JP2022169341A - 鋼板及びめっき鋼板 - Google Patents

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敬太郎 松田
Keitaro Matsuda
卓哉 光延
Takuya Mitsunobe
純 真木
Jun Maki
浩史 竹林
Hiroshi Takebayashi
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Abstract

【課題】高いめっき性及び耐水素脆化性を有する高強度鋼板及びめっき鋼板を提供する。【解決手段】質量%で、C:0.05~0.40%、Si:0.2~3.0%、及びMn:0.1~5.0%を含有し、鋼板の表層にデンドライト型酸化物を含み、デンドライト型酸化物の面積率が5.0%以上であり、鋼板の表面から3.0μm以上の厚さを有するSi-Mn欠乏層を含み、厚さの1/2位置における酸化物を含まないSi-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満である鋼板、並びにそれを用いためっき鋼板を提供する。【選択図】図2

Description

本発明は、鋼板及びめっき鋼板に関する。より具体的には、本発明は、高いめっき性及び耐水素脆化性を有する高強度鋼板及びめっき鋼板に関する。
近年、自動車、家電製品、建材等の様々な分野で使用される鋼板について高強度化が進められている。例えば、自動車分野においては、燃費向上のために車体の軽量化を目的として、高強度鋼板の使用が増加している。このような高強度鋼板は、典型的に、鋼の強度を向上させるためにC、Si及びMn等の元素を含有する。
高強度鋼板の製造では、一般的に、圧延後に焼鈍処理のような熱処理が行われる。また、高強度鋼板に典型的に含まれる元素のうち易酸化元素であるSiやMnは、上記熱処理時に雰囲気中の酸素と結合し、鋼板の表面近傍に酸化物を含む層を形成することがある。このような層の形態としては、鋼板の外部(表面)にSiやMnを含む酸化物が膜として形成される形態(外部酸化層)と、鋼板の内部(表層)に酸化物が形成される形態(内部酸化層)とが挙げられる。
外部酸化層が形成された鋼板の表面上にめっき層(例えばZn系めっき層)を形成する場合、酸化物が膜として鋼板の表面上に存在しているため、鋼成分(例えばFe)とめっき成分(例えばZn)との相互拡散が阻害され、鋼とめっきとの密着性に影響を及ぼし、めっき性が不十分となる(例えば不めっき部が増加する)場合がある。よって、めっき性を向上させる観点からは、外部酸化層が形成された鋼板よりも内部酸化層が形成された鋼板の方が好ましい。
内部酸化層に関連して、特許文献1及び2には、C、Si及びMn等を含む素地鋼板上に亜鉛系めっき層を有するめっき鋼板であって、素地鋼板の表層にSi及び/又はMnの酸化物を含む内部酸化層を有する、引張強度が980MPa以上の高強度めっき鋼板が記載されている。
特開2016-130357号公報 特開2018-193614号公報
自動車用部材等に用いられる高強度鋼板は、気温や湿度が大きく変動する大気腐食環境下で使用されることがある。高強度鋼板がこのような大気腐食環境にさらされると、腐食過程で生成される水素が鋼中に侵入することが知られている。鋼中に侵入した水素は、鋼組織のマルテンサイト粒界に偏析し、粒界を脆化させることで鋼板に割れを生じさせ得る。この侵入水素起因で割れが生じる現象は水素脆化割れ(遅れ破壊)と呼ばれる。したがって、水素脆化割れを防止するために、腐食環境下で使用される鋼板においては、腐食環境下での鋼板内部への水素侵入を抑制すること、さらに、鋼板内部へ侵入した水素を系外に排出することが有効である。
特許文献1及び2では、内部酸化層の平均深さを4μm以上に厚く制御し、当該内部酸化層を水素のトラップサイトとして機能させることで、水素の侵入を防ぎ水素脆化を抑制できることが教示されている。しかしながら、上記内部酸化層に存在する酸化物の形態の制御については何ら検討されておらず、耐水素脆化性については改善の余地がある。
本発明は、このような実情に鑑み、高いめっき性及び耐水素脆化性を有する高強度鋼板及びめっき鋼板を提供することを課題とするものである。
本発明者らは、上記課題を解決するためには、酸化物を鋼板の表層、すなわち鋼板の内部に形成し、さらに、鋼板の表層に存在する酸化物の形態を制御するとともに、このような酸化物の形成に起因して鋼板の表層に生成されるSi-Mn欠乏層を所定の厚さ及び組成の範囲内に制御することが重要であることを見出した。より詳細には、本発明者らは、内部酸化物を形成することで高いめっき性を確保し、かつ、酸化物の形態として金属組織の結晶粒内に存在するデンドライト型酸化物を十分に形成し、当該デンドライト型酸化物を腐食環境下で鋼板中に侵入し得る水素のトラップサイトとして機能させて鋼内部への水素侵入を抑制し、さらには鋼板の表層に所定の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層を形成することにより鋼中の水素拡散を促進させて鋼中からの水素排出性を向上させることで、全体として高い耐水素脆化性を得ることができることを見出した。
本発明は、上記知見を基になされたものであり、その主旨は以下のとおりである。
(1)
質量%で、
C:0.05~0.40%、
Si:0.2~3.0%、
Mn:0.1~5.0%、
sol.Al:0~0.4000%未満、
P:0.0300%以下、
S:0.0300%以下、
N:0.0100%以下、
B:0~0.010%、
Ti:0~0.150%、
Nb:0~0.150%、
V:0~0.150%、
Cr:0~2.00%、
Ni:0~2.00%、
Cu:0~2.00%、
Mo:0~1.00%、
W:0~1.00%、
Ca:0~0.100%、
Mg:0~0.100%、
Zr:0~0.100%、
Hf:0~0.100%、及び
REM:0~0.100%を含有し、残部がFe及び不純物からなる成分組成を有する鋼板において、
前記鋼板の表層にデンドライト型酸化物を含み、
前記デンドライト型酸化物の面積率が5.0%以上であり、
前記鋼板の表面から3.0μm以上の厚さを有するSi-Mn欠乏層を含み、
前記厚さの1/2位置における酸化物を含まない前記Si-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ前記鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満である、鋼板。
(2)
前記デンドライト型酸化物の面積率が10.0%以上である、(1)に記載の鋼板。
(3)
前記デンドライト型酸化物の面積率が30.0%以上である、(1)に記載の鋼板。
(4)
前記デンドライト型酸化物の面積率が50.0%以上である、(1)に記載の鋼板。
(5)
(1)~(4)のいずれか1つに記載の鋼板上にZnを含むめっき層を有する、めっき鋼板。
(6)
前記めっき層がZn-(0.3~1.5)%Alの成分組成を有する、(5)に記載のめっき鋼板。
本発明によれば、鋼板の表層にデンドライト型酸化物を所定の面積率で含み、さらには所定の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層を含むことで、デンドライト型酸化物が腐食環境下で鋼板の内部に侵入する水素のトラップサイトとして機能し、かつSi-Mn欠乏層が水素の拡散を促進して鋼中からの水素排出性を向上させることが可能となり、その結果、鋼板の内部まで侵入する水素量を大きく抑制するとともに、侵入した水素を放出させ、鋼中に蓄積する水素量を低減することができ、耐水素脆化性を大きく向上させることができる。また、本発明によれば、デンドライト型酸化物は鋼板の内部に形成されるため、めっき層を形成する場合、鋼成分とめっきの成分との相互拡散が十分になされ、高いめっき性を得ることが可能となる。よって、本発明により、高強度鋼板において、高いめっき性及び耐水素脆化性を得ることが可能となる。
外部酸化層を有する鋼板の断面についての概略図を示す。 本発明に係る例示の鋼板の断面についての概略図を示す。
<鋼板>
本発明に係る鋼板は、質量%で、
C:0.05~0.40%、
Si:0.2~3.0%、
Mn:0.1~5.0%、
sol.Al:0~0.4000%未満、
P:0.0300%以下、
S:0.0300%以下、
N:0.0100%以下、
B:0~0.010%、
Ti:0~0.150%、
Nb:0~0.150%、
V:0~0.150%、
Cr:0~2.00%、
Ni:0~2.00%、
Cu:0~2.00%、
