JP3769479B2

JP3769479B2 - プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板

Info

Publication number: JP3769479B2
Application number: JP2001231870A
Authority: JP
Inventors: 明彦高橋; 俊治坂本; 祐司小山; 勝彦加藤; 唯志小森; 直人小野
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Stainless Steel Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2002363711A; EP1179608A3; EP1179608B1; EP1179608A2; US6645318B2; US20020012602A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の燃料タンクにおいて、内部の劣化ガソリン環境や外部の塩害環境において優れた耐食性を有し、かつ、燃料タンクへの成形が可能なプレス成形性に優れたフェライト系ステンレス鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のガソリン燃料タンク用鋼材には、燃料タンク環境における耐食性と燃料タンクにプレス成形するための加工性が要求される。燃料タンクの内部の環境は、内部のガソリンが劣化して生じたぎ酸や酢酸などの有機酸がガソリンに含有される水相に溶解した場合に、鋼材にとって厳しい腐食環境になる。一方、燃料タンクの外面の腐食は、融雪塩や海塩が原因の塩害環境が主因である。
【０００３】
これらの内外面の腐食環境に適合する鋼材として、Ｐｂ−Ｓｎ合金を表面処理したターンシートが使用されてきた。燃料タンクは、プレス成形で製造されるが、部分的に複雑な形状をしており、鋼材にはプレス成形性が合わせて要求される。ターンシートでは、その原板にＩＦ鋼と呼ばれる高成形性鋼板（ＤＤＱ級）を用いており、加工性を確保している。加えて、ターンシートのＰｂ−Ｓｎ合金は、めっき層自体の加工性が良く潤滑性も優れているので、加工性の点からも燃料タンク用素材として使いやすい材料であるため、従来から広く普及してきた。
【０００４】
しかし、ターンシートはＰｂを含有するため、近年の環境負荷物質溶出抑制の必要性から、燃料タンクにおいても使用を見直す動きがあり、一部が、Ｐｂを含有しないめっき鋼材（例えば、Ａｌめっき鋼材〔特開平９−１５６０２７号公報〕）やさらに樹脂に置き換わっている。
【０００５】
またさらにここへきて、地球環境改善の一環で、燃料タンクの保証期間を従来の１０年から１５年に延長するとともに、燃料タンクから透過する燃料をゼロに規制する考え方が国際的に顕在化してきた。このような新たな要求に対して、従来のターンシートやその代替のＡｌめっき鋼板では、１５年の寿命保証が難しく、一方、樹脂では、燃料透過をゼロに抑制することが不可能と考えられている。
【０００６】
直近、この寿命保証と透過保障の両方を満たす材料として、ステンレス鋼の適用が検討されるようになった。鋼種は、長期耐食性と成形性を考慮して、加工性に富むＳＵＳ３０４Ｌや、その耐食性を改善したオーステナイト系ステンレス鋼が候補となっている。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼を採用する上での最大の問題は、外面の塩害環境で生じる応力腐食割れに対する信頼性の確保が難しいということである。応力腐食割れが発生する環境では、オーステナイト系ステンレス鋼に代えて、同等の耐食性を有する高純フェライト系鋼を採用することが有効な手段である。
【０００７】
しかし、オーステナイト系ステンレス鋼の方がフェライト系ステンレス鋼よりも張り出し性に優れるため、一般にプレス加工しやすいと認識されている。したがって、燃料タンクにフェライト系ステンレス鋼を適用するには、燃料タンク環境における耐食性に優れるとともに、燃料タンクへの成形がしやすい加工特性を有するフェライト系ステンレス鋼の開発が必要であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来材料の抱えるそれぞれの問題を克服して、長期耐食性に優れ、燃料透過のない燃料タンクを提供するために、応力腐食割れの心配のないフェライト系ステンレス鋼で燃料タンクの内外面の環境における優れた耐食性と同時に燃料タンクへのプレス成形が可能な加工性を付与することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、燃料タンクの内外面の環境における優れた耐食性を有するフェライト系ステンレス鋼について、各種燃料タンク形状へのプレス成形を実施することで、プレス成形に必要な加工特性を詳細に調査し、さらに必要加工特性を満足するのに必要な成分組成を詳細に検討した。
