特許文献2〜5には、曲げ性に関する記述はなく、引張強度が1.5GPaを超える高強度鋼材の自動車部材としての使用において、より高い要求に対しては十分応えられない場合がある。
曲げ性に関しては、例えば特許文献6〜10に、曲げ性に優れたホットスタンプ成形体が開示されている。しかしながら特許文献6〜10には靱性に関する記述はなく、引張強度が1.5GPaを超える高強度鋼材の自動車部材としての使用において、より高い要求に対しては十分応えられない場合がある。
日本国特開2002−102980号公報 日本国特開2012−180594号公報 日本国特開2012−1802号公報 国際公開第2015/182596号 国際公開第2015/182591号 国際公開第2015/033177号 国際公開第2018/151333号 国際公開第2018/151330号 国際公開第2018/151332号 国際公開第2018/151325号
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、高い引張強度を有し、かつ靭性と曲げ性とに優れた被覆鋼部材、この鋼部材の素材として好適な被覆鋼板、およびそれらの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、下記の被覆鋼部材、被覆鋼板およびそれらの製造方法を要旨とする。以下、被覆鋼板の素材となる、被覆が表面に施されていない鋼板を、単に「鋼板」という。
(1)本発明の一態様に係る被覆鋼部材は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼板基材と、前記鋼板基材の表面に形成され、Al及びFeを含有する被覆と、を有し、前記被覆が、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である低Al含有領域と、前記低Al含有領域よりも表面側に形成され、Al含有量が30質量%以上である高Al含有領域と、を有し、前記高Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材のC含有量の25%以下であり、かつ、前記低Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材の前記C含有量の40%以下であり、前記鋼板基材と前記被覆との界面から前記鋼板基材側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、前記鋼板基材の前記C含有量に対して80%以下である。
(2)上記(1)に記載の被覆鋼部材では、前記鋼板基材が、前記化学組成として、Cr:0.05〜1.00%を含み、前記高Al含有領域における最大Cr含有量が、前記鋼板基材のCr含有量の80%以上であってもよい。
(3)本発明の別の態様に係る被覆鋼板は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼板と、前記鋼板の表面に形成され、Alを含有する被覆と、を有し、前記被覆が、前記鋼板側に存在してAlを3質量%以上70質量%未満含む下層と、Alを70質量%以上95質量%以下含む上層と、を備え、前記下層が、質量%で、前記鋼板に含まれるCr含有量の1.2倍以上のCrを含む、または、前記上層がSi及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含み、前記鋼板と前記被覆との界面から前記鋼板側の深さ20μmまでの範囲における最大C含有量が、前記鋼板の板厚全体における平均C含有量の80%以下である。
(4)上記(3)に記載の被覆鋼板は、前記鋼板が、前記化学組成として、Cr:0.05〜1.00%を含み、前記被覆において、前記下層が、質量%で、前記鋼板に含まれる前記Cr含有量の1.2倍以上のCrを含み、かつ、前記上層がSi及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含んでもよい。
(5)本発明の別の態様に係る被覆鋼板の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記熱延鋼板、前記冷延鋼板または前記焼鈍鋼板にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
を備える。
(6)本発明の別の態様に係る被覆鋼板の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板に対し、焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記焼鈍鋼板をSi及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、を備える。
(7)本発明の別の態様に係る被覆鋼板の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、を備える。
(8)本発明の別の態様に係る被覆鋼部材の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記熱延鋼板、前記冷延鋼板または前記焼鈍鋼板にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、を備える。
(9)本発明の別の態様に係る被覆鋼部材の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板に対し、焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、を備える。
(10)本発明の別の態様に係る被覆鋼部材の製造方法は、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、を備える。
本発明の上記態様によれば、高い引張強度を有し、かつ靭性と曲げ性とに優れる被覆鋼部材、被覆鋼板およびそれらの製造方法を提供することができる。
本実施形態に係る被覆鋼部材の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る被覆鋼板の一例を示す模式図である。
本発明者らは、高い引張強度を有し、かつ靭性と曲げ性とに優れた被覆鋼部材を得るべく、これら特性に及ぼす化学成分および組織の影響について調査した。その結果、以下の知見を得た。
一般に製造されているホットスタンプ部材の素材となる鋼板の多くは、耐食性に優れたアルミめっき(Alめっき)あるいは亜鉛めっき(Znめっき)が表面に施された被覆鋼板である。これら被覆鋼板について、ホットスタンプを行うと、表面の合金の反応が進みAl−Fe系被覆あるいはZn−Fe系被覆を持つ被覆鋼部材が得られる。一般に使用されているホットスタンプ後に引張強度1.5GPa級を示す鋼板の多くは、化学組成が類似しており、0.20質量%程度のCを含有し、このCによってホットスタンプ後の強度を確保している。
(a)本発明者らはさらなる車体軽量化のため、C含有量を高めることでホットスタンプ後に1.5GPaを超える高強度部材を得るための詳細検討を行った。その結果、C含有量を0.25質量%以上とすることで、ホットスタンプ後に引張強度で1.5GPa以上の超高強度が得られることが分かった。一方、引張強度1.5GPa以上への超高強度化に伴い曲げ性と靭性とは劣化することが分かった。特に上述したようなAl系被覆を施した被覆鋼板を用いた場合に、被覆鋼部材の曲げ性が顕著に低下することが分かった。
(b)本発明者らは、AlめっきなどのAl系被覆を有する被覆鋼板の、曲げ性に及ぼす組織の影響を検討した。その結果、曲げ性は鋼部材の表層の影響を受けやすく、被覆鋼部材の表層に存在するAl−Fe系被覆は硬いので、Al−Fe系被覆によって曲げ性が劣化すると推察された。
(c)本発明者らは、1.5GPaを超える高強度なAl−Fe系被覆を有する被覆鋼部材において、曲げ性と表層組織との関係を調査し、曲げ性の改善に取り組んだ。その結果、Al−Fe系被覆中に不可避的に含まれるC含有量を低減することで、Al−Fe系被覆を軟質化し、曲げ性を飛躍的に向上させることが可能であることを見出した。また、上述したようなFe−Al系被覆に含まれるCは熱処理時に鋼板から拡散してくるものであり、予め鋼板の表層部だけC含有量を低減させた被覆鋼板を用いることで曲げ性と強度とに優れた被覆鋼部材を得ることが可能であることを見出した。
(d)本発明者らはさらに、衝突時の早期破断を防止するため、鋼部材の靭性の改善にも取り組んだ。靭性の改善には内部組織の細粒化が有効であり、Nb−Ti−(C,N)の析出物により旧γ粒を細粒化し、靭性を飛躍的に向上させることが可能である。しかしながら、本発明者らの検討の結果、被覆鋼板の内部にNb−Ti−(C,N)を析出させると、細粒化により増加した粒界を通じて鋼板のCの拡散が促進され、Fe−Al系被覆に含まれるC含有量を十分に低減できず、曲げ性が低下する場合があることが分かった。
そこで本発明者らは、曲げ性を低下させずに靭性を向上させる方法について検討を行った。その結果、鋼板中に、Nb−Ti−(C,N)の析出物を析出させて旧γ粒を細粒化すると同時に、Al系被覆の上層にCの活量を下げるSiやNiを含有させる、または、Al系被覆の下層にCの活量を上げるCrを濃化させることによって、熱処理において鋼板からFe−Al系被覆へのC拡散を抑制することができ、その結果、靭性と曲げ性とを同時に向上させることができることを見出した。
本発明の一実施形態に係る被覆鋼部材(本実施形態に係る被覆鋼部材)、被覆鋼板(本実施形態に係る被覆鋼板)およびそれらの製造方法は、上記の知見によって得られた。以下各要件について詳しく説明する。