Mo:0~1.00%、
W:0~1.00%、
Ca:0~0.100%、
Mg:0~0.100%、
Zr:0~0.100%、
Hf:0~0.100%、及び
REM:0~0.100%を含有し、残部がFe及び不純物からなる成分組成を有する鋼板において、
前記鋼板の表層にデンドライト型酸化物を含み、
前記デンドライト型酸化物の面積率が5.0%以上であり、
前記鋼板の表面から3.0μm以上の厚さを有するSi-Mn欠乏層を含み、
前記厚さの1/2位置における酸化物を含まない前記Si-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ前記鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満であることを特徴としている。
高強度鋼板の製造においては、所定の成分組成に調整した鋼片を圧延(典型的に熱間圧延及び冷間圧延)した後、所望の組織を得る等の目的のために、一般的に焼鈍処理が行われる。この焼鈍処理において、鋼板中の比較的酸化しやすい成分(例えばSi、Mn)が焼鈍雰囲気中の酸素と結合することで、鋼板の表面近傍に酸化物を含む層が形成される。例えば、図1に示される鋼板1のように、母材鋼3の表面上(すなわち母材鋼3の外部)に外部酸化層2が膜状に形成される。外部酸化層2が母材鋼3の表面上に膜状に形成されると、めっき層(例えば亜鉛系めっき層)を形成した場合に、当該外部酸化層2が、めっき成分(例えばZn)と鋼成分(例えばFe)との相互拡散を阻害するため、鋼とめっきとの間の密着性が十分確保できず、めっき層が形成されない不めっき部が生じる場合がある。
これに対して、図2に例示されるように、本発明に係る鋼板11は、図1に示される鋼板1のように母材鋼3の表面上に外部酸化層2を形成するのではなく、母材鋼13の内部に酸化物12が存在している。したがって、鋼板11の表面上にめっき層を形成した場合に、母材鋼13の内部に酸化物12を形成した本発明に係る鋼板11は、外部酸化層2を有する鋼板1に比べて、めっき成分と鋼成分との相互拡散が十分に生じ、高いめっき性を得ることが可能となる。よって、本発明者らは、高いめっき性を得る観点から、焼鈍処理時の条件を制御して鋼板の内部に酸化物を形成することが有効であることを見出した。なお、「高いめっき性」という用語は、鋼板について用いられる場合、当該鋼板上にめっき処理を施した際に不めっき部(めっき層が形成されない部分)が少ない(例えば5.0面積%以下)又は全くない状態でめっき層を形成可能であることを示す。また、「高いめっき性」という用語は、めっき鋼板について用いられる場合、不めっき部が極めて少ない(例えば5.0%以下)又は全くない状態のめっき鋼板を示す。
また、大気環境で使用される高強度鋼板、特に自動車用高強度鋼板は、気温や湿度が異なる様々な環境に繰り返し曝されて使用される。このような環境は大気腐食環境と呼ばれ、当該大気腐食環境下では、腐食過程において水素が発生することが知られている。そして、この水素は鋼中の表層領域より深くに侵入して、鋼板組織のマルテンサイト粒界に偏析し、粒界を脆化させることで鋼板に水素脆化割れ(遅れ破壊)を引き起こす。マルテンサイトは硬質組織であるため、水素感受性が高く、水素脆化割れが発生しやすい。したがって、水素脆化割れを防止するために、大気腐食環境下で使用される高強度鋼板においては、鋼中の水素蓄積量、より具体的には鋼板の表層領域より深い位置での水素蓄積量を低減することが有効である。本発明者らは、鋼板の表層に存在する酸化物の形態を制御すること、より具体的には、酸化物を所定の面積率を有するデンドライト型酸化物にすること、さらにはデンドライト型酸化物の形成に起因して周囲のSi及びMn濃度が低下することにより生成するSi-Mn欠乏層を所定の厚さ及び組成の範囲内に制御することで、デンドライト型酸化物が、腐食環境下で鋼板の内部に侵入する水素をトラップする機能を発揮し、かつSi-Mn欠乏層が侵入した水素の拡散を促進させて鋼中からの水素排出性を向上させ、その結果、鋼板の内部に蓄積する水素量を抑制し、高い耐水素脆化性が得られることを見出した。
より詳細には、本発明者らは、酸化物の形態と水素のトラップサイトとしての有効性との間の関係を詳細に分析した結果、図2に示すように、母材鋼13の結晶粒内にデンドライト型酸化物12を一定以上の面積率、より具体的には5.0%以上の面積率で存在させることが有効であることを見出した。特定の理論に拘束されるわけではないが、鋼板中の酸化物が有する侵入水素に対するトラップ機能は、当該酸化物の表面積と正の相関があると考えられる。すなわち、酸化物が鋼板の表層で適切な量において存在することで、鋼板の表層での酸化物の表面積が増加し、水素のトラップ機能が向上すると考えられる。よって、本発明者らは、高い耐水素侵入性を得る観点から、鋼板の製造時、特に焼鈍処理時の条件を制御して、腐食環境下で侵入する水素のトラップサイトとして機能するデンドライト型酸化物を適切な量で存在させることが重要であることを見出した。なお、鋼板の表層の金属組織は、典型的に、鋼板の内部(例えば板厚の1/8位置又は1/4位置)より軟質な金属組織で構成されるため、鋼板の表層に水素が存在していても水素脆化割れは特に問題とならない。
また、本発明者らは、図2に示すようなデンドライト型酸化物12などの内部酸化物の形成に起因して周囲のSi及びMn濃度が低下することで生成するSi-Mn欠乏層の形態と水素排出性との間の関係を詳細に分析した結果、当該Si-Mn欠乏層を所定の厚さ及び組成の範囲内、より具体的にはSi-Mn欠乏層の厚さが鋼板の表面から3.0μm以上でありかつ当該厚さの1/2位置における酸化物を含まないSi-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満となるように制御することが有効であることを見出した(以下、これらの値をSi欠乏率及びMn欠乏率ともいう)。特定の理論に拘束されるわけではないが、Si及び/又はMnを多く含む鋼の場合、鋼中に固溶するSi及び/又はMnも同様に多くなるため、これらの固溶Si及び/又はMnが水素の拡散を阻害し、結果として鋼中の水素拡散速度が遅くなると考えられる。図2に示すように、デンドライト型酸化物12などの内部酸化物が鋼板の表層に形成されると、鋼中に固溶していたSi及びMnが内部酸化物の形成で消費されることになるため、鋼板の表層には、内部酸化物の形成とともに、周囲のSi及びMn濃度が比較的低下したSi-Mn欠乏層が生成することになる。したがって、当該Si-Mn欠乏層を比較的厚くすること、具体的には当該Si-Mn欠乏層の厚さを鋼板の表面(鋼板の表面にめっき層が存在する場合には、めっき層と鋼板の界面)から3.0μm以上に制御することで水素の拡散経路を十分に確保しつつ、さらにSi-Mn欠乏層のSi及びMn含有量を十分低くすること、具体的にはSi及びMn欠乏率がそれぞれ10%未満となるよう制御することで、水素の拡散を阻害する固溶Si及びMnの量を十分に低減することができるものと考えられる。したがって、厚さ及び組成が上記の範囲内に制御されたSi-Mn欠乏層を含めることで、水素の拡散を促進して鋼中からの水素排出性を顕著に向上させることが可能になると考えられる。よって、上述したデンドライト型酸化物と当該Si-Mn欠乏層を組み合わせることで、耐水素侵入性と水素排出性の両方を向上させることにより、鋼板全体としての耐水素脆化性を極めて大きく向上させることが可能となる。
また、水素脆化割れは、上で説明したような高強度鋼板を大気腐食環境下で使用した場合だけでなく、当該高強度鋼板を製造する際の焼鈍処理において焼鈍雰囲気中に存在する水素が母材鋼の表層領域よりも深く侵入することで生じる場合があることも知られている。今回、本発明者らは、上記のデンドライト型酸化物及びSi-Mn欠乏層の組み合わせが、腐食環境下での使用に対してだけでなく、製造プロセスにおける焼鈍処理時の鋼板中への水素の侵入抑制及び侵入した水素の排出に対しても有効に作用し、結果として鋼板の製造時及び使用時の両方において高い耐水素脆化性を達成できることを見出した。
以下、本発明に係る鋼板について詳しく説明する。なお、本発明に係る鋼板の板厚は、特に限定されないが、例えば、0.1~3.2mmであってよい。
[鋼板の成分組成]
本発明に係る鋼板に含まれる成分組成について説明する。元素の含有量に関する「%」は、特に断りがない限り、「質量%」を意味する。成分組成における数値範囲において、「~」を用いて表される数値範囲は、特に指定しない限り、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