【００１０】
その結果、燃料タンク形状へのプレス成形に必要なフェライト系ステンレス鋼の加工特性は、平均ｒ値が１．９以上、ｒ値の面内異方性Δｒが１．０以下、全伸びが３０％以上であることを見出した。これらの特性に加えて、鋼板の集合組織や鋼板表面の摩擦係数を好適な条件にすることにより、燃料タンクの成形に際して優れた加工性が得られることを確認した。
【００１１】
また、上記の加工特性を満足するためには基本成分としてＣ，Ｎを低減したうえでＴｉまたはＮｂを添加することが効果的であることを見出した。また、塩害環境において長期間孔開きが生じず、さらに燃料環境での発銹を抑制するためには基本成分としてＣｒを１０〜２５％含有し、Ｃ，Ｎを低減したうえでＴｉまたはＮｂを添加し、さらにＭｏ，Ｃｕ，Ｎｉの１種または２種以上を適量添加することが効果的であることを見出した。以上の知見をもとに、本発明者らは、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
（１）質量％で、
Ｃｒ：１０〜２５％、
Ｃ ≦０．０１５％、
Ｎ ≦０．０１５％、
Ｔｉ，Ｎｂの１種または２種を（Ｔｉ＋Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧８
の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、平均ｒ値が１．９以上、ｒ値の面内異方性Δｒが１．０以下、全伸びが３０％以上であることを特徴とするプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（２）鋼板の面方位のうち（１１１）面と（１００）面の強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（１００）が１０以上であることを特徴とする前記（１）に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（３）表面に潤滑皮膜を有し、当該表面の摩擦係数が０．１０以下であることを特徴とする前記（１）または前記（２）に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
【００１３】
（４）質量％で、さらに、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉの１種または２種以上を
Ｍｏ：０．５〜２．０％、
Ｃｕ：０．３〜１．５％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％
の範囲で含有することを特徴とする前記（１）に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（５）質量％で、Ｃ≦０．００５％であることを特徴とする前記（１）に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（６）前記（１）〜（５）のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量％で、Ｂ：０．０００３〜０．００５％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（７）前記（１）〜（６）のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量％で、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
【００１４】
（８）前記（１）〜（７）のいずれかに記載の鋼板において、さらに質量％で、Ｓｉ≦０．１４％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（９）前記（１）〜（８）のいずれかに記載の鋼板において、さらに質量％で、Ｍｎ≦０．２０％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
