JP4458610B2 - 耐高温酸化性に優れた溶融アルミニウムめっき鋼板 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は、850℃以上の高温雰囲気に耐え得る構造材として使用され、耐高温酸化性及び高温強度に優れ、且つ室温での加工性も良好な溶融アルミニウムめっき鋼板に関する。
【0002】
【従来の技術】
800℃以上の高温雰囲気で優れた耐高温酸化性を示す材料として、Crを約10質量%以上含有する各種ステンレス鋼が従来から使用されている。ステンレス鋼は,表層に生成するCr系酸化物皮膜(不動態皮膜)の保護的作用によって優れた耐高温酸化性を示すものの、鋼材コストが高いことが欠点である。そこで、普通鋼を母材として鋼板表面に溶融アルミニウムめっきを施すことにより,耐高温酸化性を改善した溶融アルミニウムめっき鋼板が実用化されている。
たとえば、特開昭56−102523号公報では、極低炭素Ti添加鋼をベースとして溶融アルミニウムめっきを施し、アルミニウムめっき鋼板としては比較的高温での耐高温酸化性を改善した溶融アルミニウムめっき鋼板を製造する方法が紹介されている。
【0003】
特開昭56−102556号公報では、5質量%までのCrを含有する極低炭素Ti添加鋼をベースとして溶融アルミニウムめっきを施すことにより耐熱性を改善しためっき鋼板が紹介されている。これらの溶融アルミニウムめっき鋼板は、830℃の高温雰囲気で良好な耐高温酸化性を呈することが実施例で紹介されている。
ステンレス鋼以外に無垢材として850℃を超える高温雰囲気で優れた耐高温酸化性を呈する材料としては、FeにAlを含有させたFe−Al合金が古くから知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
普通鋼を母材とした通常の溶融アルミニウムめっき鋼板の使用可能な温度は、高くても830℃程度に過ぎない。Crを5質量%程度まで添加した鋼板をベースにした溶融アルミニウムめっき鋼板は、僅かに耐高温酸化性が改善されるものの、850℃を超える高温雰囲気に曝されると短時間で異常酸化し、通常の使用に耐えられなくなる。
他方、Fe−Al合金は、耐高温酸化性に優れるものの、単純なFe−Al二元系では構造材として十分な高温強度が得られない。Fe−Al合金のAl含有量を増加させFe3Al,FeAl等の規則合金を作ることにより高温強度を向上させることも可能であるが、これらの規則合金は室温での靭性に劣るため薄板材の製造が非常に困難である。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、無垢材としても850℃を超える高温雰囲気での使用に耐える優れた耐高温酸化性及び高温強度をもつと共に、室温での加工性にも優れ、ステンレス鋼に比較して安価な溶融アルミニウムめっき鋼板を得ることを目的とする。
本発明者等は、耐高温酸化性に優れた溶融アルミニウムめっき鋼板について種々調査検討した結果、C:0.01質量%以下,Si:0.02〜2.0質量%,Mn:0.24〜2.5質量%,P:0.02質量%以下,Al:1〜10質量%,S:0.010質量%以下,N:0.010質量%以下を含み、残部がFeと不可避的不純物からなる組成を基本組成にする鋼板を基材に使用するとき、850℃以上の高温雰囲気で十分使用に耐え得る耐高温酸化性及び高温強度が得られ、しかも室温での加工性も確保されることを見出した。
【0006】
この基本組成にTi,Nb,Mo,Vの1種又は2種以上を合計で0.01〜0.3質量%添加するとき、室温での加工性を大きく劣化させることなく高温強度が更に改善される。なお、Ti,Nb,Mo,Vの1種又は2種以上を含む鋼にあっては、Si含有量は0.01質量%以上2.0質量%以下であってもよい。
