(57)【要約】【課題】  疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法を提供する。【解決手段】  曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した、10g/m2以上の亜鉛メッキを施した鋼板または鋼管、あるいは一部または全面に亜鉛が10g/m2以上付着するように亜鉛粉末含有塗料を塗布した曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する鋼板または鋼管を800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成する。                                                      【選択図】  図３
2006045592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
10g/m2以上の亜鉛メッキを施した鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成する、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【請求項２】
鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後、鋼材の一部または全面に亜鉛が10g/m2以上付着するように亜鉛粉末含有塗料を塗布した後、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成する、疲労特性に優れた鋼材の製造方法。
【請求項３】
曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有し、表面の鉄亜鉛合金層と鋼との界面から鋼の内面に向かって50μｍまでの炭素濃度のピークが、鋼の平均炭素含有濃度の1.3 倍以上であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車の補強部材や足周り部材等に使用される疲労特性に優れた鋼材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の軽量化は足周りのような疲労部材にも求められている。疲労特性は母材強度に応じて向上するが、高強度鋼材は成形性が低下するため、設計限界が低い。そこで、低強度材を加熱して焼き入れる技術が改めて注目されている。例えば、特許文献１には鋼板にZnなどの合金を被覆し、加熱した後型打ちと同時に焼き入れる方法、あるいは冷間加工後に焼き入れる方法などが記載されている。これらの方法によれば、鋼材全体の強度を上昇させるため、疲労特性も向上すると考えられる。
【０００３】
しかし、型打ちと同時に焼き入れるためには、金型に特別な冷却構造が必要であり、大幅なコストアップになる。また、鋼管を液圧バルジ成形する場合、成形水の沸点以下の温度で成形する必要があり、型打ちと同時に焼き入れることは実質的に不可能である。
また、冷間加工後に焼き入れを行う場合、曲げが厳しい部位に表面欠陥を生じることがある。疲労部材では、これらの表面欠陥から疲労が進展するため、焼き入れによる強度上昇から期待されるほどの疲労特性が得られない問題があった。
【０００４】
疲労特性は鋼材の表面状態に強く依存することはよく知られている。例えば非特許文献２に記載されているように、浸炭処理や窒化処理は鋼材の表層硬さを高めて疲労特性を大きく改善する。しかし、これらの技術も厳密な炉の雰囲気管理が必要であり、設備費が高いため、適用範囲は限られていた。
【特許文献１】特開２００１−３５３５４８号公報
【非特許文献２】日本鉄鋼協会編集：鉄鋼便覧第IV巻、丸善（株）、(1982)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決し、冷間加工後に焼き入れる疲労特性に優れた鋼材の製造方法およびこの方法により得られた疲労特性に優れた鋼材を提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明は、
（１）10g/m2以上の亜鉛メッキを施した鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成する、疲労特性に優れた鋼材の製造方法、
（２）鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後、鋼材の一部または全面に亜鉛が10g/m2以上付着するように亜鉛粉末含有塗料を塗布した後、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成する、疲労特性に優れた鋼材の製造方法、
（３）曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有し、表面の鉄亜鉛合金層と鋼との界面から鋼の内面に向かって50μｍまでの炭素濃度のピークが、鋼の平均炭素含有濃度の1.3 倍以上であることを特徴とする、疲労特性に優れた鋼材、
