摩托车排气通道部件用镀Al钢板及部件 【技术领域】
本发明涉及一种摩托车的发动机排气通道部件(例如消声器、催化剂载体、排气管等)所使用的红氧化皮(赤スケ一ル)耐受性优异的镀铝钢板、及使用了该镀铝钢板的摩托车排气通道部件。
背景技术
和四轮汽车相比，摩托车的发动机排气通道短，即使消声器等下游部件暴露于400℃以上的温度的情况也不少见。最近，由于排气限制的强化，摩托车中也正在安装使用三元催化剂的排气净化装置，但在摩托车的场合，该净化装置多被装在消声器中。从耐热性的观点考虑，摩托车的排气通道部件使用SUH409L、SUS436等耐热性铁素体不锈钢。
使用不锈钢的排气通道部件中有时产生红褐色的氧化皮(以下叫做“红氧化皮”)。这是排气温度在400～700℃且在低氧高水蒸汽气氛下容易产生的现象。红氧化皮产生且与冷凝水混在一起时，变成红褐色的液体。排气通道中的冷凝水有时和排气一起从排气口放出，如上所述的红褐色液体的放出在外观上非常令人不快。
排气通道部件中消声器是冷凝水容易积存的部位。在通常的四轮汽车的场合，消声器被暴露于400℃以上的排气的情况较少见，与消声器内部生成的红氧化皮相比，内部结露形成的冷凝水引起的腐蚀更容易成为问题。但是，在摩托车的场合，如上所述，由于消声器也常被暴露于400℃以上，因此在消声器内生成红氧化皮，由此引起的红褐色的液体的放出容易成为问题。
专利文献1中，公开了一种技术，其通过事先在表面生成以Cr基氧化物为主体的氧化膜来抑制加热器燃烧筒等中的红氧化皮的产生。但是，由于该氧化膜抗蚀性差，需要提高钢坯料抗蚀性的对策，招致原材料成本上升。因此，难以应用于排气通道部件。专利文献2、3中公开了一种利用添加了大量Al及Si的钢来改善红氧化皮的方法。但是，和SUH21(18Cr-3Al基耐氧化皮性良好的钢种)相比，虽然这样的添加高Al、Si的钢的成形性良好，但与SUH409L、SUS410L、SUS430LX等铁素体不锈钢种相比却相当差。因此，不适合摩托车的排气通道部件。
另一方面，对不锈钢等含Cr钢实施镀Al后的钢板显示出良好的耐氧化性，因此正在进行汽车排气系统部件可使用的各种钢板的开发(专利文献4～13)。
专利文献1：特开2001-240911号公报
专利文献2：特开2001-316773号公报
专利文献3：特开2003-160844号公报
专利文献4：特开平8-319543号公报
专利文献5：特开平5-112859号公报
专利文献6：特开平5-295513号公报
专利文献7：特开昭61-147866号公报
专利文献8：特开昭61-147865号公报
专利文献9：特开平7-233451号公报
专利文献10：特开昭63-47356号公报
专利文献11：特开平3-277761号公报
专利文献12：特开平7-188887号公报
专利文献13：特开平8-325691号公报
【发明内容】
根据发明人等的研究，为了提高对不锈钢等含Cr钢板的红氧化皮产生的抵抗力(以下称为“抗红氧化皮性”)，有效的是对其实施镀Al。但是，发明人等在对上述公知的镀Al钢板详细地进行调查时，发现在试图将上述钢板作为摩托车排气通道部件广泛实用化方面，还有应改善的问题。