耐高温酸化性は、La,Ce,Nd,Yの1種又は2種以上を合計で0.01〜0.2質量%、或いはCr:1〜8質量%を添加するとき一層向上する。また、構造材としてプレス加工する際の耐二次加工割れ性は、B:0.0002〜0.002質量%を添加することにより改善される。
【0007】
【作用】
以下、本発明で基材に使用される高Al鋼板に含まれる合金成分,含有量等を説明する。
C:0.01質量%以下
耐高温酸化性及び室温での加工性に悪影響を及ぼす合金成分であり、可能な限りC含有量を低くすることが好ましい。しかし、過度の脱炭は製造コストを上昇させる原因となるので、本発明においてはCによる悪影響が現れない0.01質量%を上限に設定した。
Si:0.01〜2.0質量%
耐高温酸化性及び高温強度の改善に有効な合金成分であり、0.01質量%以上でSiの効果が顕著になる。しかし、2.0質量%を超える過剰量のSiが含まれると、室温での加工性及び耐二次加工割れ性が劣化する。
【0008】
Mn:0.05〜2.5質量%
高温強度の改善に有効な合金成分であり、0.05質量%以上でMnの効果が顕著になる。しかし、2.5質量%を超える過剰量のMnが含まれると、室温での加工性及び耐二次加工割れ性が劣化する。
P:0.02質量%以下
高温強度の改善に有効な合金成分であるが、粒界に偏析し室温及び低温での靭性に悪影響を及ぼす。靭性に及ぼすPの影響は、C含有量を低減した成分系では顕著になる。この点、P含有量は可能な限り低いことが好ましく、本発明では上限を0.02質量%に設定した。
【0009】
Al:1〜10質量%
耐高温酸化性の改善に必須の合金成分であり、850℃以上の高温雰囲気での使用に耐え得る耐高温酸化性を得るため1質量%以上のAl含有量が必要である。耐高温酸化性の観点からはAl含有量が多いほど好ましいが、10質量%を超える過剰量のAlが含まれると非常に硬質で脆いFe3Al規則合金が生成し、室温での加工性が大きく劣化する。
S:0.010質量%以下
耐高温酸化性及び室温での加工性に悪影響を及ぼす有害成分であり、可能な限りS含有量を低減することが好ましく、本発明ではS含有量の上限を0.010質量%に設定した。
N:0.010質量%以下
耐高温酸化性及び室温での加工性に悪影響を及ぼす有害成分であり、可能な限りN含有量を低減することが好ましく、本発明ではN含有量の上限を0.010質量%に設定した。
【0010】
Ti,Nb,Mo,Vの1種又は2種以上:合計で0.01〜0.3質量%
必要に応じて添加される合金成分であり、高温強度を向上させる作用を呈する。Ti,Nb,Mo,V等の添加により高温強度が改善されるメカニズムは必ずしも明確でないが,Ti,Nb,Mo,V等が鋼中のS,C,Nと結合して形成された硫化物,炭化物,炭窒化物等の析出物及びマトリックスに固溶したTi,Nb,Mo,V等が転位の移動を規制するソリュートドラッグ効果によるものと推察される。Ti,Nb,Mo,V等の添加効果は、0.01質量%以上で顕著になるが、0.3質量%を超えて添加しても高温強度を向上させる効果が飽和するばかりでなく、室温での加工性及び耐高温酸化性が劣化する。
【0011】
La,Ce,Nd,Yの1種又は2種以上:合計で0.01〜0.2質量%
必要に応じて添加される合金成分であり、高温域で生成した保護的なAl系酸化皮膜を緻密化し、耐高温酸化性を一層向上させる作用を呈する。La,Ce,Nd,Y等の添加効果は、0.01質量%以上で顕著になるが、0.2質量%を超えて添加しても耐高温酸化性改善効果が飽和し、鋼材コストを上昇させる原因となる。
Cr:1〜8質量%
必要に応じて添加される合金成分であり、Alと同様に保護的な酸化皮膜を生成し、耐高温酸化性の改善に有効に作用する。Crの添加効果は、5質量%以上のAlと複合添加する系では1質量%以上のCr添加で発現する。しかし、8質量%を超える過剰量のCr添加は、鋼材コストを上昇させる原因となる。
【0012】
B:0.0002〜0.002質量%