(C:0.05~0.40%)
C(炭素)は、鋼の強度を確保する上で重要な元素である。十分な強度を確保するために、C含有量は0.05%以上とする。C含有量は、好ましくは0.07%以上、より好ましくは0.10%以上、さらに好ましくは0.12%以上である。一方、C含有量が過剰であると、溶接性が低下するおそれがある。したがって、C含有量は0.40%以下とする。C含有量は、0.38%以下、0.35%以下、0.32%以下又は0.30%以下であってもよい。
(Si:0.2~3.0%)
Si(ケイ素)は、鋼の強度を向上させるのに有効な元素である。十分な強度を確保し、さらに、所望の酸化物、特にデンドライト型酸化物を鋼板の内部に十分に生成させるために、Si含有量は0.2%以上とする。Si含有量は、好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.5%以上、さらに好ましくは1.0%以上である。一方、Si含有量が過剰であると、外部酸化物が過剰に生成し、ひいては表面性状の劣化を引き起こすおそれがある。したがって、Si含有量は3.0%以下とする。Si含有量は、2.8%以下、2.5%以下、2.3%以下又は2.0%以下であってもよい。
(Mn:0.1~5.0%)
Mn(マンガン)は、硬質組織を得ることで鋼の強度を向上させるのに有効な元素である。十分な強度を確保し、さらに、所望の酸化物、特にデンドライト型酸化物を鋼板の内部に十分に生成させるために、Mn含有量は0.1%以上とする。Mn含有量は、好ましくは0.5%以上、より好ましくは1.0%以上、さらに好ましくは1.5%以上である。一方、Mn含有量が過剰であると、外部酸化物が過剰に生成したり、Mn偏析によって金属組織が不均一になり、加工性が低下したりするおそれがある。したがって、Mn含有量は5.0%以下とする。Mn含有量は、4.5%以下、4.0%以下、3.5%以下又は3.0%以下であってもよい。
(sol.Al:0~0.4000%未満)
Al(アルミニウム)は、脱酸元素として作用する元素である。Al含有量は0%でもよいが、十分な脱酸の効果を得るためには、Al含有量は0.0010%以上であることが好ましい。Al含有量は、より好ましくは0.0050%以上、さらに好ましくは0.0100%以上、さらにより好ましくは0.0150%以上である。一方、Al含有量が過剰であると加工性の低下や表面性状の劣化を引き起こすおそれがある。したがって、Al含有量は0.4000%未満とする。Al含有量は、0.3900%以下、0.3800%以下、0.3700%以下、0.3500%以下、0.3400%以下、0.3300%以下、0.3000%以下又は0.2000%以下であってもよい。Al含有量は、いわゆる酸可溶Alの含有量(sol.Al)を意味する。
(P:0.0300%以下)
P(リン)は、一般に鋼に含有される不純物である。Pを過度に含有すると溶接性が低下するおそれがある。したがって、P含有量は0.0300%以下とする。P含有量は、好ましくは0.0200%以下、より好ましくは0.0100%以下、さらに好ましくは0.0050%以下である。P含有量の下限は0%であるが、製造コストの観点から、P含有量は0%超又は0.0001%以上であってもよい。
(S:0.0300%以下)
S(硫黄)は、一般に鋼に含有される不純物である。Sを過度に含有すると溶接性が低下し、さらに、MnSの析出量が増加して曲げ性等の加工性が低下するおそれがある。したがって、S含有量は0.0300%以下とする。S含有量は、好ましくは0.0100%以下、より好ましくは0.0050%以下、さらに好ましくは0.0020%以下である。S含有量の下限は0%であるが、脱硫コストの観点から、S含有量は0%超又は0.0001%以上であってもよい。
(N:0.0100%以下)
N(窒素)は、一般に鋼に含有される不純物である。Nを過度に含有すると溶接性が低下するおそれがある。したがって、N含有量は0.0100%以下とする。N含有量は、好ましくは0.0080%以下、より好ましくは0.0050%以下、さらに好ましくは0.0030%以下である。N含有量の下限は0%であるが、製造コストの観点からN含有量は0%超又は0.0010%以上であってもよい。
本発明に係る鋼板の基本成分組成は上記のとおりである。さらに当該鋼板は、必要に応じて、以下の任意元素を含有していてもよい。これらの元素の含有は必須ではなく、これらの元素の含有量の下限は0%である。
(B:0~0.010%)
B(ホウ素)は、焼入れ性を高めて強度の向上に寄与し、また粒界に偏析して粒界を強化して靭性を向上させる元素である。B含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。B含有量は、0.0001%以上、0.0005%以上又は0.001%以上であってもよい。一方、十分な靭性及び溶接性を確保する観点から、B含有量は0.010%以下であることが好ましく、0.008%以下又は0.006%以下であってもよい。
(Ti:0~0.150%)
Ti(チタン)は、TiCとして鋼の冷却中に析出し、強度の向上に寄与する元素である。Ti含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Ti含有量は、0.001%以上、0.003%以上、0.005%以上又は0.010%以上であってもよい。一方、Tiを過剰に含有すると粗大なTiNが生成して靭性が損なわれるおそれがある。このため、Ti含有量は0.150%以下であることが好ましく、0.100%以下又は0.050%以下であってもよい。
(Nb:0~0.150%)
Nb(ニオブ)は焼入れ性の向上を通じて強度の向上に寄与する元素である。Nb含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Nb含有量は、0.001%以上、0.005%以上、0.010%以上又は0.015%以上であってもよい。一方、十分な靭性及び溶接性を確保する観点から、Nb含有量は、0.150%以下であることが好ましく、0.100%以下又は0.060%以下であってもよい。
(V:0~0.150%)
V(バナジウム)は焼入れ性の向上を通じて強度の向上に寄与する元素である。V含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。V含有量は、0.001%以上、0.010%以上、0.020%以上又は0.030%以上であってもよい。一方、十分な靭性及び溶接性を確保する観点から、V含有量は、0.150%以下であることが好ましく、0.100%以下又は0.060%以下であってもよい。
(Cr:0~2.00%)
Cr(クロム)は、鋼の焼入れ性を高めて、鋼の強度を高めるのに有効である。Cr含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Cr含有量は、0.01%以上、0.10%以上、0.20%以上、0.50%以上又は0.80%以上であってもよい。一方、Crを過剰に含有するとCr炭化物が多量に形成し、逆に焼入れ性が損なわれるおそれがある。このため、Cr含有量は2.00%以下であることが好ましく、1.80%以下又は1.50%以下であってもよい。
(Ni:0~2.00%)
Ni(ニッケル)は、鋼の焼入れ性を高めて、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。Ni含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Ni含有量は、0.01%以上、0.10%以上、0.20%以上、0.50%以上又は0.80%以上であってもよい。一方、Niの過剰な添加はコストの上昇を招く。このため、Ni含有量は2.00%以下であることが好ましく、1.80%以下又は1.50%以下であってもよい。
(Cu:0~2.00%)
Cu(銅)は、鋼の焼入れ性を高めて、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。Cu含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Cu含有量は、0.001%以上、0.005%以上又は0.01%以上であってもよい。一方、靭性低下や鋳造後のスラブの割れや溶接性の低下を抑制する観点から、Cu含有量は2.00%以下であることが好ましく、1.80%以下、1.50%以下又は1.00%以下であってもよい。
(Mo:0~1.00%)