即，专利文献4的镀Al钢板是使Mn等在合金层中浓化后的镀敷钢板，并且也不能说镀层厚度足够薄，所以可判断镀覆层(本说明书中将含有合金层的热浸镀覆层称作“镀覆层”)的耐剥离性不足。专利文献5、6的镀敷钢板因镀层厚度厚，其镀覆层的耐剥离性也不足。专利文献7、8、10的镀敷钢板是通过在进行了预镀Ni后实施镀Al而得到的镀敷钢板，但采用预镀Ni时，制造成本增大，在强烈要求成本降低的消声器及催化剂载体等排气通道部件中不可能简单地采用。另外，对于在400～700℃范围被加热的镀覆层的耐剥离性而言，未必能够达到满足其要求的水平。专利文献9地镀敷钢板是通过使用在基材中必须添加稀土类元素或Y的钢来防止1150～1250℃这样的高温下的异常氧化的镀敷钢板，但在反复加热至400～700℃范围、然后冷却时，镀覆层容易剥离。专利文献11、12的镀敷钢板因镀层厚度不够薄，镀覆层对于加热至400～700℃范围然后冷却的耐剥离性不足。另外，专利文献11中所记载的“红锈”是在常温下腐蚀发展后的普通钢中典型性地可见到的红锈，与本申请中所说的“红氧化皮”是不同性质的物质。
这样，公知的镀Al不锈钢板，基本上不能说其在400～700℃温度范围加热时的镀覆层的耐剥离性是充分的。因而，当现有镀Al不锈钢板应用于在400～700℃温度范围使用的摩托车的消声器、催化剂载体等时，即使初期呈现出良好的抗蚀性及抗红氧化皮性，在长期使用过程中也会产生镀覆层的剥离，导致抗蚀性的降低及抗红氧化皮性的降低。即，在耐久性方面存在有不稳定因素。而作为排气部件用的钢板还要求成形性及低温韧性良好。另外，对于实用化而言低成本也是重要的。
本发明的目的在于，提供一种廉价的镀Al钢板，其是用于摩托车排气通道部件的镀Al钢板，具备优异的抗红氧化皮性、成形性、低温韧性，并且可显著改善在400～700℃温度范围反复加热时，镀覆层的耐剥离性。
发明人等详细研究的结果发现，通过将Al基镀层的厚度控制为20μm以下较薄的厚度，可显著地改善Al基镀覆层的耐剥离性，从而完成了本发明。
即，根据本发明，提供一种抗红氧化皮性优异的摩托车排气通道部件用镀Al钢板。其中，将以质量％计，钢坯料的组成为C：0.02％以下、Si：1％以下、Mn：1％以下、Cr：5～25％、Ti：0.3％以下、N：0.02％以下，根据需要还含有选自以下元素中的一种以上：Ni：0.6％以下、Nb：0.1％以下、Al：0.2％以下、Mo：3％以下、Cu：3％以下、W：3％以下、V：0.5％以下、Co：0.5％以下、B：0.01％以下，剩余部分为Fe及不可避免的杂质的钢板作为基材，将所述基材浸渍于以质量％计含有Si：3～12％、根据情况以合计1％以下的范围还含有Ti、B、Sr、Cr、Mg、Zr中的一种以上、剩余部分由Al及不可避免的杂质构成的热浸镀浴中，之后提起，调节镀敷附着量，由此，在表面形成有平均厚度3～20μm的镀层。
另外，根据本发明，提供一种摩托车排气通道部件，其中，将上述的镀敷钢板用作原材料而构成，具有所述镀层与排气接触的结构、最高使用温度在400℃以上。
本发明的镀Al钢板的抗红氧化皮性优异，并且在400～700℃温度范围反复加热时的镀覆层的耐剥离性优异，所以适合于在该温度范围加热时容易产生红氧化皮的环境下使用的摩托车的排气通道部件(例如消声器部件)。另外，制造成本也可抑制在至少和通常的镀Al不锈钢板同等。因而，本发明有助于摩托车的排气通道部件的品质提高及耐久性提高。
【具体实施方式】
将铁素体不锈钢等高Cr钢加热到高温时，通常会在钢坯料表面形成Cr浓度高的氧化物(Cr基氧化物)。因该Cr基氧化物保护性高，所以，高Cr钢比低Cr钢通常具有良好的耐高温氧化性。但是，已知即使这种高Cr钢，在400～700℃温度范围且在低氧高水蒸汽气氛中加热时，在其初期氧化过程中Fe基氧化物也比Cr基氧化物更容易生成。可以认为这是因为在该温度范围只够以Cr基氧化物将钢坯料表面覆盖的Cr不能在表面迅速扩散，在表面大量存在的Fe在低氧高水蒸汽气氛下优先被氧化。红氧化皮由如上所述在表面生成的Fe浓度高的氧化物构成。