（１０）前記（１）〜（９）いずれかに記載の鋼板において、質量％で、ＳがＳ≧Ｃであることを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
まず、本発明の加工特性、材料特性の限定範囲について述べる。
自動車の燃料タンクは形状が複雑で、プレス成形において張出し性と深絞り性がともに優れることが望ましい。しかし、フェライト系ステンレス鋼の張出し性は、オーステナイト系に比べて低いので、プレス成形高さを確保するためには、ｒ値を大きくしてフランジからの材料流入性を大きくすることが必要と考えた。
【００１６】
そこで、本発明者らは、同一の鋼でｒ値を変化させ、現在ターンシートで実用されている３種類の形状の燃料タンクに加工するプレス成形試験を行い、成形性に及ぼすｒ値の影響を評価した。試験に用いた鋼は、後述の実施例における鋼Ａであり、１７Ｃｒ−１．２Ｍｏ−０．２Ｔｉをベースとする。成形したタンクは、箱型形状のタンクＸ（成形高さ約１００mm）、箱型形状のタンクＹ（同２６０mm）、鞍型形状のタンクＺ（同１５０mm）で、タンクＸ→タンクＹ→タンクＺの順に加工条件が厳しくなる。ｒ値は、熱処理条件、冷延条件を変えることにより変化させ、以下の３種類の鋼板を得た。
Ａ−１：ｒ値２．３、Δｒ０．７、伸び３５％
Ａ−２：ｒ値１．９、Δｒ０．７、伸び３４％
Ａ−３：ｒ値１．５、Δｒ０．６、伸び３３％
【００１７】
得られた鋼板には、ウレタン系の樹脂にワックスを混入した潤滑皮膜を塗装して、表面の摩擦係数を約０．０５に調整した。この潤滑鋼板を用いて燃料タンクの成形を行った結果、Ａ−１（本発明１）ならびにＡ−２（本発明２）は問題なくプレス成形ができたが、Ａ−３（比較例１）では、割れが生じた。
【００１８】
同じ鋼Ａを用いて、２．３の高ｒ値にしても、Δｒが１．５の場合は、異方性が大きく、フランジの流入が不均一となって、燃料タンクのプレスで割れが発生した（比較例２）。また、ｒ値１．９、Δｒ０．７であっても、伸びが３０％未満の場合には、延性が不足して燃料タンクの成形で割れが生じた（比較例３）。
【００１９】
以上の結果、燃料タンク形状にプレス成形する場合、平均ｒ値が１．９以上、ｒ値の面内異方性Δｒが１．０以下、全伸びが３０％以上の成形特性が必要となる。ｒ値、Δｒならびに全伸びを規定の範囲に調整する方法としては、熱延板焼鈍の低温化もしくは省略、仕上焼鈍の高温化、冷間圧延圧下率の増加など、周知の製造条件を適宜調整することにより達成できる。なお、本発明の平均ｒ値、Δｒは、それぞれ下記式で計算した値である。
平均ｒ値＝（ｒ_L＋ｒ_C＋２ｒ_D）／４
Δｒ＝（ｒ_L＋ｒ_C−２ｒ_D）／２
ただし、ｒ_Lは圧延方向、ｒ_Cは圧延方向と直角方向、ｒ_Dは圧延方向と４５°方向のランクフォード値である。
【００２０】
次に、金属組織制御の観点からは、鋼板の面方位のうち（１１１）面と（１００）面の強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（１００）を１０以上とすることにより、１．９以上の高ｒ値が得られるので、集合組織は、Ｉ（１１１）／Ｉ（１００）を１０以上とすることが好ましい。より望ましくは、Ｉ（１１１）／Ｉ（１００）を１５以上とすることにより、さらに高い深絞り性が得られる。
【００２１】
潤滑特性の観点からは、オーステナイト系ステンレス鋼よりも張出し性の低いフェライト系ステンレス鋼で燃料タンクの複雑なプレス成形を可能とするには、ｒ値を高めることに加えて、フランジの流入性を良好にするために、鋼板表面に潤滑皮膜を施し、鋼板の摩擦係数を小さくすることが効果的である。前述のような箱型タンクを成形するためには、少なくとも１．０以下の摩擦係数となることが必要である。さらに、鞍型タンクのようなより厳しいタンク形状のプレス成形を容易にするには、摩擦係数を０．０５以下にすることが好ましい。
【００２２】
次に本発明の成分限定範囲について述べる。成分含有量は質量％である。
Ｃｒは劣化ガソリン中の耐食性を得るために、１０％以上添加する。劣化ガソリン中には腐食促進剤として、ぎ酸、酢酸を含有している。さらに、地域によってはアルコールを含有しているので、これらの環境で耐食性を得るには、少なくとも１０％以上のＣｒ添加が必要である。また、Ｃｒは後述するＭｏと合せて、タンク外面の塩害腐食に対する耐食性を確保するためにも必要である。しかし、過剰に添加しても、加工性を低下し、また、コスト増にもなるため、上限を２５％とする。
【００２３】