Mo(モリブデン)は、鋼の焼入れ性を高めて、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。Mo含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Mo含有量は、0.01%以上、0.10%以上、0.20%以上又は0.30%以上であってもよい。一方、靭性と溶接性の低下を抑制する観点から、Mo含有量は1.00%以下であることが好ましく、0.90%以下又は0.80%以下であってもよい。
(W:0~1.00%)
W(タングステン)は、鋼の焼入れ性を高めて、鋼の強度を高めるのに有効な元素である。W含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。W含有量は、0.001%以上、0.005%以上又は0.01%以上であってもよい。一方、靭性と溶接性の低下を抑制する観点から、W含有量は1.00%以下であることが好ましく、0.90%以下、0.80%以下、0.50%以下又は0.10%以下であってもよい。
(Ca:0~0.100%)
Ca(カルシウム)は、介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、靭性を高める作用を有する元素である。Ca含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Ca含有量は、0.0001%以上、0.0005%以上又は0.001%以上であってもよい。一方、Caを過剰に含有すると表面性状の劣化が顕在化する場合がある。このため、Ca含有量は0.100%以下であることが好ましく、0.080%以下、0.050%以下、0.010%以下又は0.005%以下であってもよい。
(Mg:0~0.100%)
Mg(マグネシウム)は、介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、靭性を高める作用を有する元素である。Mg含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Mg含有量は、0.0001%以上、0.0005%以上又は0.001%以上であってもよい。一方、Mgを過剰に含有すると表面性状の劣化が顕在化する場合がある。このため、Mg含有量は0.100%以下であることが好ましく、0.090%以下、0.080%以下、0.050%以下又は0.010%以下であってもよい。
(Zr:0~0.100%)
Zr(ジルコニウム)は、介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、靭性を高める作用を有する元素である。Zr含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Zr含有量は、0.001%以上、0.005%以上又は0.010%以上であってもよい。一方、Zrを過剰に含有すると表面性状の劣化が顕在化する場合がある。このため、Zr含有量は0.100%以下であることが好ましく、0.050%以下、0.040%以下又は0.030%以下であってもよい。
(Hf:0~0.100%)
Hf(ハフニウム)は、介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、靭性を高める作用を有する元素である。Hf含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。Hf含有量は、0.0001%以上、0.0005%以上又は0.001%以上であってもよい。一方、Hfを過剰に含有すると表面性状の劣化が顕在化する場合がある。このため、Hf含有量は0.100%以下であることが好ましく、0.050%以下、0.030%以下又は0.010%以下であってもよい。
(REM:0~0.100%)
REM(希土類元素)は、介在物制御、特に介在物の微細分散化に寄与し、靭性を高める作用を有する元素である。REM含有量は0%であってよいが、上記効果を得るため、必要に応じて含有していてもよい。REM含有量は、0.0001%以上、0.0005%以上又は0.001%以上であってもよい。一方、REMを過剰に含有すると表面性状の劣化が顕在化する場合がある。このため、REM含有量は0.100%以下であることが好ましく、0.050%以下、0.030%以下又は0.010%以下であってもよい。なお、REMとは、Rare Earth Metalの略であり、ランタノイド系列に属する元素をいう。REMは通常ミッシュメタルとして添加される。
本発明に係る鋼板において、上記成分組成以外の残部は、Fe及び不純物からなる。ここで、不純物とは、鋼板を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分等である。
本発明において、鋼板の成分組成の分析は、当業者に公知の元素分析法を用いればよく、例えば、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS法)により行われる。ただし、C及びSについては燃焼-赤外線吸収法を用い、Nについては不活性ガス融解-熱伝導度法を用いて測定するとよい。これらの分析は、鋼板をJIS G0417:1999に準拠した方法で採取したサンプルで行えばよい。
[表層]
本発明において、鋼板の「表層」とは、鋼板の表面(めっき鋼板の場合は鋼板とめっき層の界面)から板厚方向に所定の深さまでの領域を意味し、「所定の深さ」は典型的には50μm以下である。
図2に例示されるように、本発明に係る鋼板11は、当該鋼板11の表層にデンドライト型酸化物12を含む。このデンドライト型酸化物12が母材鋼13の内部に存在する(すなわち内部酸化物として存在する)ことにより、図1に示される母材鋼3の表面上に外部酸化層2が存在する場合に比べ、鋼板11が高いめっき性を有することが可能となる。これは、内部酸化物の形成に関連して、めっき(例えばZn系めっき)を鋼板の表面上に形成する際にめっき成分と鋼成分との相互拡散を阻害する外部酸化層が存在しないか又は十分に薄い厚さでしか存在しないために、めっき成分と鋼成分との相互拡散が十分になされた結果と考えられる。したがって、鋼板の表層、すなわち鋼板の内部にデンドライト型酸化物を含む本発明に係る鋼板及びめっき鋼板は、高いめっき性を有する。
[デンドライト型酸化物]
本発明において、「デンドライト型酸化物」とは、鋼内部における結晶粒内にデンドライト状に存在する酸化物をいう。ここでいう結晶粒内とは電子線後方散乱回折(EBSD)測定において結晶方位差が10°未満であるものをいう。また、「デンドライト状」とは、主枝(一次アーム)から枝部分(二次アーム)が針状又は葉状に複数に枝分かれして三次元的に成長してなる樹枝状の形状をいい、例えば、0.5~5.0μmの長さの一次アームから50~300nmの長さの二次アームが成長していることをいう。一次アームは、1.0~5.0μmの長さであると好ましく、2.0~5.0μmの長さであるとより好ましい。二次アームは、70~250nmの長さであると好ましく、100~250nmの長さであるとより好ましい。一次アーム及び二次アームの長さは、鋼板の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することで測定することができる。実際には、デンドライト型酸化物は鋼板結晶粒内において、典型的に樹枝状に三次元的に存在しているため、鋼板の表層の断面を観察した場合は、当該デンドライト型酸化物は、典型的に、一本の一次アームから両側に複数の二次アームが枝分かれした形状か、又は、二次アームのみが点状にほぼ等しい間隔で(例えば隣り合う各点の間隔の差が10%以下)略直線的に存在する形状として観察される。図2においては、例として、一本の一次アームから両側に複数の二次アームが枝分かれした形状として観察されたデンドライト型酸化物12と、二次アームのみが点状に略直線的に存在する形状として観察されたデンドライト型酸化物12が示される。特定の実施形態において、本発明におけるデンドライト型酸化物は、例えば、鋼板の表面から8μm未満、7μm未満又は6μm未満までの領域にのみ存在する場合がある。別の特定の実施形態において、デンドライト型酸化物は、鋼板の表面から1μm以上8μm未満、2μm以上8μm未満、又は3μm以上8μm未満の領域にのみ存在する場合がある。
(面積率)