为了防止红氧化皮的生成，在上述温度及气氛下，只要在钢坯料表面不形成Fe基氧化物即可。作为其方法之一，有效的是实施Al基镀敷。这种情况下，镀层表面的Al迅速被氧化，钢板表面被Al基氧化膜覆盖。
但是，根据发明人等的调查发现，Al基镀覆层在反复加热至400～700℃温度并冷却时，容易从钢坯料表面剥离。这种情况是将现有的镀Al钢板用于摩托车的消声器部件等时未必显示出良好的耐久性的主要原因。将热浸镀Al钢板在400～700℃加热时，镀层中的Al和钢坯料的Fe相互扩散，由此生成Fe-Al基的金属间化合物层，在该金属间化合物层和钢坯料之间产生剥离。这样一来，如镀覆层剥离，就会由该处产生新的红氧化皮。
发明人等对防止镀Al钢板的镀覆层剥离的方法详细地进行了研究。其结果发现，将Al基镀层的厚度减薄时，在抑制于400～700℃温度范围且低氧高水蒸汽气氛下加热时的Al基镀覆层的剥离现象方面极其有效。这种情况下，对基材钢板的化学组成、Al基镀层的组成、组织状态或合金层的组成等，不需要设定特别的限制。
[Al基镀层的厚度]
具体地说，就热浸镀Al钢板而言，通过将Al基镀层的平均厚度抑制在每一面20μm以下，就可呈现出稳定、优异的耐剥离性。在此，Al基镀层的平均厚度是不包括合金层的厚度。热浸镀附着量可以用众所周知的气体擦拭(ガスワイピング)法等进行调节，只要每一面的镀敷附着量自身被控制在20μm以下，其一部分就会和钢坯料反应而形成合金层，所以，所形成的Al基镀层的平均厚度不会超过20μm。只要是可比较厚地形成合金层的操作条件，有时即使设定镀敷附着量比20μm稍厚，也可以使镀层的平均厚度在20μm以下。通过使Al基镀层的平均厚度为小于15μm，可进一步提高耐剥离性。因而，每一面的Al基镀层的平均厚度小于15μm的镀Al钢板，成为本发明中特别优选的对象。
另一方面，从防止红氧化皮的观点考虑，优选Al基镀层的厚度较厚。各种研究的结果是，在使用如后述那样调节了组成的基材钢板的前提下，必须确保每一面的Al基镀层的平均厚度为3μm以上。这是由于镀层比3μm薄时难以稳定地防止红氧化皮的产生。更优选确保平均厚度为4μm以上，进一步优选5μm以上。
[合金层的厚度]
合金层比钢坯料及镀层都脆。因此，考虑到加工性，优选合金层的厚度较薄。在加工度低的部件用途中没有必要特别拘泥于此，但在实施严格加工的情况下，优选每一面的合金层平均厚度为5μm以下，更优选4μm以下。在使用气体擦拭法的热浸Al基镀敷生产线上，完全可以制造合金层厚度这么薄的镀敷钢板。从镀层厚度和合金层厚度的合计厚度来看，理想的是控制合金层的厚度，以使每一面的“Al基镀层的平均厚度+合金层的平均厚度”为24μm以下。
[Al基镀浴的组成]
Al-Si合金系中，向Al中添加Si时，液相线温度降低，在大约12质量％Si附近成为共晶组成。本发明中使用含有3质量％以上的Si的热浸Al基镀浴。当成为比上述镀浴富Al的组成时，浴温度变高，所以，难以将合金层的平均厚度抑制在薄的厚度(例如5μm以下)。另外，浴温度的上升也成为招致制造成本增大的主要原因。但是，Si含量超过12质量％时，Al基镀层自身的加工性降低，容易成为问题。因而，本发明中以使用含有3～12质量％的Si的热浸Al基镀浴所制造的镀敷钢板为对象。