である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、疲労特性に優れた鋼材を安価に提供することができるようになり、自動車、産業機械の軽量化、安全性向上を押し進めることに大きく貢献でき、産業上の寄与は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明者らは、疲労特性の優れた鋼材を得るためには、浸炭のように表面近傍の硬度を上げればよいことに着目し、検討を重ねた結果、表面に亜鉛をメッキした鋼を焼き入れると、最表面は母材中心より柔らかいにも関わらず、疲労特性が改善されることを見出した。焼き入れた鋼材の断面を詳細に観察すると、表層は柔らかい鉄亜鉛合金層であるが、鉄亜鉛合金層直下の鋼材の硬さが、鋼材の炭素濃度から推定された硬さに比べて大きく上昇していることがわかった。これは800 ℃以上に鋼材が加熱されると、表面の亜鉛が鋼材内面に向かって拡散するが、亜鉛は強力なフェライト安定化元素であるため、鋼材表面に柔らかいフェライト相を生成し、その内面側に隣接するオーステナイト相中に炭素が排出されて炭素の濃化層を形成し、その後の急冷によって生じるマルテンサイトの硬さも炭素の濃化に応じて高くなるためと考えられた。
【０００９】
さらに、くの字状に曲げた試験片で繰り返し曲げ疲労試験を行った結果、亜鉛メッキを施した後に焼き入れた場合、亜鉛メッキのない鋼材を焼き入れた場合に比べて、疲労特性が大幅に向上することを見出した。これは板厚の５倍以下の曲率半径を有する曲げ成形では、鋼材表層に数μｍから数十μｍの欠陥が生じて疲労強度を低下させるが、表面に亜鉛が存在すると、焼き入れのための加熱中に鉄亜鉛合金層が鋼材内面に進展して新たに平滑な界面を生成するため、曲げ成形で生じた欠陥を実質的に無害化する効果と、前述した炭素の濃化層の効果が重畳して発揮されるためと考えられた。板厚の５倍を超える曲げ成形では欠陥は生じにくいため、効果が小さい。
【００１０】
なお、上記の現象は亜鉛が十分に付着していることが必要であり、亜鉛の付着量が10g/m2未満では表面の欠陥を改善するだけの鉄亜鉛合金層の進展が見られない。また、加熱温度は800 ℃未満では鋼の変態点を超えないだけでなく、鉄亜鉛固溶体が十分に成長しないが、1000℃を超えると加熱設備の付帯コストが増加するため、800 ℃以上1000℃以下とする。
【００１１】
従って、10g/m2以上の亜鉛メッキを施した鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後に、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成するか、鋼板または鋼管を曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有する形状に成形した後に、鋼材の一部または全面に亜鉛が10g/m2以上付着するように亜鉛粉末含有塗料を塗布した後、800 ℃以上1000℃以下の温度に加熱後急冷して、表面の鉄亜鉛合金層直下の鋼に炭素濃化層を形成することが必要であり、このような方法によって得られた鋼材は、曲率半径が板厚の５倍以下の曲げ部を有し、表面の鉄亜鉛合金層と鋼との界面から鋼の内面に向かって50μｍまでの炭素濃度のピークが、鋼の平均炭素含有濃度の1.3 倍以上であって、疲労特性に優れたものとなる。
【実施例１】
【００１２】
次に、実施例について述べる。
質量％にて、Ｃ:0.2％、Si:0.18 ％、Mn:1.2％、Ｐ:0.1％以下、Ｓ:0.02 ％以下、Cr:0.3％を含有する鋼をラボにて溶解し、板厚2.0mm の鋼板とした後、一部はメッキシミュレータにて亜鉛メッキを施し、図１に示す疲労試験片形状として、大気雰囲気にて900 ℃に５分保持した後、水冷してから曲げ疲労試験を施した。応力は600MPa一定として、20Hzで負荷し、破断までの回数を測定した。試験結果を図２に示す。曲げ部曲率半径が板厚の５倍を超えた場合、亜鉛メッキ付着量による疲労特性の差異は不明確である。しかし、曲げ部曲率半径が板厚の５倍以下では10g/m2以上の亜鉛メッキを施した試料の破断までの繰り返し数は亜鉛付着量が少ない場合や亜鉛メッキを施さない場合に比べて明らかに大きい。
【００１３】
亜鉛メッキを施した疲労試験前の試料の断面をEPMAで線分析した結果を図３に示す。表面のFe−Zn固溶体と接する鋼に炭素の明確な濃化が確認できる。なお、表面のFe−Zn合金層中の炭素が極めて高い値を示しているが、これは表面のFe−Zn合金層中に存在する亀裂中の汚れなどを検出してしまったものと考えられる。
【実施例２】
【００１４】
質量％にて、Ｃ:0.3％、Si:0.1％、Mn:1.5％、Ｐ:0.1％以下、Ｓ:0.02 ％以下、Ti:0.02 ％、Ｂ:15ppmを含有する鋼をラボにて溶解し、板厚2.5mm の鋼板とした後、図４に示す疲労試験片形状に加工した。この後、一部は亜鉛粉末を含有する塗料を刷毛で塗布した。亜鉛粉末の塗布量は同様に塗布した試料の断面観察を行って決定した。この後、試料を表１に示す条件で熱処理してから曲げ疲労試験を施した。応力は700MPa一定として、20Hzで負荷し、破断までの回数を測定した。
【００１５】
【表１】
2006045592.tif 000003
表１に示すように、本発明例であるNo.3、No.4は破断までの繰り返し数が百万回を超えるが、No.1、No.2は亜鉛塗布量が少なく、No.5は加熱条件が不適切でいずれも少ない繰り返し数で破断する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１で用いた疲労試験片の形状である。
【図２】疲労試験の結果を示すグラフである。
【図３】疲労試験前の断面EPMA分析結果を示すグラフである。
【図４】実施例２で用いた疲労試験片の形状である。
【図１】
2006045592.tif 000004
【図２】
2006045592.tif 000005
【図３】
2006045592.tif 000006
【図４】
2006045592.tif 000007