本発明において、デンドライト型酸化物の面積率は5.0%以上である。デンドライト型酸化物の面積率をこのような範囲に制御することで、鋼板内部の結晶粒内にデンドライト型酸化物を十分な量で存在させることができ、デンドライト型酸化物が腐食環境下での水素侵入を抑制する水素のトラップサイトとして良好に機能する。一方、デンドライト型酸化物の面積率が5.0%未満であると、水素のトラップサイトとして機能するには量が十分でなく、腐食環境下での水素侵入を十分に抑制できず、良好な耐水素侵入性ひいては良好な耐水素脆化性を得られないおそれがある。デンドライト型酸化物の面積率は、好ましくは10.0%以上又は20.0%以上、より好ましくは30.0%以上、さらに好ましくは50.0%以上である。デンドライト型酸化物は多量に存在するほど好ましいため、デンドライト型酸化物の面積率は、上限は特に限定されないが、例えば70.0%以下又は60.0%以下であってもよい。
デンドライト型酸化物の面積率は走査型電子顕微鏡(SEM)で測定される。具体的な測定は、以下のとおりである。鋼板の表層の断面をSEMにより観察し、例えば図2のようなデンドライト型酸化物を含むSEM画像を得る。当該SEM画像から観察領域として、1.0μm(深さ方向)×1.0μm(幅方向)の領域を合計10箇所選択する。各領域の観察位置としては、深さ方向(鋼板の表面と垂直な方向)については、鋼板表面から0.5μm~5.0μmまでの深さの領域のうちの1.0μmとし、幅方向(鋼板の表面と平行な方向)については、上記SEM画像の任意の位置の1.0μmとする。次いで、上記のように選択した各領域のSEM画像を抽出し、酸化物部分と鋼部分とを分けるために二値化し、各二値化像からデンドライト型酸化物部分の総面積を算出する。こうして求めた10箇所の領域の合計のデンドライト型酸化物の総面積を10箇所の領域の総面積(10μm2)で割ることによって、本発明における「デンドライト型の面積率」を求める。なお、上記の観察領域としては、デンドライト型でない酸化物を当該領域内に含むものは選択しない。
[酸化物の成分組成]
本発明において、デンドライト型酸化物(以下、単に酸化物ともいう)は、酸素に加え、上述した鋼板中に含まれる元素のうち1種又は2種以上を含むものであって、典型的に、Si、O及びFeを含み、場合によりさらにMnを含む成分組成を有する。より具体的には、酸化物は、典型的にSi:5~25%、Mn:0~10%、O:40~65%、及びFe:10~30%を含む。当該酸化物は、これらの元素以外にも上述した鋼板に含まれ得る元素(例えばCrなど)を含んでもよい。
[Si-Mn欠乏層]
本発明に係る鋼板は、当該鋼板の表面から3.0μm以上の厚さを有するSi-Mn欠乏層を含み、当該厚さの1/2位置における酸化物を含まないSi-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満である。デンドライト型酸化物の形成に起因して鋼板の表層に生成されるSi-Mn欠乏層を3.0μm以上の厚さとし、当該Si-Mn欠乏層のSi及びMn欠乏率をそれぞれ10%未満に制御することで、水素の拡散を阻害する固溶Si及びMnの量を十分に低減することができ、その結果として水素の拡散を促進して鋼中からの水素排出性を顕著に向上させることが可能となる。Si-Mn欠乏層の厚さを大きくすることで鋼中からの水素の拡散をより促進させることができるため、Si-Mn欠乏層の厚さは、好ましくは4.0μm以上、より好ましくは5.0μm以上、最も好ましくは7.0μm以上である。Si-Mn欠乏層の厚さの上限は特に限定されないが、例えばSi-Mn欠乏層の厚さは50.0μm以下であってよい。
同様に、Si-Mn欠乏層のSi及びMn欠乏率をより小さくすることで鋼中の固溶Si及びMnの量をさらに低減することができる。このため、Si-Mn欠乏層のSi欠乏率は、好ましくは8%以下、より好ましくは6%以下、最も好ましくは4%以下である。Si欠乏率の下限値は、特に限定されないが0%であってもよい。同様に、Si-Mn欠乏層のMn欠乏率は、好ましくは8%以下、より好ましくは6%以下、最も好ましくは4%以下である。Mn欠乏率の下限値は、特に限定されないが0%であってもよい。本発明において、「酸化物を含まない」との表現は、上記のデンドライト型酸化物だけでなく、他のいかなる酸化物も含まないことを意味するものであり、このような酸化物を含まない領域はSEMによる断面観察及びエネルギー分散型X線分光器(EDS)により特定することが可能である。また、本発明に係るSi-Mn欠乏層は、デンドライト型酸化物等の内部酸化物を単に形成しただけでは所望の厚さ及び組成の範囲に制御することはできず、後で詳しく説明するように、製造プロセスにおいて内部酸化の進行を適切に制御することが重要となる。
Si-Mn欠乏層の厚さは、図2中のDで示されるように、鋼板11の表面(めっき鋼板の場合は鋼板とめっき層の界面)から鋼板11の板厚方向(鋼板の表面に垂直な方向)に進んだ場合における鋼板11の表面からデンドライト型酸化物12が存在する最も遠い位置までの距離をいう。Si-Mn欠乏層の厚さは、上述のデンドライト型酸化物の面積率を測定したSEM画像と同一の画像から求めればよい。また、Si-Mn欠乏層の厚さの1/2位置における酸化物を含まない領域のSi及びMn含有量は、上記SEM画像から決定されたSi-Mn欠乏層の厚さの1/2位置において無作為に選択された酸化物を含まない10箇所の点をエネルギー分散型X線分光器付き透過型電子顕微鏡(TEM-EDS)を用いて分析し、得られたSi及びMn濃度の測定値を算術平均することによって決定される。また、鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量は、当該板厚中心部の断面をSEMで観察し、そのSEM画像から板厚中心部において無作為に選択された10箇所の点をエネルギー分散型X線分光器付き透過型電子顕微鏡(TEM-EDS)を用いて分析し、得られたSi及びMn濃度の測定値を算術平均することによって決定される。最後に、Si-Mn欠乏層の厚さの1/2位置におけるSi及びMn含有量をそれぞれ鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量で除したものを百分率で表現した値がSi及びMn欠乏率として決定される。
<めっき鋼板>
本発明に係るめっき鋼板は、上述した本発明に係る鋼板上にZnを含むめっき層を有する。このめっき層は鋼板の片面に形成されていても、両面に形成されていてもよい。Znを含むめっき層としては、例えば、溶融亜鉛めっき層、合金化溶融亜鉛めっき層、電気亜鉛めっき層、電気合金亜鉛めっき層などが挙げられる。より具体的には、めっき種としては、例えば、Zn-0.2%Al(GI)、Zn-(0.3~1.5)%Al、Zn-4.5%Al、Zn-0.09%Al-10%Fe(GA)、Zn-1.5%Al-1.5%Mg、Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si、Zn-11%Ni、又はZn-15%Mgなどを用いることができる。
[めっき層の成分組成]
本発明におけるZnを含むめっき層に含まれる成分組成について説明する。元素の含有量に関する「%」は、特に断りがない限り、「質量%」を意味する。めっき層についての成分組成における数値範囲において、「~」を用いて表される数値範囲は、特に指定しない限り、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
(Al:0~60.0%)
Alは、Znと共に含まれるか又は合金化することでめっき層の耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有していてもよい。したがって、Al含有量は0%であってもよい。ZnとAlとを含むめっき層を形成するために、Al含有量は0.01%以上であることが好ましく、例えば、0.1%以上、0.5%以上、1.0%以上、又は3.0%以上であってよい。一方、Alを過度に含有しても耐食性を向上させる効果が飽和するため、Al含有量は、60.0%以下であることが好ましく、例えば、55.0%以下、50.0%以下、40.0%以下、30.0%以下、20.0%以下、10.0%以下、又は5.0%以下であってよい。
(Mg:0~15.0%)
Mgは、Zn及びAlと共に含まれるか又は合金化することでめっき層の耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有していてもよい。したがって、Mg含有量は0%であってもよい。ZnとAlとMgとを含むめっき層を形成するために、Mg含有量は0.01%以上であることが好ましく、例えば、0.1%以上、0.5%以上、1.0%以上、又は3.0%以上であってよい。一方、Mgを過度に含有すると、めっき浴中にMgが溶解しきれずに酸化物として浮遊し、このめっき浴で亜鉛めっきするとめっき表層に酸化物が付着して外観不良を起こし、あるいは、不めっき部が発生するおそれがある。このため、Mg含有量は、15.0%以下であることが好ましく、例えば、10.0%以下、5.0%以下であってよい。