必要に応じて添加される合金成分である。一般的にいって極低炭素鋼では、粒界に偏析するC量が少ないため十分な粒界強度が得られず、プレス加工等の強加工を受けた場合に二次加工割れと称されている粒界割れが発生することがある。この点、粒界に偏析しやすいBを添加すると、粒界強度が向上し耐二次加工割れ性が改善される。耐二次加工割れ性の改善は、0.0002質量%以上のB添加で顕著になるが、0.002質量%を超える過剰量のBを添加すると却って室温での加工性が劣化する。
【0013】
以上のように成分調整された高Al鋼板は、通常の薄鋼板製造工程で製造できる。得られる高Al鋼板は、基本的には耐高温酸化性に優れた薄鋼板であるが、電縫鋼管用素材として使用するとき耐高温酸化性に優れた電縫鋼管も得られる。耐食性を改善するため、めっき原板としての使用も可能である。
高Al鋼板は、常法に従って溶融アルミニウムめっきされるが、溶融アルミニウムめっき浴への導入に先立ってプレFeめっきを施しておくと、ピンホール,不めっき等のめっき欠陥がなく密着性の高い溶融アルミニウムめっき層が形成される。電気Feめっき層を2g/m2以上の目付け量で形成するとき、めっき欠陥の抑制効果が顕著になる。なお、本明細書で言う「電気Feめっき層」は、B,P等を包含する意味で使用している。
【0014】
【実施例1】
表1の組成をもつ溶鋼を高周波真空溶解炉で溶製し、30kgの鋼塊に鋳造した。得られた鋼塊を厚み30mmまで熱間鍛造した後、1250℃に加熱し、仕上げ温度910℃の熱間圧延により板厚3.2mmの熱延鋼帯とした。
【0015】
【0016】
熱延鋼帯を酸洗して表面のスケールを除去した後、板厚1.0mmまで冷間圧延した。次いで、850℃×均熱60秒の短時間焼鈍を施した。
焼鈍材の表面にフラックスを塗布し、680℃に加熱した溶融アルミニウムめっき浴(Al−10質量%Si)中に浸漬し,溶融アルミニウムめっきを施した。冷却後に溶融アルミニウムめっき鋼板の断面を観察したところ、片面当り約15〜25μm程度の厚みで溶融アルミニウムめっき層が形成されていた。
【0017】
溶融アルミニウムめっき鋼板から試験片を切り出し、引張試験,耐高温酸化性試験,高温強度試験,耐二次加工割れ性試験に供した。
引張試験では、圧延方向と平行に切り出したJIS5号引張試験片を用い、室温での引張性質を調査した。耐高温酸化性試験では、直径45mmの形状に打ち抜いた試験片を900℃に加熱したマッフル炉に装入し、大気雰囲気中で100時間保持した後の酸化増量を測定し、酸化増量で耐高温酸化性を評価した。高温強度試験では、平行部10mm,標点間距離50mmの高温引張試験片を使用し、JIS G0567に準じて測定した800℃での降伏強さにより高温強度を評価した。耐二次加工割れ性試験では、絞り比2.5で試験片をカップ成形した後、ドライアイス,液体窒素等で冷却した冷媒中に15分間保持し、60度の円錐ポンチで押し広げ試験し、粒界割れが発生しない最低温度を耐二次加工割れ性の限界温度として評価した。
【0018】
表2及び図1の調査結果にみられるように、Al含有量が1質量%未満の試験番号1,2では酸化増量が100g/m2を超えているのに対し、Al含有量が1質量%以上になると酸化増量が20g/m2以下となり非常に優れた耐高温酸化性が得られている。耐高温酸化性は、図1に示すようにAl含有量1質量%を境として急激に変わり、Al含有量の増加に応じて向上しており、Crや希土類元素(REM)が共存するとき耐高温酸化性が一層向上していることが判る。
【0019】
室温引張試験での伸びは、Al,Si,Mnの含有量が多くなるに従って低下する傾向が示された。Alが10質量%を超える試験番号8,Siが2.0質量%を超える試験番号11及びMnが2.5質量%を超える試験番号14では、伸びが20%を下回り、延性に劣っていた。0.01質量%を超える過剰量のCを含む試験番号15においても、延性に劣っていた。