(A)被覆鋼部材
本実施形態に係る被覆鋼部材1は、図1に示すように、所定の化学組成からなる鋼板基材11と、前記鋼板基材11の表面に形成され、Al及びFeを含有する被覆12とを有する。
また、前記被覆(Al−Fe系被覆)12が、Al含有量が30質量%以上である高Al含有領域122と、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である低Al含有領域121とを有し、高Al含有領域122の最大C含有量が、鋼板基材11のC含有量の25%以下であり、かつ、低Al含有領域121の最大C含有量が、鋼板基材11のC含有量の40%以下であり、鋼板基材11と被覆12との界面から鋼板基材11側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、鋼板基材11の表層部を除く平均C含有量に対して80%以下である。
本実施形態に係る被覆鋼部材1では、図1に示すように、被覆12の鋼板基材11側が低Al含有領域121であり、表面側が高Al含有領域122である。
(A1)鋼板基材の化学組成
本実施形態に係る被覆鋼部材1の鋼板基材11は所定の化学組成からなる。具体的には、質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる。
各元素の限定理由は下記のとおりである。ここで鋼板基材の化学組成とは、被覆鋼部材のうち、表面のAl−Fe系被覆、および鋼板基材の表層組織を除いた部分の化学組成をいうものとする。以下、含有量に関する%は、断りがない限り質量%である。
C:0.25〜0.65%
Cは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の被覆鋼部材の強度を向上させる元素である。しかしながら、C含有量が0.25%未満では、焼入れ後の被覆鋼部材において十分な強度(1.5GPa超)を確保することが困難となる。したがって、C含有量は0.25%以上とする。C含有量は0.28%以上が好ましい。
一方、C含有量が0.65%を超えると、焼入れ後の被覆鋼部材の強度が高くなり過ぎて、靭性や曲げ性の劣化が著しくなる。したがって、C含有量は0.65%以下とする。C含有量は、0.60%以下が好ましい。
Si:0.10〜2.00%
Siは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために効果のある元素である。この効果を得るためには、Siを0.10%以上含有させる必要がある。Si含有量は0.35%以上が好ましい。
一方、鋼中のSi含有量が2.00%を超えると、熱処理に際して、オーステナイト変態のために必要となる加熱温度が著しく高くなる。これにより、熱処理に要するコストの上昇を招く場合がある。さらに、Si含有量が2.00%超であると、焼入れ部の靱性が劣化する。したがって、Si含有量は2.00%以下とする。Si含有量は1.60%以下が好ましい。
Mn:0.30〜3.00%
Mnは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。Mnはさらに、Ac点を下げ、焼入れ処理温度の低温化を促進する元素である。また、Mnは、Al−Fe系被覆中に拡散して耐食性を向上させる効果を有する元素である。Mn含有量が0.30%未満ではこれらの効果が十分ではないので、Mn含有量を0.30%以上とする。Mn含有量は0.40%以上であるのが好ましい。
一方、Mn含有量が3.00%を超えると上記の効果が飽和する上、焼入れ部の靭性や曲げ性が劣化する。そのため、Mn含有量は3.00%以下とする。Mn含有量は2.80%以下であるのが好ましく、2.50%以下であるのがより好ましい。
P:0.050%以下
Pは、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性を劣化させる元素である。特に、P含有量が0.050%を超えると、靭性の劣化が著しくなる。したがって、P含有量は0.050%以下に制限する。P含有量は、0.005%以下に制限することが好ましい。Pは少ない方が好ましいので、0%でもよいが、コストの観点から0.001%以上としてもよい。
S:0.0100%以下
Sは、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性や曲げ性を劣化させる元素である。特に、S含有量が0.0100%を超えると、靭性や曲げ性の劣化が著しくなる。したがって、S含有量は0.0100%以下に制限する。S含有量は、0.0050%以下に制限することが好ましい。S含有量は少ない方が好ましいので、0%でもよいが、コストの観点から0.0001%以上としてもよい。
N:0.010%以下
Nは、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性を劣化させる元素である。特に、N含有量が0.010%を超えると、鋼中に粗大な窒化物が形成され、靭性が著しく劣化する。したがって、N含有量は0.010%以下とする。N含有量の下限は特に限定する必要はなく0%でもよいが、N含有量を0.0002%未満とすることは製鋼コストの増大を招き、経済的に好ましくない。そのため、N含有量は0.0002%以上としてもよく、0.0008%以上としてもよい。
Ti:0.010〜0.100%
Tiは、鋼板をAc点以上の温度に加熱して熱処理を施す際に再結晶を抑制するとともに、微細な炭化物を形成して粒成長を抑制することで、オーステナイト粒を細粒にする作用を有する元素である。このため、Tiを含有させることによって、被覆鋼部材の靭性が大きく向上する効果が得られる。また、Tiは、鋼中のNと優先的に結合することによってBNの析出によるBの消費を抑制し、後述するBによる焼入れ性向上の効果を促進する元素である。Ti含有量が0.010%未満では、上記の効果を十分に得られない。したがって、Ti含有量は0.010%以上とする。Ti含有量は0.015%以上が好ましい。
一方、Ti含有量が0.100%を超えると、TiCの析出量が増加してCが消費されるため、焼入れ後の被覆鋼部材の強度が低下する。したがって、Ti含有量は0.100%以下とする。Ti含有量は0.080%以下が好ましい。
B:0.0005〜0.0100%
Bは、微量でも鋼の焼入れ性を劇的に高める作用を有するので、重要な元素である。また、Bは粒界に偏析することで、粒界を強化して靱性を高める元素であり、鋼板の加熱時にオーステナイトの粒成長を抑制する元素である。B含有量が0.0005%未満では、上記の効果を十分に得られない場合がある。したがって、B含有量は0.0005%以上とする。B含有量は0.0010%以上が好ましい。
一方、B含有量が0.0100%を超えると、粗大な化合物が多く析出し、被覆鋼部材の靭性が劣化する。したがってB含有量は0.0100%以下とする。B含有量は0.0080%以下が好ましい。
Nb:0.02〜0.10%
Nbは、微細な炭化物を形成し、その細粒化効果により鋼の靱性を高める作用を有するので、重要な元素である。Nb含有量が0.02%未満では、上記の効果を十分に得られない場合がある。したがって、Nb含有量は0.02%以上とする。Nb含有量は0.03%以上が好ましい。
一方、Nb含有量が0.10%を超えると、炭化物が粗大化し、被覆鋼部材の靭性が劣化する。したがってNb含有量は0.10%以下とする。Nb含有量は0.08%以下が好ましい。
本実施形態に係る被覆鋼部材には、強度、靱性、曲げ性、耐食性、脱酸性の向上のため、上記の元素に加えてさらに、下記に示すCr、Ni、Cu、Mo、V、Ca、Al、Nb、Sn、W、SbおよびREMから選択される1種以上の元素を含有させてもよい。これらの元素は任意元素であり、必ずしも含有する必要がないので、下限は0%である。
Cr:0〜1.00%
Crは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の被覆鋼部材の強度を安定して確保するために有効な元素である。そのため、含有させてもよい。また、Crは、Al−Fe系被覆中に拡散して耐食性を向上させる効果を有する元素である。上記の効果を得るためには、Cr含有量は0.01%以上であるのが好ましく、0.05%以上であるのがより好ましく、0.08%以上であることがさらに好ましい。
しかしながら、Cr含有量が1.00%を超えると上記の効果は飽和する上、コストが増加する。またCrは鉄炭化物を安定化させる作用を有するので、Cr含有量が1.00%を超えると鋼板の加熱時に粗大な鉄炭化物が溶け残り、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性が劣化する場合がある。したがって、含有させる場合のCr含有量は1.00%以下とする。Cr含有量は0.80%以下であるのが好ましい。
Ni:0〜1.00%
Niは、鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の被覆鋼部材の強度を安定して確保するために有効な元素である。そのため、含有させてもよい。また、Niは、Al−Fe系被覆中に拡散して耐食性を向上させる効果を有する元素である。上記の効果を得るためには、Niを0.01%以上含有させることが好ましく、0.10%以上含有させることがより好ましい。
しかしながら、Ni含有量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のNi含有量は1.00%以下とする。
Cu:0〜1.00%