(Fe:0~15.0%)
Feは、鋼板上にZnを含むめっき層を形成した後にめっき鋼板を熱処理した場合に鋼板から拡散することでめっき層中に含まれ得る。したがって、熱処理がされていない状態においては、Feはめっき層中に含まれないため、Fe含有量は0%であってもよい。また、Fe含有量は、1.0%以上、2.0%以上、3.0%以上、4.0%以上又は5.0%以上であってもよい。一方、Fe含有量は、15.0%以下であることが好ましく、例えば、12.0%以下、10.0%以下、8.0%以下又は6.0%以下であってもよい。
(Si:0~3.0%)
Siは、Znを含むめっき層、特にZn-Al-Mgめっき層に含まれるとさらに耐食性を向上させる元素であるため、必要に応じて含有していてもよい。したがって、Si含有量は0%であってもよい。耐食性向上の観点から、Si含有量は、例えば、0.005%以上、0.01%以上、0.05%以上、0.1%以上又は0.5%以上であってもよい。また、Si含有量は、3.0%以下、2.5%以下、2.0%以下、1.5%以下又は1.2%以下であってもよい。
めっき層の基本の成分組成は上記のとおりである。さらに、めっき層は、任意選択で、Sb:0~0.50%、Pb:0~0.50%、Cu:0~1.00%、Sn:0~1.00%、Ti:0~1.00%、Sr:0~0.50%、Cr:0~1.00%、Ni:0~1.00%、及びMn:0~1.00%のうち1種又は2種以上を含有してもよい。特に限定されないが、めっき層を構成する上記基本成分の作用及び機能を十分に発揮させる観点から、これらの任意添加元素の合計含有量は5.00%以下とすることが好ましく、2.00%以下とすることがより好ましい。
めっき層において上記成分以外の残部はZn及び不純物からなる。めっき層における不純物とは、めっき層を製造する際に、原料を始めとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分等である。めっき層においては、不純物として、上で説明した基本成分及び任意添加成分以外の元素が、本発明の効果を妨げない範囲内で微量に含まれていてもよい。
めっき層の成分組成は、鋼板の腐食を抑制するインヒビターを加えた酸溶液にめっき層を溶解し、得られた溶液をICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光法によって測定することにより決定することができる。
めっき層の厚さは、例えば3~50μmであってよい。また、めっき層の付着量は、特に限定されないが、例えば、片面当たり10~170g/m2であってよい。本発明において、めっき層の付着量は、地鉄の腐食を抑制するインヒビターを加えた酸溶液にめっき層を溶解し、酸洗前後の重量変化から決定される。
[引張強度]
本発明に係る鋼板及びめっき鋼板は、高強度を有していることが好ましく、具体的には440MPa以上の引張強度を有することが好ましい。例えば、引張強度は500MPa以上、600MPa以上、700MPa以上、又は800MPa以上であってもよい。引張強度の上限は特に限定されないが、靭性確保の観点から例えば2000MPa以下であればよい。引張強度の測定は、圧延方向に直角な方向を長手方向とするJIS5号引張試験片を採取し、JIS Z 2241(2011)に準拠して行えばよい。
本発明に係る鋼板及びめっき鋼板は、高強度であり、高いめっき性及び耐水素脆化性を有するため、自動車、家電製品、建材等の広い分野において好適に使用することができるが、特に自動車分野で使用されるのが好ましい。自動車用に用いられる鋼板は、通常、めっき処理(典型的にZn系めっき処理)が行われるため、本発明に係る鋼板を自動車用鋼板として使用した場合に、高いめっき性を有するという本発明の効果が好適に発揮される。また、自動車用に用いられる鋼板及びめっき鋼板は大気腐食環境下で使用されることが多く、その場合に当該環境下で発生する水素の侵入に起因する水素脆化割れが顕著に問題になり得る。そのため、本発明に係る鋼板及びめっき鋼板を自動車用鋼板として使用した場合に、高い耐水素脆化性を有するという本発明の効果が好適に発揮される。
<鋼板の製造方法>
以下で、本発明に係る鋼板の好ましい製造方法について説明する。以下の説明は、本発明に係る鋼板を製造するための特徴的な方法の例示を意図するものであって、当該鋼板を以下に説明するような製造方法によって製造されるものに限定することを意図するものではない。
本発明に係る鋼板は、例えば、成分組成を調整した溶鋼を鋳造して鋼片を形成する鋳造工程、鋼片を熱間圧延して熱延鋼板を得る熱延工程、熱延鋼板を巻取る巻取工程、巻取った熱延鋼板を冷間圧延して冷延鋼板を得る冷延工程、冷延鋼板の表面に転位を導入する研削工程、及び研削した冷延鋼板を焼鈍する焼鈍工程を行うことで得ることができる。代替的に、熱延工程後に巻き取らず、酸洗してそのまま冷延工程を行ってもよい。
[鋳造工程]
鋳造工程の条件は特に限定されない。例えば、高炉や電炉等による溶製に引き続き、各種の二次製錬を行い、次いで、通常の連続鋳造、インゴット法による鋳造などの方法で鋳造すればよい。
[熱延工程]
上記のように鋳造した鋼片を熱間圧延して熱延鋼板を得ることができる。熱延工程は、鋳造した鋼片を直接又は一旦冷却した後に再加熱して熱間圧延することにより行われる。再加熱を行う場合には、鋼片の加熱温度は、例えば1100℃~1250℃であればよい。熱延工程においては、通常、粗圧延と仕上圧延とが行われる。各圧延の温度や圧下率は、所望の金属組織や板厚に応じて適宜変更すればよい。例えば仕上げ圧延の終了温度を900~1050℃、仕上圧延の圧下率を10~50%としてもよい。
[巻取工程]
熱延鋼板は所定の温度で巻取ることができる。巻取温度は、所望の金属組織等に応じて適宜変更すればよく、例えば500~800℃であればよい。巻取る前又は巻取った後に巻き戻して、熱延鋼板に所定の熱処理を与えてもよい。代替的に、巻取工程は行わずに熱延工程後に酸洗して後述する冷延工程を行うこともできる。
[冷延工程]
熱延鋼板に酸洗等を行った後、熱延鋼板を冷間圧延して冷延鋼板を得ることができる。冷間圧延の圧下率は、所望の金属組織や板厚に応じて適宜変更すればよく、例えば20~80%であればよい。冷延工程後は、例えば空冷して室温まで冷却すればよい。
[研削工程]
最終的に得られる鋼板の表層においてデンドライト型酸化物を十分に形成させ、さらに所望の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層を形成させるためには、冷延鋼板を焼鈍する前に研削工程を行うことが有効である。当該研削工程により、冷延鋼板の表面に多量の転位を導入することができる。酸素等の拡散は粒内よりも粒界の方が速いため、冷延鋼板の表面に多量の転位を導入することで粒界の場合と同様に多くのパスを形成することができる。このため、焼鈍時に酸素がこれらの転位に沿って鋼の内部まで拡散(侵入)しやすくなり、またSi及びMnの拡散速度も向上するため、結果として酸素が鋼の内部のSi及び/又はMnと結び付いてデンドライト型酸化物を形成するのを促進することが可能となる。また、このような内部酸化物の形成促進に伴い、周囲のSi及びMn濃度の低下も促進されるため、所望の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層の形成も促進させることができる。研削工程は、特に限定されないが、例えば、重研削ブラシを用いて研削量10~200g/m2の条件下で冷延鋼板の表面を研削することにより実施することができる。重研削ブラシによる研削量は、当業者に公知の任意の適切な方法によって調整することができ、特に限定されないが、例えば、重研削ブラシの本数、回転数、ブラシ圧下量、及び使用する塗布液などを適切に選択することによって調整することができる。このような研削工程を実施することで、後述する焼鈍工程において所望のデンドライト型酸化物を形成するとともに、所望の厚さ及び組成すなわち3.0μm以上の厚さを有しかつSi及びMn欠乏率がそれぞれ10%未満となるSi-Mn欠乏層を確実かつ効率的に鋼板の表層に形成することが可能となる。
[焼鈍工程]