Ｃ：０．０１５％以下とすると耐食性とプレス成形性をともに高めることができる。Ｃは低いほど、耐食性の観点からは特に溶接熱影響部でのＣｒ炭化物の析出を抑制でき、耐粒界腐食性を高めることができる。またプレス成形性の観点からは固溶Ｃ量の減少により全伸び、平均ｒ値を高めることができる。さらに優れた耐食性、プレス成形性が必要な場合には、０．００５％以下にまで低減するとよい。
【００２４】
Ｎ：０．０１５％以下とすると特にプレス成形性を高めることができる。Ｎは低いほど固溶Ｎ量の減少により全伸び、平均ｒ値を高めることができる。
【００２５】
Ｔｉ，Ｎｂ：１種もしくは２種をＴｉ＋ＮｂとしてＣ＋Ｎの８倍以上とすると耐食性とプレス成形性をともに高めることができる。ＴｉやＮｂはＣ，Ｎと容易に結合し、鋼中に固溶するＣ，Ｎを実質的に低減する作用があり、その結果、全伸び、平均ｒ値を高めプレス成形性を高めることができる。またＣをＴｉもしくはＮｂと結合させることにより、特に溶接熱影響部でのＣｒ炭化物の析出を抑制でき、耐粒界腐食性を高めることができる。これらの効果はＴｉ＋ＮｂとしてＣ＋Ｎの８倍未満では不十分である。
【００２６】
Ｍｏは、タンク外面の塩害環境における局部腐食を軽減するのに有効である。図１はＭｏ含有量とすき間腐食深さとの関係を測定した結果である。供試材として質量％で、Ｃ：０．００２５％、Ｎ：０．００８５％、Ｃｒ：１７．０％、Ｔｉ：０．１５％およびＭｏを含有する冷延・焼鈍鋼板（板厚０．８mm）を使用し、鋼板を２枚重ねてスポット溶接を行い、これを試験片として、燃料タンク外面の塩害環境を模擬した複合サイクル腐食試験（人工海水噴霧→乾燥→湿潤、９０サイクル）を行った。試験後、スポット溶接部を剥がし、スポット溶接により形成された二枚の鋼板間のすき間に生じたすき間腐食の深さを測定した。図１から明らかなように、Ｍｏは、０．５％以上の添加で、顕著な改善効果を示す。しかし、２％を超えて添加しても、改善効果は飽和する上、加工性を低下するので、Ｍｏの添加量は、０．５から２．０％とする。
【００２７】
Ｎｉ：０．３％以上で、塩害環境での耐食性、特に耐すき間腐食性を改善することができる。しかし、過剰に添加すると、フェライト系ステンレス鋼でも応力腐食割れが懸念されるし、また、部分的にオーステナイトが形成されたりするので、上限を１．５％とする。
【００２８】
ＣｕもＮｉと同様に、０．３％以上の添加で塩害環境での耐食性、特に耐すき間腐食性を改善することができる。しかし、過剰に添加すると、熱間加工性が低下し、鋼板の製造性が低下するので上限を１．５％とする。
【００２９】
Ｂ：０．０００３％以上で０．００５％以下とすると、深絞り成形後の張出し成形性を高めることができる。この効果は０．０００３％以上の含有ではじめて発揮される。しかし、０．００５％を超えて多量に含有すると伸びが低下するため、上限は０．００５％以下としなければならない。
【００３０】
Ｍｇ：０．０００５％以上で０．００５％以下とすると、鋼板の平均ｒ値がさらに向上し、深絞り性をより高めることができる。この効果は０．０００５％以上の含有ではじめて発揮される。しかし、０．００５％を超えて多量に含有すると耐食性が劣化するため、上限は０．００５％以下としなければならない。
【００３１】
Ｓｉ：低いほど鋼板の全伸びが高くなり、優れたプレス成形性を得ることができる。この効果は０．１４％以下にまで低めた場合に顕著に表れる。
【００３２】
Ｍｎ：低いほど鋼板の全伸びが高くなり、優れたプレス成形性を得ることができる。この効果は０．２０％以下にまで低めた場合に顕著に表れる。
【００３３】
Ｐ：本発明では特に限定しないが、不可避的に混入する元素であり、少ないほど耐食性、プレス成形性は高まるが、０．０５％以下の含有は許容できる。
【００３４】
Ｓ：不可避的不純物であり、少ない方が好ましいが、含有量をＣの含有量以上とすると鋼板の全伸びが高くなり、プレス成形性をさらに高めることができる。ただし、Ｓを多量に含有すると耐食性が劣化するため好ましくない。その上限としてはおよそ０．０１％である。
【００３５】
なお、本発明のフェライト系ステンレス鋼板の表面にＡｌ系やＰｂ系、さらにはＺｎ系の溶融めっきを施すと、特に塩害環境での耐食性をさらに高めることができる。
【００３６】
【実施例】