Cuは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の被覆鋼部材の強度を安定して確保するために有効な元素である。そのため、含有させてもよい。また、Cuは、鋼部材の耐食性を向上させる効果を有する元素である。上記の効果を得るためには、Cu含有量は0.01%以上が好ましく、0.05%以上がより好ましい。
しかしながら、Cr含有量が1.00%を超えると上記の効果は飽和する上、コストが増加する。したがって、含有させる場合のCu含有量は1.00%以下とする。Cu含有量は0.80%以下が好ましい。
Mo:0〜1.00%
Moは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の被覆鋼部材の強度を安定して確保するために有効な元素である。そのため、含有させてもよい。また、Moは、Al−Fe系被覆中に拡散して耐食性を向上させる効果を有する元素である。上記の効果を得るためには、Mo含有量は0.01%以上が好ましく、0.05%以上がより好ましい。
しかしながら、Mo含有量が1.00%を超えると上記の効果は飽和する上、コストが増加する。またMoは、鉄炭化物を安定化させる作用を有するので、Mo含有量が1.00%を超えると鋼板の加熱時に粗大な鉄炭化物が溶け残り、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性が劣化する場合がある。したがって、含有させる場合のMo含有量は1.00%以下とする。Mo含有量は0.80%以下が好ましい。
V:0〜1.00%
Vは、微細な炭化物を形成し、その細粒化効果により靱性を高める元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Vを0.01%以上含有させることが好ましく、0.10%以上含有させることがより好ましい。
しかしながら、V含有量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のV含有量は1.00%以下とする。
Ca:0〜0.010%
Caは、鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得る場合、Ca含有量を0.001%以上とすることが好ましく、0.002%以上とすることがより好ましい。
しかしながら、Ca含有量が0.010%を超えるとその効果は飽和する上、コストが増加する。したがって、Caを含有する場合にはその含有量は0.010%以下とする。Ca含有量は0.005%以下であることが好ましく、0.004%以下であるのがより好ましい。
Al:0〜1.00%
Alは、鋼の脱酸剤として一般的に用いられる元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Alを0.01%以上含有させることが好ましい。
しかしながら、Al含有量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のAl含有量は1.00%以下とする。
Sn:0〜1.00%
Snは腐食環境において耐食性を向上させる元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Snを0.01%以上含有させることが好ましい。
しかしながら、Sn含有量が1.00%を超えると粒界強度が低下し、焼入れ後の被覆鋼部材の靭性が劣化する。したがって、含有させる場合のSn含有量は1.00%以下とする。
W:0〜1.00%
Wは鋼の焼入れ性を高め、かつ焼入れ後の被覆鋼部材の強度を安定して確保することを可能にする元素である。そのため、含有させてもよい。また、Wは、腐食環境において耐食性を向上させる元素である。上記の効果を得るためには、Wを0.01%以上含有させることが好ましい。
しかしながら、W含有量が1.00%を超えると、上記の効果が飽和して経済性が低下する。したがって、含有させる場合のW含有量は1.00%以下とする。
Sb:0〜1.00%
Sbは腐食環境において耐食性を向上させる元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得るためには、Sb含有量を0.01%以上とすることが好ましい。
しかしながら、Sb含有量が1.00%を超えると粒界強度が低下し、焼入れ後の被覆鋼部材の靭性が劣化する。したがって、含有させる場合のSb含有量は1.00%以下とする。
REM:0〜0.30%
REMは、Caと同様に鋼中の介在物を微細化し、焼入れ後の被覆鋼部材の靱性を向上させる効果を有する元素である。そのため、含有させてもよい。上記の効果を得たい場合は、REM含有量を0.01%以上とすることが好ましく、0.02%以上とすることがより好ましい。
しかしながら、REM含有量が0.30%を超えるとその効果は飽和する上、コストが増加する。したがって、含有させる場合のREM含有量は0.30%以下とする。REM含有量は0.20%以下が好ましい。
ここで、REMは、Sc、Y及びLa、Nd等ランタノイドの合計17元素を指し、REMの含有量はこれらの元素の合計含有量を意味する。REMは、例えばFe−Si−REM合金を使用して溶鋼に添加され、この合金には、例えば、La、Nd、Ce、Prが含まれる。
本実施形態の被覆鋼部材の化学組成において、上述してきた元素以外、すなわち残部はFeおよび不純物である。
ここで「不純物」とは、鋼板を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本実施形態に係る被覆鋼部材の特性に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
鋼板基材の化学組成は、以下の方法で求めることができる。
鋼板基材から分析試料を切り出し、ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析法などの元素分析を行うことによって得られる。分析試料は、JIS G 0417に記載されているように、鋼板基材の板厚全体の平均的な化学組成が得られるように採取する。具体的には、被覆鋼部材の幅方向端部を避け、鋼板基材の表面から板厚方向に板厚の1/4の位置から、分析試料を採取する。
鋼板基材の表層部を除く平均C含有量、平均Cr含有量は上記ICP発光分光分析法から得られた値とする。
(A2)被覆
本実施形態に係る被覆鋼部材1は、上述した鋼板基材11の表面に、Al及びFeを含有する被覆(以下Al−Fe系被覆)12を有する。本実施形態において、Al−Fe系被覆12はAlおよびFeを主体とした被覆であり、AlとFeとを合計で70%以上含むことが好ましい。また、Al−Fe系被覆12は皮膜、合金化めっき層、金属間化合物層ともいう。Al−Fe系被覆12は、更にSi、Mg、Ca、Ni、Cu、Mn、Cr、Mo、Sn、Sr、C等を含有し、残部が不純物であってもよい。
本実施形態に係る被覆鋼部材1が備える被覆(Al−Fe系被覆12)は、Al含有量が30質量%以上である高Al含有領域122と、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である低Al含有領域121とを有する。また、高Al含有領域122の最大C含有量が、鋼板基材11のC含有量の25%以下であり、低Al含有領域121の最大C含有量が、鋼板基材11のC含有量の40%以下である。
被覆の種類は限定されない。例えば溶融めっき、電気めっき、溶射等によって形成された被覆である。
Al−Fe系被覆の厚みは、5〜50μmであることが好ましい。
Al−Fe系被覆12を上記のように制御することで、被覆鋼部材1の曲げ性が向上する。高Al含有領域122の最大C含有量が鋼板基材11に含まれるC含有量(鋼板基材における平均C含有量)に対して25%を超える、及び/または低Al含有領域121の最大C含有量が鋼板基材11に含まれるC含有量に対して40%を超えると、曲げ性が十分でなく、衝突時にエネルギーを十分に吸収できない場合がある。高Al含有領域122に含まれるC含有量、または低Al含有領域121に含まれるC含有量の下限は特に規定しないが、鋼板基材11に含まれるC含有量に対して0.1%程度は含有し得る。
Al−Fe系被覆12における最大C含有量は以下のようにして求めることができる。
高Al含有領域122、低Al含有領域121の最大C含有量は、被覆に対し、被覆鋼部材1の表面から厚み方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求める。具体的には、被覆鋼部材1の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼部材1の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行い、Al含有量が30質量%以上である範囲における最大C含有量、及び、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である範囲における最大C含有量を求める。この測定を計5回行い、各測定において得られた最大C含有量の平均値を、高Al含有領域122の最大C含有量、低Al含有領域121における最大C含有量とする。
本実施形態では、Al−Fe系被覆12とは、被覆鋼部材の表面からGDSで測定を行った際、Feが95%未満となる領域とする。
高Al含有領域における最大Cr含有量が、鋼板基材のCr含有量(鋼板基材における平均Cr含有量)の80%以上であることが好ましい。この場合、被覆鋼部材の耐食性が向上するという効果が得られる。