在Al基镀浴中也可以以合计1％以下的范围含有Ti、B、Sr、Cr、Mg、Zr中的一种以上。除此之外，浴中作为不可避免的杂质含有Fe，但Fe的混入在2.5质量％以下的范围是允许的。
[基材钢板]
成为镀敷原板的基材钢板以含有5～25质量％的Cr的高Cr钢为对象。通过实施镀Al，抗蚀性及耐氧化性提高，所以未必需要不锈钢水平的Cr含量，但为了确保作为被暴露于与结露水和水蒸汽接触的环境的摩托车排气通道部件所要求的抗蚀性，并且确保抗红氧化皮性，需要Cr含量至少在5质量％以上。更优选确保Cr含量为10质量％以上。抗蚀性及耐热性伴随Cr含量的增加而提高，但含有过量的Cr不经济，并且是阻碍成形性及低温韧性的主要原因，所以，基材钢板的Cr含量被规定在25质量％以下的范围。
Ti可固定钢中的C、N，从而实现铁素体相的稳定化，并且是对提高低温韧性及成形性有效的元素。为了充分发挥这些作用，优选确保Ti含量为0.05质量％以上，更优选0.1质量％以上。但是，含有过量的Ti会使钢硬质化，反过来招致加工性及低温韧性的降低。因而，Ti含量被限制在0.3质量％以下的范围，更优选以0.2质量％以下的范围添加。
C、Si、Mn、N是钢中所含的基本元素，它们的含量可以设定为C：0.02％以下、Si：1％以下、Mn：1％以下、N：0.02％以下的范围。作为其他元素，可以含有选自以下元素中的一种以上：Ni：0.6％以下、Nb：0.1％以下、Al：0.2％以下、Mo：3％以下、Cu：3％以下、W：3％以下、V：0.5％以下、Co：0.5％以下、B：0.01％以下，但这些元素的含量超过上述规定时，有时会对成形性及低温韧性带来不利影响。作为不可避免的杂质的P允许在0.04质量％左右、且S允许在0.03质量％左右。
[制造方法]
基材钢板可以通过通常的钢板制造工艺来制造，其制造法没有特别规定。例如可以将经过酸洗加工的冷轧钢板作为基材，以基材钢板的表面被活性化的状态浸渍在热浸Al基镀浴中，之后提起并调节镀敷附着量，由此可制造本发明的热浸镀Al钢板。另外，为了提高镀敷性，可以采用实施预镀Fe的钢板作为基材钢板。通过将基材钢板以钢带的状态通过连续热浸镀生产线，可以大量生产品质稳定的热浸镀Al钢板。镀敷条件主要是对生产线速度及擦拭条件进行控制，以使每一面镀层的平均厚度为20μm以下，除此之外，只要采用现有通常的条件即可。所得到的镀敷钢板经过规定的成形加工，加工成摩托车用的排气通道部件。根据部件不同，将镀敷钢板供给焊接制管，然后进行成形加工。
实施例
熔炼表1所示的组成的铁素体钢种，利用通常的方法得到板厚1.2mm的冷轧退火钢板(酸洗加工钢板)。所有钢种中作为不可避免杂质的P都在0.04质量％以下、S都在0.01质量％以下。将这些钢板用作基材(镀敷原板)，并实施各种热浸Al基镀敷。需要说明的是，对于No.19、29是将对冷轧退火钢板的表面实施了预镀Fe(2g/m2)的钢板作为基材。另外，在所有实施例的镀浴中，作为不可避免的杂质含有1.7质量％左右的Fe。通过用SEM(扫描型电子显微镜)观察所得到的热浸镀Al钢板(试样)的截面，求出Al基镀层的平均厚度。另外，在其过程中，也对合金层的平均厚度做了调查，结果除一部分比较例以外，全部在4μm以下。
对于各试样的抗红氧化皮性、镀覆层的耐剥离性、成形性、低温韧性如下进行评价。
[抗红氧化皮性]
从试样切出25mm×35mm的试验片，用该试验片在如下的两种加热模式下实施氧化试验。各模式下的试验数为n＝3。
·连续加热：在露点80℃的氮气氛中、在600℃连续加热100小时。