上記研削工程を行った冷延鋼板に焼鈍を行う。焼鈍は、冷延鋼板に対して圧延方向に張力をかけた状態で行うのが好ましい。とりわけ、焼鈍温度が500℃以上の領域では、それ以外の領域に比べて張力を高くして焼鈍を行なうことが好ましく、具体的には焼鈍温度が500℃以上の領域では、冷延鋼板に対して圧延方向に3~150MPa、特に15~150MPaの張力をかけた状態で焼鈍を行うのが好ましい。焼鈍時に張力をかけると冷延鋼板の表面に多量の転位をより効果的に導入することが可能となる。したがって、焼鈍時に酸素がこれらの転位に沿って鋼の内部まで拡散(侵入)しやすくなり、またSi及びMnの拡散速度も向上するため、鋼板の内部に酸化物が生成されやすくなる。その結果、所望の面積率のデンドライト型酸化物の形成、並びに所望の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層の形成にとって有利となる。
デンドライト型酸化物を十分な量で生成させる観点から、焼鈍工程の保持温度は700~870℃であることが好ましく、好ましくは740~840℃であることがより好ましい。焼鈍工程の保持温度が700℃未満であると、デンドライト型酸化物が十分に生成されないおそれがあり、耐水素侵入性が不十分になる場合がある。上記保持温度までの昇温速度は、特に限定されないが1~10℃/秒で行えばよい。また、昇温は、1~10℃/秒の第1昇温速度と、当該第1昇温速度とは異なる1~10℃/秒の第2昇温速度とにより、2段階で行ってもよい。
上記保持温度での保持時間は、150秒超~300秒であることが好ましく、200~280秒であることがより好ましい。保持時間が150秒以下であると、デンドライト型酸化物が十分に生成されないおそれがある。一方、保持時間が300秒超であると、外部酸化物が過剰に成長し、デンドライト型酸化物が十分に生成されないおそれがあり、めっき性及び耐水素侵入性が不十分になるおそれがある。
焼鈍工程における雰囲気の露点は、デンドライト型酸化物を十分な量で生成させる観点から、好ましくは-20~10℃であり、より好ましくは-10~5℃である。露点が低すぎると、鋼板の表面上に外部酸化層が形成され、内部酸化物が十分に形成されないおそれがあり、めっき性及び耐水素侵入性が不十分になる場合がある。一方、露点が高すぎると、鋼板表面に外部酸化物としてFe酸化物が生成し、デンドライト型酸化物が十分に生成されないおそれがあり、めっき性及び耐水素侵入性ひいては耐水素脆化性が不十分になるおそれがある。また、焼鈍工程における雰囲気は、還元雰囲気、より具体的には窒素及び水素を含む還元雰囲気、例えば水素1~10%の還元雰囲気(例えば、水素4%及び窒素バランス)であってよい。
さらに、焼鈍工程を行う際の鋼板の内部酸化層を除去しておくことが有効である。上述した圧延工程、特に熱延工程の間に鋼板の表層に内部酸化層が形成される場合がある。そのような圧延工程で形成された内部酸化層は、焼鈍工程においてデンドライト型酸化物を形成するのを阻害するおそれがあるため、当該内部酸化層は酸洗処理等により焼鈍前に除去しておくことが好ましい。より具体的には、焼鈍工程を行う際の冷延鋼板の内部酸化層の深さは、0.5μm以下、好ましくは0.3μm以下、より好ましくは0.2μm以下、さらに好ましくは0.1μm以下にしておくとよい。
上述した各工程を行うことにより、鋼板の表層にデンドライト型酸化物を十分な量で含むとともに、所望の厚さ及び組成を有するSi-Mn欠乏層を含む鋼板を得ることができる。
<めっき鋼板の製造方法>
以下で、本発明に係るめっき鋼板の好ましい製造方法について説明する。以下の説明は、本発明に係るめっき鋼板を製造するための特徴的な方法の例示を意図するものであって、当該めっき鋼板を以下に説明するような製造方法によって製造されるものに限定することを意図するものではない。
本発明に係るめっき鋼板は、上述のように製造した鋼板上にZnを含むめっき層を形成するめっき処理工程を行うことで得ることができる。
[めっき処理工程]
めっき処理工程は、当業者に公知の方法に従って行えばよい。めっき処理工程は、例えば、溶融めっきにより行ってもよく、電気めっきにより行ってもよい。好ましくは、めっき処理工程は溶融めっきにより行われる。めっき処理工程の条件は、所望のめっき層の成分組成、厚さ及び付着量等を考慮して適宜設定すればよい。めっき処理の後、合金化処理を行ってもよい。典型的には、めっき処理工程の条件は、Al:0~60.0%、Mg:0~15.0%、Fe:0~15%、及びSi:0~3%を含み、残部がZn及び不純物からなるめっき層を形成するように設定するとよい。より具体的には、めっき処理工程の条件は、例えば、Zn-0.2%Al(GI)、Zn-0.09%Al(GA)、Zn-1.5%Al-1.5%Mg、又はZn-11%Al-3%Mg-0.2%Siを形成するように適宜設定すればよい。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
(鋼板試料の作製)
成分組成を調整した溶鋼を鋳造して鋼片を形成し、鋼片を熱間圧延し、酸洗した後に冷間圧延して冷延鋼板を得た。次いで、室温まで空冷し、冷延鋼板に酸洗処理を施して圧延により形成された内部酸化層を表1に記載の焼鈍前の内部酸化層深さ(μm)まで除去した。次いで、各冷延鋼板からJIS G0417:1999に準拠した方法でサンプルを採取し、鋼板の成分組成をICP-MS法等により分析した。測定した鋼板の成分組成を表1に示す。使用した鋼板の板厚は全て1.6mmであった。
次いで、各冷延鋼板について、NaOH水溶液を塗布した後、重研削ブラシを用いて10~200g/m2の研削量にて冷延鋼板の表面を研削した(試料No.35は研削無し)。その後、表1に示す露点、保持温度及び保持時間により焼鈍処理(焼鈍雰囲気:水素4%及び窒素バランス)を行い、各鋼板試料を作製した。全ての鋼板試料において、焼鈍時の昇温速度は、500℃までは6.0℃/秒とし、500℃から保持温度までは2.0℃/秒とした。上記焼鈍処理において、冷延鋼板に対して圧延方向に1MPa以上の張力をかけた状態で焼鈍処理を行い、焼鈍温度が500℃以上の領域でそれ以外の領域に比べて圧延方向により高い張力、具体的には3~150MPaの張力をかけた状態で焼鈍を行った(試料No.34はこのような張力の適用無し)。重研削ブラシによる研削の有無、及び焼鈍処理の条件(焼鈍温度500℃以上の領域での3~150MPaの張力適用の有無、露点(℃)、保持温度(℃)、及び保持時間(秒))を表1に示す。なお、各鋼板試料について、圧延方向に直角な方向を長手方向とするJIS5号引張試験片を採取し、引張試験をJIS Z 2241(2011)に準拠して行った結果、No.16及び18については、引張強度が440MPa未満であり、それ以外については引張強度が440MPa以上であった。
(鋼板試料の表層の分析)
上記のように作成した各鋼板試料を25mm×15mmに切断し、切断後の試料を樹脂に埋め込み鏡面研磨を施し、各鋼板試料の断面をSEMにより観察して、そのSEM画像より1.0μm×1.0μmの領域を合計10箇所観察した。観察位置としては、深さ方向(鋼板の表面と垂直な方向)については、鋼板表面から2.0~3.0μmの範囲の1.0μmとし、幅方向(鋼板の表面と垂直な方向)については、上記SEM画像の任意の位置の1.0μmとした。次いで、得られた各鋼板試料についての各領域のSEM画像を二値化し、二値化像からデンドライト型酸化物部分の面積を算出した。こうして求めた10個の二値化像におけるデンドライト型酸化物の面積から、各鋼板試料についての「デンドライト型酸化物の面積率」を求めた。各鋼板試料についてのデンドライト型酸化物の面積率(%)を表1に示す。なお、上記SEM画像において、一次アームから両側に複数の二次アームが枝分かれした形状として観察されたデンドライト型酸化物の一次アーム及び二次アームの長さを測定したところ、試料No.2~8及び20~33については、一次アーム:0.5~5.0μmかつ二次アーム:50~300nmであった。
Si-Mn欠乏層の厚さは、デンドライト型酸化物の面積率を測定したSEM画像において、鋼板の表面から鋼板の板厚方向(鋼板の表面に垂直な方向)に進んだ場合における鋼板の表面からデンドライト型酸化物が存在する最も遠い位置までの距離を測定することにより決定した。また、Si-Mn欠乏層の厚さの1/2位置における酸化物を含まない領域のSi及びMn含有量は、上記SEM画像から決定されたSi-Mn欠乏層の厚さの1/2位置において無作為に選択された酸化物を含まない10箇所の点をTEM-EDSを用いて分析し、得られたSi及びMn濃度の測定値を算術平均することによって決定した。また、鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量は、当該板厚中心部の断面をSEMで観察し、そのSEM画像から板厚中心部において無作為に選択された10箇所の点をTEM-EDSを用いて分析し、得られたSi及びMn濃度の測定値を算術平均することによって決定した。最後に、Si-Mn欠乏層の厚さの1/2位置におけるSi及びMn含有量をそれぞれ鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量で除したものを百分率で表現した値をSi及びMn欠乏率として決定した。また、各鋼板試料について、デンドライト型酸化物の成分組成を分析したところ、いずれのデンドライト酸化物もSi、O及びFeを含み、多くの酸化物でさらにMnを含み、それゆえいずれの酸化物の成分組成もSi:5~25%、Mn:0~10%、O:40~65%、及びFe:10~30%を含むものであった。