高Al含有領域122における最大Cr含有量は、最大C含有量と同じ要領で、被覆に対し、被覆鋼部材の表面から厚み方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求める。
(A3)鋼板基材の表層組織
本実施形態に係る被覆鋼部材1は、鋼板基材11の表面(鋼板基材11と被覆12との界面)から深さ10μmまでの範囲(界面から鋼板基材側に10μmまでの範囲、いわゆる鋼板基材の表層組織)における最大C含有量が、鋼板基材11のC含有量(平均C含有量)に対して80%以下である。
鋼板基材11と被覆12との界面から鋼板基材11側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量は、被覆鋼部材1の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求める。具体的には、被覆鋼部材1の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼部材1の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行い、Feが95質量%未満となる領域をAl−Fe系被覆12、Fe含有量が95質量%以上である領域を鋼板基材11と判断する。鋼板基材11において、Al−Fe系被覆12と鋼板基材11との界面から、深さ10μmまでの範囲における最大C含有量を求める。この測定を5回行い、各測定において得られた最大C含有量の平均値を、鋼板基材の表面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量とする。
(A4)鋼板基材の内部組織
本実施形態に係る被覆鋼部材1の鋼板基材11の内部組織は高強度なマルテンサイトとベイナイトとが主体となる組織である。好ましくは、面積分率で、マルテンサイトとベイナイトとの合計が90%以上であり、より好ましくは、マルテンサイトとベイナイトとの合計が90%以上であり、かつ面積分率で70%以上がマルテンサイトである。より好ましくはマルテンサイトが80%以上である。鋼板基材11の内部組織とは、上述した鋼板基材11の表層組織(表面から10μm)を除いた領域の組織のことである。
鋼板基材11の内部組織は、マルテンサイトとベイナイト以外の残部として、残留オーステナイト、ベイナイト、フェライトやパーライトを含有することもある。マルテンサイトには、いわゆるフレッシュマルテンサイトだけでなく、焼戻しマルテンサイトや自動焼戻しマルテンサイトも含む。自動焼戻しマルテンサイトとは、焼戻しのための熱処理を行うことなく、焼入れ時の冷却中に生成した焼戻しマルテンサイトのことであり、マルテンサイト変態に伴う自己発熱によって、発生したマルテンサイトがその場で焼き戻されて生成するものである。
鋼板基材の内部組織は、以下の方法で判断することができる。
マルテンサイト(焼戻しマルテンサイト、自動焼戻しマルテンサイトを含む)及びベイナイトの合計の面積分率は、X線回折法で求める。具体的には、鋼部材の幅方向端部から板幅の1/4の位置から測定試料を切り出し、X線回折用の試料とする。この試料に対し、フッ化水素酸と過酸化水素水とを用いて、鋼板基材の表面から板厚1/4の深さまで化学研磨する。研磨後の試料に対し、測定条件として、Co管球を用い、2θで45°から105°の範囲として、X線回折を行う。鋼部材に含まれる体心立方格子(マルテンサイト及びベイナイト)と面心立方格子(残留オーステナイト)の回折X線強度を測定し、その回折曲線の面積比からマルテンサイトとベイナイトとの合計の体積分率及び、残留オーステナイトの体積分率を得る。本実施形態の鋼部材は、金属組織が等方性であるため、体積分率の値をそのまま面積分率に置き換えることができる。これによりマルテンサイトとベイナイトの合計の面積分率を得る。体心立方格子のフェライトやパーライトが混じる場合は、後述する光学顕微鏡または走査型顕微鏡により容易に判別できる。
マルテンサイトとベイナイトとを分けて、それぞれの面積分率を測定する場合には透過型電子顕微鏡(TEM)及びTEMに付属する電子線回折装置によって測定する。鋼部材の板幅1/4部かつ鋼板基材の板厚1/4部から測定試料を切り出し、TEM観察用の薄膜試料とする。薄膜試料は、圧延方向と直交する方向の断面から切り出したものとする。また、TEM観察の範囲は面積で400μmの範囲とする。薄膜試料の電子線の回折パターンにより、体心立方格子であるマルテンサイトやベイナイトと、面心立方格子の残留オーステナイトとを区別可能である。マルテンサイトおよびベイナイト中の鉄炭化物(FeC)を回折パターンにより見出し、その析出形態を観察することで、マルテンサイトとベイナイトとを分離し、組織分率をそれぞれ測定する。具体的には、析出形態が3方向析出ならマルテンサイトと判断し、1方向の限定析出ならベイナイトと判断する。マルテンサイトとベイナイトの判別のため炭化物を観察するが、本実施形態では、炭化物は組織の体積分率に含めないものとする。
残部組織としてフェライトまたはパーライトが存在している場合は、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡で容易に確認できる。具体的には、鋼部材の板幅1/4部かつ鋼板基材の板厚1/4部から測定試料を切り出し、観察用の試料とする。試料は、圧延方向と直交する方向の断面から切り出したものとする。また、顕微鏡による観察範囲は面積で40000μmの範囲とする。切り出した試料を機械研磨し、続いて鏡面仕上げする。次いで、ナイタール腐食液によりエッチングを行ってフェライト及びパーライトを現出させ、これを顕微鏡観察することで、フェライトまたはパーライトの存在を確認する。フェライトとセメンタイトとが交互に層状に並んだ組織をパーライトとし、セメンタイトが粒状に析出する組織をベイナイトと判別する。
(A5)被覆鋼部材の特性
本実施形態に係る被覆鋼部材1は、鋼板基材11及び被覆12が上述のように制御されることで、Al−Fe系被覆12が軟質化し、衝突時の曲げ性が向上する。また、本実施形態に係る被覆鋼部材1は、曲げ性に優れるだけでなく、引張強度が1.5GPaを超える高強度であり、また靱性にも優れる。
本実施形態において、曲げ性は、被覆鋼部材の衝突試験や曲げ試験によって評価される。例えば、上記被覆鋼部材から曲げ試験片を切出し、VDA規格238−100に準拠して曲げ試験を行い、最大荷重時の曲げ角度によって評価される。
本実施形態に係る被覆鋼部材1では、最大荷重時の曲げ角度が、引張強度:1.5GPa超〜2.1GPaであれば60度以上、引張強度:2.1GPa超であれば50度以上という優れた曲げ性が得られる。
また、本実施形態において、靱性は、被覆鋼部材の衝突試験やシャルピー衝撃試験によって評価される。例えば、上記鋼部材から、板厚×10mm×55mmのサイズのVノッチ入りシャルピー衝撃試験片を切り出し、JIS Z 2242:2018の規定に準拠してシャルピー衝撃試験を行い、−40℃における衝撃値によって靱性を評価する。
本実施形態に係る被覆鋼部材では、衝撃値が、引張強度:1.5GPa超〜2.1GPaであれば35J/cm以上、引張強度:2.1GPa超であれば20J/cm以上という優れた靭性が得られる。
被覆鋼部材の形状については特に限定しない。すなわち、平板であってもよく、成形体であってもよい。熱間成形された被覆鋼部材は、多くの場合は成形体であり、本実施形態では、成形体である場合、平板である場合をともに含めて「被覆鋼部材」という。
(B)被覆鋼板
次に、本実施形態に係る被覆鋼板2について説明する。本実施形態に係る被覆鋼板2は、上述した本実施形態に係る被覆鋼部材1の素材として好適である。
本実施形態に係る被覆鋼板2は、図2に示すように、所定の化学組成からなる鋼板21と、鋼板21の表面に形成され、Alを含有する被覆(Al系被覆)22とを有する。また、Al系被覆が、鋼板側に存在し、Alを3質量%以上70質量%未満含む下層221と、Alを70質量%以上95質量%以下含む上層222とを備える。また、このAl系被覆22は、以下の(i)または(ii)のいずれかを満たす。好ましくは(i)及び(ii)の両方を満たす。
(i)下層221が、質量%で、前記鋼板21に含まれるCr含有量の1.2倍以上のCrを含む。(ii)上層222がSi及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含む。
さらに、本実施形態に係る被覆鋼板2は、鋼板21において、鋼板21とAl系被覆22との界面から鋼板21側の深さ20μmまでの範囲(鋼板21の表層組織)における最大C含有量が、鋼板21の表層部を除く平均C含有量の80%以下である。
(B1)鋼板の化学組成
被覆鋼板2を構成する鋼板21の化学組成は、上述した被覆鋼部材1における鋼板基材11の化学組成と同一であり、その限定理由も同様である。ここで鋼板21の化学組成とは、被覆鋼板2のうち、表面のAl系被覆22、および鋼板21の表層組織を除いた部分の化学組成をいうものとし、鋼板の板厚方向に表面から板厚の1/4の位置から、ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析法などの元素分析を行うことによって得られる。鋼板の表層部を除く平均C含有量、平均Cr含有量は上記ICP発光分光分析法から得られた値とする。
(B2)被覆