Ti,Nb,Mo,Vの1種又は2種以上を含む試験番号16〜22,24,25では,28N/mm 2 以上の高い高温強度が示されたものの,合計量が0.3質量%を超える試験番号20では室温での延性及び耐二次加工割れ性に劣っていた。
また、Bを含む試験番号24をB無添加以外はほぼ同じ組成をもつ試験番号16と比較すると、耐二次加工割れ性の限界温度が試験番号16で−70℃であるのに対し、試験番号24では−110℃と良好な値を示した。
【0020】
【0021】
【実施例2】
表3の組成に成分に調整した溶鋼を連続鋳造して得た鋼塊を、加熱温度1250℃,仕上げ温度900℃,巻取り温度550℃の条件で熱間圧延し、板厚3.0mmの熱延鋼帯を製造した。熱延鋼帯を酸洗した後、板厚1.0mmまで冷間圧延し、インライン焼鈍タイプの連続式溶融アルミニウムめっきラインに通板して850℃×均熱60秒の焼鈍を施し、次いで両面当たり80g/m2の付着量で溶融アルミニウムめっきした。なお、本発明鋼Dでは、溶融アルミニウムめっきに先立って片面当り2g/m2の電気Fe−Bプレめっき層を形成した。
【0022】
【0023】
得られた冷延鋼帯の引張性質,耐高温酸化性,高温強度及び耐二次加工割れ性を実施例1と同様に調査した。また、コイルのトップ部及びエンド部で発生しがちなめっき欠陥を調査し、めっき欠陥の発生量をコイル全体に対する重量割合で表しためっき不良率を求めた。
表4の調査結果にみられるように、Al含有量が少ない比較鋼Aでは、900℃での酸化増量が100g/m2を超える非常に大きな値を示した。これに対し、本発明で規定した組成をもつ本発明鋼B〜Dは、900℃での酸化増量が少なく、他の特性に関しても良好な値を示した。更に、Al含有量がほぼ等しい本発明鋼Cと本発明鋼Dとを比較すると、溶融アルミニウムめっきに先立ちFe−Bめっき層を形成しておくことによりめっき不良率が低減されていることが判る。
【0024】
【0025】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の溶融アルミニウムめっき鋼板は、耐高温酸化性に優れ、高温強度及び室温での加工性も良好で、高温構造用材として従来から使用されているステンレス鋼よりも安価である。このような高温特性及び加工性を利用し、自動車や各種燃焼機器の部材等、広範な分野に使用される溶融アルミニウムめっき鋼板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 耐高温酸化性に及ぼすAl含有量の影響を表したグラフ
Claims (5)
- C:0.01質量%以下,Si:0.02〜2.0質量%,Mn:0.24〜2.5質量%,P:0.02質量%以下,Al:1〜10質量%,S:0.010質量%以下,N:0.010質量%以下を含み、残部がFeと不可避的不純物からなる鋼板を基材とし、基材表面に溶融アルミニウムめっき層が形成されていることを特徴とする耐高温酸化性に優れた溶融アルミニウムめっき鋼板。
- C:0.01質量%以下,Si:0.01〜2.0質量%,Mn:0.24〜2.5質量%,P:0.02質量%以下,Al:5〜10質量%,S:0.010質量%以下,N:0.010質量%以下,更にTi,Nb,Mo,Vの1種又は2種以上を合計で0.01〜0.3質量%を含み、残部がFeと不可避的不純物からなる鋼板を基材とし、基材表面に溶融アルミニウムめっき層が形成されていることを特徴とする耐高温酸化性に優れた溶融アルミニウムめっき鋼板。
- 基材が更にLa,Ce,Nd,Yの1種又は2種以上を合計で0.01〜0.2質量%含む請求項1又は2記載の溶融アルミニウムめっき鋼板。
- 基材が更にCr:1〜8質量%を含む請求項1〜3何れかに記載の溶融アルミニウムめっき鋼板。
- 基材が更にB:0.0002〜0.002質量%を含む請求項1〜4何れかに記載の溶融アルミニウムめっき鋼板。
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