(めっき鋼板試料の作製)
各鋼板試料を100mm×200mmのサイズに切断した後、表1に示すめっき種を形成するためのめっき処理を行うことによりめっき鋼板試料を作製した。表1において、めっき種Aは「合金化溶融亜鉛めっき鋼板(GA)」、めっき種Bは「溶融Zn-0.2%Alめっき鋼板(GI)」、めっき種Cは「溶融Zn-(0.3~1.5)%Alめっき鋼板(Al量を表中に記載)」を意味する。溶融亜鉛めっき工程では、切断した試料を440℃の溶融亜鉛めっき浴に3秒間浸漬した。浸漬後、100mm/秒で引き抜き、N2ワイピングガスによりめっき付着量を50g/m2に制御した。めっき種Aについては、その後460℃で合金化処理を行った。
(めっき層の成分組成分析)
めっき層の成分組成は、30mm×30mmに切断したサンプルをインヒビター(朝日化学工業製イビット)入りの10%HCl水溶液に浸漬し、めっき層を酸洗剥離した後、水溶液中に溶解しためっき成分をICP発光分光法によって測定することにより決定した。
(めっき性評価)
各めっき鋼板試料について、鋼板の表面の不めっき部の面積率を測定することでめっき性の評価を行った。具体的には、めっき層を形成した各めっき鋼板試料の表面の1mm×1mmの領域を光学顕微鏡で観察し、観察した画像からめっき層が形成された部分(めっき部)とめっき層が形成されなかった部分(不めっき部)とを判別し、不めっき部の面積率(不めっき部の面積/観察した画像の面積)を算出し、以下の基準によりめっき性を評価し、その結果を表1に示す。〇が合格、×が不合格である。
評価〇:5.0%以下
評価×:5.0%超
(耐水素脆化性の評価)
各めっき鋼板に、素地まで達する縦平行カットを2本入れた後、SDT(塩水浸漬試験)を模擬し、5%NaCl水溶液中において50℃で480時間浸漬した。その後、各めっき鋼板試料について、昇温脱離法により拡散性水素量を測定した。具体的には、ガスクロマトグラフィを備えた加熱炉中でめっき鋼板試料を400℃まで加熱し、250℃まで下がるまでに放出した水素量の総和を測定した。測定した拡散性水素量に基づき、以下の基準により、耐水素脆化性(試料中の水素蓄積量)を評価し、その結果を表1に示す。◎及び〇が合格、×が不合格である。
評価◎:0.2ppm以下
評価〇:0.2ppm超0.4ppm以下
評価×:0.4ppm超
Figure 2022169341000002
試料No.2~8及び20~33は、成分組成、デンドライト型酸化物の面積率、並びにSi-Mn欠乏層の厚さ及び組成が適切であったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を有していた。一方、試料No.1及び19は、焼鈍前の内部酸化層深さが厚く、十分にデンドライト型酸化物を形成できず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高い耐水素脆化性を得られなかった。試料No.9は焼鈍時の露点が低く、外部酸化層が形成され、デンドライト型酸化物が生成せず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.10は焼鈍時の露点が高く、外部酸化物が生成し、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.11は焼鈍時の保持温度が高く、外部酸化物が生成して十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.12は焼鈍時の保持温度が低く、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高い耐水素脆化性を得られなかった。試料No.13は、焼鈍時の保持時間が短く、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高い耐水素脆化性を得られなかった。試料No.14は、焼鈍時の保持時間が長く、外部酸化物が生成され、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.15はSi量が過剰であり、外部酸化物が成長し、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.16及び18はそれぞれSi量及びMn量が0(ゼロ)であり、デンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高い耐水素脆化性を得られなかった。試料No.17はMn量が過剰であり、外部酸化物が成長し、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかったため、高いめっき性及び耐水素脆化性を得られなかった。試料No.34は焼鈍時に所定の張力を適用しなかったため、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかった。その結果として高い耐水素脆化性を得られなかった。試料No.35は焼鈍前の研削を行わなかったため、十分にデンドライト型酸化物が形成されず、また所望のSi-Mn欠乏層も形成されなかった。その結果として高い耐水素脆化性を得られなかった。
本発明によれば、高いめっき性及び耐水素脆化性を有する高強度鋼板及びめっき鋼板を提供することが可能となり、当該鋼板及びめっき鋼板は自動車、家電製品、建材等の用途、特に自動車用に好適に用いることができ、自動車用鋼板及び自動車用めっき鋼板として高い衝突安全性、長寿命化が期待される。したがって、本発明は産業上の価値が極めて高い発明といえるものである。
1 鋼板
2 外部酸化層
3 母材鋼
11 鋼板
12 デンドライト型酸化物
13 母材鋼

Claims (6)

  1. 質量%で、
    C:0.05~0.40%、
    Si:0.2~3.0%、
    Mn:0.1~5.0%、
    sol.Al:0~0.4000%未満、
    P:0.0300%以下、
    S:0.0300%以下、
    N:0.0100%以下、
    B:0~0.010%、
    Ti:0~0.150%、
    Nb:0~0.150%、
    V:0~0.150%、
    Cr:0~2.00%、
    Ni:0~2.00%、
    Cu:0~2.00%、
    Mo:0~1.00%、
    W:0~1.00%、
    Ca:0~0.100%、
    Mg:0~0.100%、
    Zr:0~0.100%、
    Hf:0~0.100%、及び
    REM:0~0.100%を含有し、残部がFe及び不純物からなる成分組成を有する鋼板において、
    前記鋼板の表層にデンドライト型酸化物を含み、
    前記デンドライト型酸化物の面積率が5.0%以上であり、
    前記鋼板の表面から3.0μm以上の厚さを有するSi-Mn欠乏層を含み、
    前記厚さの1/2位置における酸化物を含まない前記Si-Mn欠乏層のSi及びMn含有量がそれぞれ前記鋼板の板厚中心部におけるSi及びMn含有量の10%未満である、鋼板。
  2. 前記デンドライト型酸化物の面積率が10.0%以上である、請求項1に記載の鋼板。
  3. 前記デンドライト型酸化物の面積率が30.0%以上である、請求項1に記載の鋼板。
  4. 前記デンドライト型酸化物の面積率が50.0%以上である、請求項1に記載の鋼板。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の鋼板上にZnを含むめっき層を有する、めっき鋼板。
  6. 前記めっき層がZn-(0.3~1.5)%Alの成分組成を有する、請求項5に記載のめっき鋼板。
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