本実施形態に係る被覆鋼板2は、鋼板21の表面にAlを含有する被覆(以下Al系被覆)22を有する。このAl系被覆22は、被覆鋼板2の鋼板21側にAlを3質量%以上70質量%未満含む下層221を有し、被覆鋼板2の表面側にAlを70質量%以上95質量%以下含む上層222を有する。Al系被覆とはAlを主体とした被覆であり、例えばAlを3%以上含むAl系被覆には、添加元素として、Mg、Ti、Zn、Sb、Sn、Cu、Co、In、Bi、Ca、Sr、ミッシュメタル等を添加してよい。
上層222は、Si及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含むことが好ましい。Al系被覆22の上層222に含まれるSi及びNiはCの活量を下げる元素であり、上層222におけるSi及びNiの合計含有量の最大が5.0質量%以上であると、後述する熱処理において、鋼板からAl−Fe系被覆への(特にAl−Fe系被覆の表面側への)C拡散を抑制する効果が得られる。Si及びNiの合計含有量の最大が5.0質量%未満であると、熱処理を行って被覆鋼部材1とした際のAl−Fe系被覆12におけるC含有量が高くなる場合がある。この場合、曲げ性が十分でなく、衝突時にエネルギーを十分に吸収できない。したがって上層222におけるSi及びNiの合計含有量は5.0質量%以上とすることが好ましい。
また、CrはCの活量を上げる元素である。そのため、Al系被覆22の鋼板21側に存在する下層221にCrが含有されると、後述する熱処理において、Al−Fe系被覆へのC拡散を抑制する効果がある。そのため、下層221がCrを含むことが好ましい。
また、下層221にCrを含有させることで、被覆鋼部材1となった際の高Al含有領域122にもCrを含有させることができる。
上記効果を得る場合、鋼板21が0.05%以上のCrを含み、下層221に含まれるCr含有量の最大値が鋼板21に含まれるCr含有量(平均Cr含有量)の1.2倍以上(120%以上)であることが好ましい。より好ましくは、鋼板21が0.08%以上のCrを含み、下層221に含まれるCr含有量の最大値が鋼板21に含まれるCr含有量の1.2倍以上(120%以上)である。
下層221に含まれるCr含有量の最大値が鋼板21のCr含有量に対して120%未満であると、Al−Fe系被覆12へのC拡散を抑制する効果が小さい。下層221に含まれるCr含有量の下限は特に規定しないが、鋼板21がCrを含有する場合、0.01%程度は含有し得る。
本実施形態に係る被覆鋼板2では、熱処理後のAl−Fe系被覆12へのC拡散を抑制するために、上層222が、Si及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含むか、または、下層221が、質量%で、鋼板に含まれるCr含有量の1.2倍以上のCrを含む必要がある。少なくとも一方を満足していれば、Cの拡散を抑制できる。より高い効果を得る場合、両方を満足することが好ましい。
Al系被覆22における、上層222のSi及びNiの合計含有量、下層221のCr含有量の最大値は以下のように被覆鋼板2の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求める。
上層222のSi及びNiの合計含有量、下層221のCr含有量の最大値を求めるに際し、Al含有量が3質量%以上かつFe含有量が95質量%未満となる領域をAl系被覆22、Fe含有量が95質量%以上となる領域を鋼板21と判断する。また、Al系被覆22のうち、Al含有量が70質量%以上である領域を上層222、70%未満である領域を下層221とする。
具体的には、被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼板の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って、上層におけるSi含有量とNi含有量とを求め、合計含有量が最も大きくなる位置でのSi含有量とNi含有量との合計を上層における上層のSiとNiとの合計含有量とする。
また、被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼板の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って、下層におけるCr含有量の最大値を測定する。
この測定を計5回行い、各測定において得られた値を平均して、上層のSiとNiとの合計含有量、下層のCr含有量の最大値とする。
(B3)鋼板の表層組織
本実施形態に係る被覆鋼板2では、鋼板21の表面(鋼板21と被覆22との界面)から深さ20μmまでの範囲(鋼板21の表層組織)における最大C含有量が、鋼板21のC含有量(平均C含有量)の80%以下である。
鋼板21の表層組織における最大C含有量が、鋼板21のC含有量に対して80%を超えると、熱処理後の被覆鋼部材1のAl−Fe系被覆12におけるC含有量が高くなる。この場合、曲げ性が十分でなく、衝突時にエネルギーを十分に吸収できない場合がある。鋼板21の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量の下限は特に規定しないが、合計0.01%程度は含有し得る。
鋼板21におけるC含有量は以下のようにして求めることができる。
鋼板21の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量は、被覆鋼板2の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求める。具体的には、被覆鋼板2の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼板2の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行い、Feが95質量%未満となる領域がAl系被覆22、Fe含有量が95質量%以上である領域を、鋼板21と判断する。鋼板21において、Al系被覆22と鋼板基材21との界面から、深さ20μmまでの範囲における最大C含有量を求める。この測定を5回行い、各測定において得られた最大C含有量の平均値を、鋼板の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量とする。
(B4)鋼板の内部組織
本実施形態中に係る被覆鋼板2が備える鋼板21の内部組織は限定されないが、フェライトやパーライトであることが多い。後述する製造方法の条件内において、ベイナイトやマルテンサイト、残留オーステナイトを含有することもある。上記マルテンサイトには、いわゆるフレッシュマルテンサイトだけでなく、焼戻しマルテンサイトや自動焼戻しマルテンサイトも含む。自動焼戻しマルテンサイトとは、焼戻しのための熱処理を行うことなく、焼入れ時の冷却中に生成した焼戻しマルテンサイトのことであり、マルテンサイト変態に伴う発熱によって、発生したマルテンサイトがその場で焼き戻されて生成するものである。鋼板の内部組織とは、上述した表層組織を除いた組織のことである。
次に、被覆鋼板2、被覆鋼部材1の製造方法について説明する。
(C)被覆鋼板の製造方法
本実施形態に係る被覆鋼板2は、以下に示す工程を含む製造方法Iまたは製造方法IIを用いることにより製造することができる。製造方法Iと製造方法IIとを組み合わせて実施(例えば工程(i)+(ii)+(iii)+(iv)+(v)+(vi’)+(vii’)を含むように実施)してもよい。
製造方法I
(i)上述の化学組成を有する鋼を溶製し、鋳造する、スラブ準備工程
(ii)得られたスラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする、熱間圧延工程
(iii)熱延鋼板を巻き取る、巻き取り工程
(iv)巻き取り工程後の熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う、熱延板焼鈍工程
(v)必要に応じて、熱延板焼鈍工程後の熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする、冷間圧延工程
(vi)必要に応じて、熱延鋼板又は冷延鋼板に対して焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程
(vii)熱延鋼板、冷延鋼板または焼鈍鋼板にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする、被覆工程
製造方法II
(i)上述の化学組成を有する鋼を溶製し、鋳造してスラブを得る、スラブ準備工程
(ii)得られたスラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする、熱間圧延工程
(iii)熱延鋼板を巻き取る、巻き取り工程
(iv)’必要に応じて、熱延鋼板に対し、熱延板焼鈍を行う熱延板焼鈍工程
(v)必要に応じて、熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする、冷間圧延工程
(vi)’熱延鋼板又は冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする、焼鈍工程
(vii)’焼鈍鋼板をSi及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする、被覆工程
以下、各工程について説明する。
<スラブ準備工程>
スラブ準備工程では、上述の化学組成を有する鋼を溶製し、鋳造することで熱間圧延に供するスラブを製造する。例えば、転炉又は電気炉等を用いて上記化学組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法により製造したスラブを用いることができる。連続鋳造法に代えて、造塊法、薄スラブ鋳造法等を採用してもよい。