表１に成分を示す鋼を用いて、熱延板焼鈍条件や冷延・焼鈍条件を変化させて、表２に示す平均ｒ値、Δｒ、全伸び、集合組織の鋼板を製造した（板厚０．８mm）。さらに、エポキシやウレタンにワックスを添加した潤滑皮膜を塗布し、その厚さや組成を変化させて、表面の摩擦係数を変化させた。ただし、比較例５は、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４Ｌを用いており、本発明に関わるフェライト系ステンレス鋼ではないが、プレス成形性の比較のために示す。これらの鋼板を用いてプレス成形した燃料タンクは、箱型形状のタンクＸ（成形高さ約１００mm）、箱型形状のタンクＹ（同２６０mm）、鞍型形状のタンクＺ（同１５０mm）で、タンクＸ→タンクＹ→タンクＺの順に加工条件が厳しい。
【００３７】
表２に示すように本発明に関わる条件を満足する場合は、フェライト系ステンレス鋼であっても、比較例５のオーステナイト系ステンレス鋼と同様に、燃料タンクの厳しいプレス加工を行っても、割れの発生がなく、成形が可能である。これに対して、比較例１では平均ｒ値が、比較例２ではΔｒが、比較例３では全伸びが、比較例４では摩擦係数が、それぞれ本発明の範囲を逸脱するために、燃料タンクのプレス成形で割れが生じてしまう。
【００３８】
【表１】

【００３９】
【表２】

【００４０】
【発明の効果】
本発明によって、燃料タンクの内外面の環境における優れた耐食性と同時に燃料タンクへの成形が可能な加工性を有する、応力腐食割れの心配のないフェライト系ステンレス鋼板を提供することができるようになったので、その工業価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料タンクの外面の塩害環境を模擬した複合サイクル腐食試験でスポット溶接部に発生したすき間腐食深さに及ぼすＭｏの影響を示した図で、０．５％以上のＭｏ添加により、すき間腐食が顕著に軽減されることを示す。

Claims

質量％で、
Ｃｒ：１０〜２５％、
Ｃ ≦０．０１５％、
Ｎ ≦０．０１５％、
Ｔｉ，Ｎｂの１種または２種を（Ｔｉ＋Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）≧８
の範囲で含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、平均ｒ値が１．９以上、ｒ値の面内異方性Δｒが１．０以下、全伸びが３０％以上であることを特徴とするプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
鋼板の面方位のうち（１１１）面と（１００）面の強度比Ｉ（１１１）／Ｉ（１００）が１０以上であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
表面に潤滑皮膜を有し、当該表面の摩擦係数が０．１０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
質量％で、さらに、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｎｉの１種または２種以上を
Ｍｏ：０．５〜２．０％、
Ｃｕ：０．３〜１．５％、
Ｎｉ：０．３〜１．５％
の範囲で含有することを特徴とする請求項１に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
質量％で、Ｃ≦０．００５％であることを特徴とする請求項１に記載のプレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
請求項１ないし５のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量％で、Ｂ：０．０００３〜０．００５％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
請求項１ないし６のいずれかに記載の鋼板に、さらに質量％で、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
請求項１ないし７のいずれかに記載の鋼板において、さらに質量％で、Ｓｉ≦０．１４％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
請求項１ないし８のいずれかに記載の鋼板において、さらに質量％で、Ｍｎ≦０．２０％を含有することを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。
請求項１ないし９のいずれかに記載の鋼板において、質量％で、ＳがＳ≧Ｃであることを特徴とする、プレス成形性に優れた燃料タンク用フェライト系ステンレス鋼板。