·周期性加热：以“在露点80℃的氮气氛中、在600℃加热30分钟(其中均热时间为25分钟)→空气冷却5分钟”为1个周期，将这样的加热反复进行500个周期。
对实施了各加热模式的试验片，通过目视观察调查有无红褐色的变色。另外，测定氧化增量及氧化减量(氧化皮剥离量)。对n＝3的所有试验片，将满足(i)没看到红褐色的变色、(ii)氧化增量小于0.2mg/cm2、(iii)氧化减量小于0.2mg/cm2的三个要求的试样评价为○(良好)，将其以外的试样评价为×(不良)。
[镀覆层的耐剥离性]
从试样切出25mm×35mm的试验片，使用该试验片实施以下所示的600℃周期性加热及700℃周期性加热。各温度下的试验数为n＝5。
·600℃周期性加热：以“在露点80℃的氮气氛中、在600℃加热30分钟(其中均热时间为25分钟)→空气冷却5分钟”为1个周期，将这样的加热反复进行1000个周期。
·700℃周期性加热：以“在露点80℃的氮气氛中、在700℃加热30分钟(其中均热时间为25分钟)→空气冷却5分钟”为1个周期，将这样的加热反复进行1000个周期。
对在各温度实施了上述加热的试验片，通过目视观察调查有无镀覆层的剥离。对各温度5个(n＝5)×2个温度水平的总计10个试验片全部，将没看到镀覆层剥离的试样评价为○(良好)，将其以外的试样评价为×(不良)。
另外，对在上述1000个周期的试验中得到○(良好)评价的试样实施同样的600℃周期性加热及700℃周期性加热，直至达到2000个周期。2000个周期后，对各温度5个(n＝5)×2个温度水平的总计10个试验片全部，将没看到镀覆层剥离的试样评价为◎(特别良好)。
[成形性]
从各试样(板厚1.2mm的热浸镀Al钢板)制作以轧制方向为长度方向的拉伸试验片(JIS 13B号)，按照n＝3实施以JIS Z2241为基准的拉伸试验并测定其伸长率。将n＝3的伸长率的平均值作为该试样的伸长率。从各种实验判断，就板厚1.2mm的材料而言，只要伸长率在30％以上，就可以判断具有可加工为摩托车用的排气通道部件的良好的成形性。因而，将伸长率为30％以上的试样评价为○(良好)，将其以外的试样评价为×(不良)。
[低温韧性]
从各试样(板厚1.2mm的热浸镀Al钢板)以长度方向相对轧制方向成直角方向的方式切出55mm×10mm的试验片，且在其中央部形成2mmV形缺口，由此制作带缺口的冲击试验片。按照JIS Z2202的定义，高度10mm、宽1.2mm、长度55mm、缺口下的高度8mm。使用该试验片实施以JIS Z2242为基准的夏比冲击试验，将判断为脆性断裂发生温度在-75℃以下的试样评价为○(良好)，将其以外的试样评价为×(不良)。
将这些结果示于表2、表3。
表2
表3
下线：本发明规定范围以外
从表2可知，Al基镀层的平均厚度处于3～20μm的范围的本发明例的试样，都显示出优异的抗红氧化皮性及镀覆层的耐剥离性。尤其是镀层的平均厚度小于15μm的试样，显示出更加优异的耐剥离性。
与此相反，作为比较例的No.51、54由于Al基镀层的平均厚度过薄，因此抗红氧化皮性差。No.52、53、55、56、57，由于Al基镀层的平均厚度超过了20μm，镀覆层的耐剥离性差。其中，由于No.57基材钢板的Ti含量过多，低温韧性也差。由于No.58基材钢板的Cr含量、No.59基材钢板的Mo含量分别过多，因此成形性及低温韧性差。由于No.60基材钢板的Si、Mn含量过多，因此低温韧性差。由于No.61基材钢板的Cr含量过少，抗红氧化皮性差。由于No.62基材钢板的Cu含量过多，因此成形性及低温韧性差。