<熱間圧延工程>
熱間圧延工程においては、スラブを加熱し、粗圧延を行った後に、必要に応じてデスケーリングを行い、最後に仕上げ圧延を行う。熱間圧延条件については限定されない。
<巻き取り工程>
巻き取り工程では、例えば熱間圧延後の熱延鋼板を800℃以下の温度域で巻き取る。巻き取り温度が800℃を超えると、変態がほとんど進まない内に巻き取られ、コイル内で変態が進行するため、コイル形状不良となる場合がある。
<熱延板焼鈍工程>
Alが3質量%以上70質量%未満含む領域(下層)に含まれるCr含有量を、鋼板に含まれるCr含有量に対して120%以上とする場合、熱延鋼板の焼鈍工程において、窒素80体積%以上の雰囲気で450〜800℃で5時間以上の焼鈍を施す。
Crは非酸化性雰囲気で焼鈍されることで鋼板の表層に濃縮する。具体的には、雰囲気を、窒素などの中性または不活性ガスを80%以上含む雰囲気とし、450〜800℃の温度域で5時間以上保持する焼鈍を行うことで、Al系被覆の下層に含まれるCr含有量を、鋼板に含まれるCr含有量に対して1.2倍(120%)以上とすることが可能となる。上記中性または不活性ガスはコストの観点から窒素が望ましいが、アルゴンやヘリウム等を用いてもよい。上記焼鈍雰囲気が中性または不活性ガスが80%未満及び/または保持時間が5時間未満であると、Al系被覆の下層に含まれるCr含有量が鋼板に含まれるCr含有量に対して120%未満となる場合がある。焼鈍時間の上限は特に設定しないが、48時間以上はコストが過大となる場合があるので好ましくない。また、焼鈍温度が450℃未満であると、下層に含まれるCr含有量が鋼板に含まれるCr含有量に対して120%未満となる場合があるので好ましくない。焼鈍温度が800℃超であると、熱処理のコストが過大となるので好ましくない。
また、上記の条件で熱延板焼鈍を行うことで、鋼板の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量を、鋼板のC含有量(平均含有量)に対して80%以下とすることができる。
本熱延板焼鈍工程を行う場合、酸洗等を行わない黒皮状態の熱延鋼板(表面にFeO、Fe、Fe等からなる鉄スケールが形成されている状態)に対して行う必要がある。黒皮状態の熱延鋼板に、上記の条件で焼鈍を行うことで、鉄スケールの還元に伴う鋼板表面のCO脱離反応、すなわち脱炭が進行し、Cr含有量、C含有量が所望の範囲に制御できる。
<冷間圧延工程>
冷間圧延工程では熱延板焼鈍工程後の熱延鋼板(熱延板焼鈍工程を行わない場合には巻き取り工程後の熱延鋼板)にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする。デスケーリング及び冷間圧延は必ずしも行う必要がないが、冷間圧延を行う場合、良好な平坦性を確保する観点からは、冷間圧延における累積圧下率は30%以上とすることが好ましい。一方、荷重が過大となることを避けるため、冷間圧延における累積圧下率は80%以下とすることが好ましい。
デスケーリングの方法は、特に限定されないが、酸洗とすることが好ましい。また、酸洗を行う場合、条件を塩酸または硫酸酸洗にて鉄スケールのみ除去することが好ましい。この条件で酸洗を行うことで、上記Cr濃化層を残しやすい。
<焼鈍工程>
鋼板の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量を、鋼板のC含有量に対して80%以下とするため、熱延鋼板または冷延鋼板に対し、露点が1℃以上の湿潤水素雰囲気下で、700〜950℃の温度域で焼鈍を施す。例えば直火バーナーとラジアントチューブの二段加熱炉において、空燃比0.9〜1.2にて560〜650℃に加熱し、水素濃度1〜13%、露点が1℃以上の雰囲気にて700〜950℃に加熱する。好ましい露点は3℃以上、より好ましい露点は5℃以上である。水素を含む高露点雰囲気で30秒以上の間700℃以上で保持されることが望ましい。上記の条件で焼鈍を行うことで、雰囲気中の水分の還元に伴う鋼板表面のCO脱離反応が進行し、鋼板の表面から深さ20μmまでの範囲における最大C含有量を、鋼板のC含有量に対して80%以下とすることができる。露点が+20℃超となると、鋼板のSiやMnといった易酸化元素の内部酸化が過度に進行し、溶接性や鋼板表層の品質が劣化する場合がある。また、コストも過大となる。そのため、露点は+20℃以下が好ましい。
ただし、上述の熱延板焼鈍でも同様の効果が得られるので、熱延板焼鈍を行った場合には、本焼鈍工程は省略してもよく、上記の条件以外で行ってもよい。
<被覆工程>
被覆工程では、Al系被覆を施して、鋼板の表面にAl系被覆を形成し、被覆鋼板とする。Al系被覆の形成方法については、特に限定するものではなく、溶融めっき法をはじめとして電気めっき法、真空蒸着法、クラッド法、溶射法等が可能である。工業的に最も普及しているのは溶融めっき法である。
溶融めっきを行う場合、めっき浴にはAlの他に不純物としてFeが混入している場合が多い。また、さらに上述した元素以外にめっき浴にSi、Ni、Mg、Ti、Zn、Sb、Sn、Cu、Co、In、Bi、Ca、ミッシュメタル等を、Alを70%以上含有する限り、含有させてもよい。
めっきを行う場合、焼鈍工程後の焼鈍鋼板を、室温まで冷却した後めっきを行ってもよく、焼鈍後に650〜750℃に冷却し、一旦室温まで冷却することなく浸漬めっきを行ってもよい。
本実施形態に関わる被覆鋼板の製造方法においては、Alを70質量%以上含む領域(上層)に含まれるSi及びNiの含有量を合計5.0〜30.0質量%とする場合、溶融めっきであれば、めっき浴中にSi及びNiを合計7.0〜30.0質量%含有させてAl系被覆を施す。例えば焼鈍鋼板をSiとNiとを合計で7.0〜30.0質量%以上含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによってAl系被覆を施す。SiまたはNiを合計7.0%以上含有する場合でも、上述のようにMg、Ti、Zn、Sb、Sn、Cu、Co、In、Bi、Ca、ミッシュメタル等を含有させてもよい。
ただし、上述の熱延板焼鈍を行った場合には、被覆の下層にCrが濃化し、Cの拡散を抑制できるので、被覆の上層のSi及びNiの含有量を5.0質量%以上にしなくてもよい。そのため、熱延板焼鈍を行った場合には、本被覆工程において、めっき浴中にSi及びNiを合計7.0〜30.0質量%含有させなくてもよい。
Al系被覆の前処理や後処理については特に限定するものではなく、プレコートや溶剤塗布、合金化処理等が可能である。
(D)被覆鋼部材の製造方法
次に、本実施形態に係る被覆鋼部材の製造方法について説明する。
上述のように製造した被覆鋼板に後述する熱処理を施すことによって、高Al含有領域と低Al含有領域とを有し、高Al含有領域の最大C含有量が、鋼板基材のC含有量の25%以下であり、かつ、低Al含有領域の最大C含有量が、鋼板基材のC含有量の40%以下であり、鋼板基材において、鋼板基材と前記被覆との界面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、鋼板基材のC含有量に対して80%以下である、本実施形態に係る被覆鋼部材を得ることが可能となる。
すなわち、本実施形態に係る被覆鋼板に熱処理を行うことで、本実施形態に係る被覆鋼部材を得ることが可能となる。熱延板焼鈍を行い製造した被覆鋼板を用いて熱処理を行う場合、高Al含有領域における最大Cr含有量が、鋼板基材のCr含有量の80%以上である被覆鋼部材を得ることが可能となる。
熱処理条件は、例えば上述の方法で得られた被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する条件である。
昇温速度が1.0℃/秒未満であると熱処理の生産性が低下するので好ましくない。一方、昇温速度が1000℃/超であると混粒組織となり靱性が低下するので好ましくない。
また、熱処理温度がAc点未満であると、冷却後にフェライトが残存し、強度や靱性が不足するので好ましくない。一方、熱処理温度がAc点+300℃超であると、高Al含有領域の最大C含有量が、鋼板基材のC含有量の25%超、また、低Al含有領域の最大C含有量が、鋼板基材のC含有量の40%超、また、鋼板基材において、鋼板基材と前記被覆との界面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、鋼板基材のC含有量に対して80%超となるので好ましくない。また組織が粗粒化し、靱性が低下するので好ましくない。
上部臨界冷却速度とは、組織にフェライトやパーライトを析出させず、オーステナイトを過冷してマルテンサイトを生成させる最小の冷却速度のことであり、上部臨界冷却速度未満で冷却するとフェライトやパーライトが生成し、強度が不足する。
加熱時には、1〜300sの保持を行ってもよい。また、冷却後に、鋼部材の強度を調整するために100〜600℃程度の焼戻し処理を行ってもよい。
Ac点、Ms点および上部臨界冷却速度は、次の方法にて測定する。
本実施形態に係る被覆鋼部材と同じ化学組成を有する鋼板から、幅30mm、長さ200mmの短冊試験片を切り出し、この試験片を窒素雰囲気中で1000℃まで10℃/秒の昇温速度で加熱し、その温度に5分間保持したのち、種々の冷却速度で室温まで冷却する。冷却速度の設定は、1℃/秒から100℃/秒まで、10℃/秒の間隔で設定する。そのときの加熱、冷却中の試験片の熱膨張変化を測定することにより、Ac点およびMs点を測定する。
上記の冷却速度で冷却したそれぞれの試験片のうち、フェライト相の析出が起きなかった最小の冷却速度を、上部臨界冷却速度とする。
ここで、上記一連の熱処理に際して、Ac点〜(Ac点+300)℃の温度域に加熱後、Ms点まで冷却する間に、つまり上部臨界冷却速度以上で冷却する工程を施すと同時にホットスタンプのような熱間成形を施してもよい。熱間成形としては、曲げ加工、絞り成形、張出し成形、穴広げ成形、およびフランジ成形等が挙げられる。また、成形と同時またはその直後に鋼板を冷却する手段を備えていれば、プレス成形以外の成形法、例えばロール成形に本発明を適用してもよい。上述の熱履歴に従うなら、繰返し熱間成形を施してもよい。
前述のとおり、本実施形態では、熱間成形されて成形体となったもの、熱処理のみが施されて平板であるものをともに含めて「被覆鋼部材」という。
また、熱間成形または熱処理を鋼材の一部に対して行い、強度の異なる領域を持つ被覆鋼部材を得てもよい。
上記の一連の熱処理は任意の方法によって実施することができ、例えば、高周波加熱焼入れや通電加熱、赤外線加熱、炉加熱によって実施してもよい。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
まず、被覆鋼部材および被覆鋼板を製造するにあたり、表1〜表4に示す化学組成を有する鋼を溶製し、熱間圧延用のスラブを得た。
<実施例1>
得られたスラブに熱間圧延を施し、800℃以下の温度で巻き取り、厚さ2.7mmの熱延鋼板とした。
上記表1〜表4に示す鋼種の内、鋼No.A1、5、10、16、21、27〜A31の鋼成分を有するNo.B32〜B46、b35〜b37の熱延鋼板には、窒素98%の雰囲気で、650℃で12時間の焼鈍(熱延板焼鈍)を施した。
熱間圧延後または熱延板焼鈍後の熱延鋼板に冷間圧延を施し、厚さ1.6mmの冷延鋼板を得た。この冷延鋼板に対し、表5、表7、表9に記載の条件(露点、温度、時間)で、焼鈍を行った。焼鈍後の冷延鋼板にAlめっきを施し、Al系被覆を有する被覆鋼板を得た。めっき工程において、SiとNiとを合計3.0〜10.0質量%含むめっき浴で溶融Alめっきを行った。
被覆鋼板の、鋼板の板厚方向に表面から板厚の1/4の位置の化学組成は、スラブの化学組成と同様であった。
Figure 2020203979
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得られた被覆鋼板について、Alを3質量%以上70質量%未満含む下層と、Alを70質量%以上95質量%以下含む上層とを判断し、上層におけるSi及びNiを合計含有量、鋼板と被覆と界面から鋼板側の深さ20μmまでの最大C含有量、下層におけるCr含有量を評価した。
具体的には、Al系被覆における、上層のSiとNiの合計含有量、下層のCr含有量の最大値は以下のように被覆鋼板の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って求めた。上層のSiとNiの含有量、下層のCr含有量の最大値を求めるに際し、Al含有量が3質量%以上かつFe含有量が95質量%未満となる領域をAl系被覆、Fe含有量が95質量%以上となる領域を鋼板と判断した。また、Al系被覆のうち、Al含有量が70質量%以上である領域を上層、70%未満である領域を下層とした。被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼板の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って、上層におけるSi含有量とNi含有量とを求め、合計含有量が最も大きくなる位置でのSi含有量とNi含有量との合計を上層における上層のSiとNiとの合計含有量とした。また、被覆鋼板の幅方向端部から板幅(短手)の概ね1/4の位置において、被覆鋼板の表面から板厚方向にGDS(グロー放電発光分析)を行って、下層におけるCr含有量の最大値を測定した。この測定を計5回行い、各測定において得られた値を平均して、上層における上層のSiとNiとの合計含有量、下層のCr含有量の最大値とした。
評価結果を表5〜表10に示す。
また、上記の被覆鋼板を920℃まで昇温速度5.0℃/秒で加熱し、Ms点以下まで50℃/秒で冷却する熱処理を施し、被覆鋼部材を得た。
得られた被覆鋼部材を切り出し、GDS(グロー放電発光分析)、引張試験、曲げ試験、シャルピー衝撃試験を以下の方法で行い、Alが30質量%以上の被覆領域に含まれる最大C含有量、Alが3質量%以上の30質量%未満の領域に含まれる最大C含有量、鋼板基材と被覆との界面から鋼板基材側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量、高Al含有領域における最大Cr含有量、引張強度、曲げ角度、衝撃値を評価した。評価結果を表5〜表10に示す。
<高Al含有領域及び低Al含有領域における最大C含有量>
被覆鋼部材の表面から板厚方向にGDSを行い、Al含有量及びC含有量を調べた。GDSの測定は、被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の1/4の位置において、ランダムに5点行った。測定の結果、Al含有量が30質量%以上の領域を高Al含有領域、3質量%以上30質量%未満の領域を低Al含有領域とし高Al含有領域最大のC含有量、低Al含有領域における最大のC含有量を求め、測定は5回行い、これらの平均値を用いて高Al含有領域の最大C含有量、低Al含有領域における最大C含有量とした。
<鋼板基材の表面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量>
被覆鋼部材の表面から板厚方向にGDSを行い、Fe含有量、C含有量を調査した。GDSの測定は、被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の1/4の位置において、鋼板基材の表面から深さ10μmまでにおける最大のC濃度を求めた。測定は5回行い、これらの平均値を用いて鋼板基材の表面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量とした。ここで鋼板基材の表面とは、Feが95%以上となる深さの位置とした。
<高Al含有領域における最大Cr含有量>
被覆鋼部材の表面から板厚方向にGDSを行い、Al含有量及びCr含有量を調べた。GDSの測定は、被覆鋼部材の幅方向端部から板幅(短手)の1/4の位置において、ランダムに5点行った。測定の結果、Al含有量が30質量%以上の領域を高Al含有領域、3質量%以上30質量%未満の領域を低Al含有領域とし、高Al含有領域における最大のCr含有量を求めた。測定は5回行い、これらの平均値を用いて高Al含有領域の最大Cr含有量とした。
<引張強度>
引張試験はASTM規格E8の規定に準拠して実施した。被覆鋼部材の均熱部位を1.2mm厚まで研削した後、試験方向が圧延方向に平行になるように、ASTM規格E8のハーフサイズ板状試験片(平行部長さ:32mm、平行部板幅:6.25mm)を採取した。そして、3mm/minのひずみ速度で室温引張試験を行い、引張強度(最大強度)を測定した。本実施例においては、1500MPaを超える引張強度を有する場合を強度に優れると評価することとした。
<曲げ角度>
曲げ試験はVDA238―100の規定に準拠して実施した。被覆鋼部材の均熱部位より、圧延方向に平行に60mm、垂直に30mmの曲げ用試験片を採取した。曲げパンチを圧延方向と垂直となるように合わせ、最大荷重時の曲げ角度を測定した。曲げ角度は強度と相関があるため、本実施例においては、引張強度2100MPa未満では60度、2100MPa以上では50度を超える曲げ角度を有する場合を従来技術より曲げ性に優れると評価することとした。
<衝撃値>
シャルピー衝撃試験はJIS Z 2242:2018の規定に準拠して実施した。被覆鋼部材の均熱部位より、圧延方向に55mm、垂直方向に10mmを切出し、これを3枚積層した2mmVノッチ試験片を作製し、試験温度−40℃におけるシャルピー衝撃試験を行い、吸収エネルギーvEをノッチ底の試験片断面積で除して衝撃値(J/cm)を求めた。衝撃値は強度と相関があるため、本実施例においては、引張強度が2100MPa未満の場合には35J/cm以上、引張強度が2100MPa以上の場合には20J/cm以上の衝撃値を有する場合を靱性に優れると評価することとした。
Figure 2020203979
Figure 2020203979
Figure 2020203979
Figure 2020203979
Figure 2020203979
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表5〜表10に示すとおり、本発明範囲を満足する発明例B1〜B46は、組織、特性ともに良好な結果であるが、本発明範囲を満足していない比較例b1〜b37は、組織、特性の少なくとも1つを満足しない結果となった。
<実施例2>
上記表1〜表4に示す鋼種の内、鋼No.A27〜A31の鋼成分を有するスラブに熱間圧延を施し、厚さ2.7mmの熱延鋼板とした。熱延鋼板に表9〜表10に示す熱延板焼鈍、焼鈍を行い、さらに表11〜表12に示すSi、Niを含むAlめっき浴に浸漬することでめっきを施して、被覆鋼板を得た。
得られた被覆鋼板について、実施例1と同様に、GDSを用いて、Alを3質量%以上70質量%未満含む下層と、Alを70質量%以上95質量%以下含む上層とを判断し、上層におけるSi及びNiの合計含有量、鋼板の表面から深さ20μmまでの最大C含有量、下層におけるCr含有量を評価した。評価結果を表9〜表10に示す。
Figure 2020203979
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表11〜表12から分かるように、本発明範囲を満足する発明例D1〜D40では、所定の化学組成、組織を有する被覆鋼板が得られた。一方、本発明範囲を満足していない比較例d1〜d33は、目的とする組織の少なくとも1つを満足しない結果となった。
<実施例3>
上記表13〜表16に示す被覆鋼板に対し、表13〜表16に示す熱処理を施して、被覆鋼部材(E1〜E35、e1〜e45)を製造した。
得られた被覆鋼部材を切り出し、実施例1と同様の方法で、GDS(グロー放電発光分析)、引張試験、曲げ試験、シャルピー衝撃試験を以下の方法で行い、Alが30%以上の被覆領域に含まれるC含有量の最大値、Alが3質量%以上の30質量%未満の領域に含まれる最大C含有量、鋼板基材の表面から深さ10μmまでの範囲における最大C含有量、高Al含有領域における最大のCr含有量、引張強度、曲げ角度、衝撃値を評価した。評価結果を表13〜表16に示す。
Figure 2020203979
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Figure 2020203979
Figure 2020203979
表13〜表16から分かるように、本発明範囲を満足する発明例E1〜E35は、組織、特性ともに良好な結果であるが、本発明範囲を満足していない比較例e1〜e45は、組織、特性の少なくとも1つを満足しない結果となった。
本発明によれば、衝突特性に優れる高強度な被覆鋼部材および鋼板を得ることが可能となる。本発明に係る被覆鋼部材は、特に自動車の骨格部品として用いるのに好適である。
1 被覆鋼部材
11 鋼板基材
12 Al−Fe系被覆
121 低Al含有領域
122 高Al含有領域
2 被覆鋼板
21 鋼板
22 Al系被覆
221 下層
222 上層

Claims (10)

  1. 質量%で、
    C:0.25〜0.65%、
    Si:0.10〜2.00%、
    Mn:0.30〜3.00%、
    P:0.050%以下、
    S:0.0100%以下、
    N:0.010%以下、
    Ti:0.010〜0.100%、
    B:0.0005〜0.0100%、
    Nb:0.02〜0.10%、
    Mo:0〜1.00%、
    Cu:0〜1.00%、
    Cr:0〜1.00%、
    Ni:0〜1.00%、
    V:0〜1.00%、
    Ca:0〜0.010%、
    Al:0〜1.00%、
    Sn:0〜1.00%、
    W:0〜1.00%、
    Sb:0〜1.00%、及び
    REM:0〜0.30%
    を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼板基材と、
    前記鋼板基材の表面に形成され、Al及びFeを含有する被覆と、
    を有し、
    前記被覆が、Al含有量が3質量%以上30質量%未満である低Al含有領域と、前記低Al含有領域よりも表面側に形成され、Al含有量が30質量%以上である高Al含有領域と、を有し、
    前記高Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材のC含有量の25%以下であり、かつ、前記低Al含有領域の最大C含有量が、前記鋼板基材の前記C含有量の40%以下であり、
    前記鋼板基材と前記被覆との界面から前記鋼板基材側の深さ10μmまでの範囲における最大C含有量が、前記鋼板基材の前記C含有量に対して80%以下である
    ことを特徴とする被覆鋼部材。
  2. 前記鋼板基材が、前記化学組成として、Cr:0.05〜1.00%を含み、
    前記高Al含有領域における最大Cr含有量が、前記鋼板基材のCr含有量の80%以上である、
    ことを特徴とする請求項1に記載の被覆鋼部材。
  3. 質量%で、
    C:0.25〜0.65%、
    Si:0.10〜2.00%、
    Mn:0.30〜3.00%、
    P:0.050%以下、
    S:0.0100%以下、
    N:0.010%以下、
    Ti:0.010〜0.100%、
    B:0.0005〜0.0100%、
    Nb:0.02〜0.10%、
    Mo:0〜1.00%、
    Cu:0〜1.00%、
    Cr:0〜1.00%、
    Ni:0〜1.00%、
    V:0〜1.00%、
    Ca:0〜0.010%、
    Al:0〜1.00%、
    Sn:0〜1.00%、
    W:0〜1.00%、
    Sb:0〜1.00%、及び
    REM:0〜0.30%
    を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼板と、
    前記鋼板の表面に形成され、Alを含有する被覆と、
    を有し、
    前記被覆が、
    前記鋼板側に存在してAlを3質量%以上70質量%未満含む下層と、Alを70質量%以上95質量%以下含む上層と、を備え、
    前記下層が、質量%で、前記鋼板に含まれるCr含有量の1.2倍以上のCrを含む、または、前記上層がSi及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含み、
    前記鋼板と前記被覆との界面から前記鋼板側の深さ20μmまでの範囲における最大C含有量が、前記鋼板の板厚全体における平均C含有量の80%以下である
    ことを特徴とする被覆鋼板。
  4. 前記鋼板が、前記化学組成として、Cr:0.05〜1.00%を含み、
    前記被覆において、前記下層が、質量%で、前記鋼板に含まれる前記Cr含有量の1.2倍以上のCrを含み、かつ、前記上層がSi及びNiを合計で5.0質量%以上30.0質量%以下含む、
    ことを特徴とする請求項3に記載の被覆鋼板。
  5. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記熱延鋼板、前記冷延鋼板または前記焼鈍鋼板にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼板の製造方法。
  6. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板に対し、焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記焼鈍鋼板をSi及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼板の製造方法。
  7. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼板の製造方法。
  8. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記熱延鋼板、前記冷延鋼板または前記焼鈍鋼板にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼部材の製造方法。
  9. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板に対し、焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼部材の製造方法。
  10. 質量%で、C:0.25〜0.65%、Si:0.10〜2.00%、Mn:0.30〜3.00%、P:0.050%以下、S:0.0100%以下、N:0.010%以下、Ti:0.010〜0.100%、B:0.0005〜0.0100%、Nb:0.02〜0.10%、Mo:0〜1.00%、Cu:0〜1.00%、Cr:0〜1.00%、Ni:0〜1.00%、V:0〜1.00%、Ca:0〜0.010%、Al:0〜1.00%、Sn:0〜1.00%、W:0〜1.00%、Sb:0〜1.00%、及びREM:0〜0.30%を含有し、残部がFe及び不純物である化学組成からなる鋼を溶製し、鋳造してスラブを得るスラブ準備工程と、
    前記スラブに熱間圧延を施して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
    前記熱延鋼板を巻き取る巻き取り工程と、
    前記巻き取り工程後の前記熱延鋼板に、窒素を80%以上含む雰囲気下において、450〜800℃で5時間以上焼鈍を行う熱延板焼鈍工程と、
    必要に応じて、前記熱延鋼板にデスケーリングを行い、冷間圧延を行って冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
    前記熱延鋼板又は前記冷延鋼板に対して、露点が1℃以上の雰囲気下、かつ700〜950℃の温度域で焼鈍を行って焼鈍鋼板とする焼鈍工程と、
    前記焼鈍鋼板を、Si及びNiを合計で7.0〜30.0質量%含み、残部がAl及び不純物からなるめっき浴に浸漬することによって、前記焼鈍鋼板の表面にAl系被覆を形成して被覆鋼板とする被覆工程と、
    前記被覆鋼板を、1.0〜1000℃/秒の昇温速度で、Ac点〜(Ac点+300)℃まで加熱し、その後、Ms点以下まで上部臨界冷却速度以上で冷却する熱処理工程と、
    を備えることを特徴とする被覆鋼部材の製造方法。
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