JP2006283111A - アルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板、その鋼板を用いた接合方法および接合継手 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム系材料とのロウ付け接合により、剪断引張強度のみならず引き剥がし強度にも優れた接合継手が得られるような鋼板を提供する。
【解決手段】本発明に係る鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板および電気亜鉛めっき鋼板よりなる群から選ばれたいずれか１種の鋼板であって、質量％で（以下、同じ。）、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２を満たすことを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、自動車用構造物などの組立工程の際に必要となる鋼板とアルミニウム系材料との接合技術に関し、詳しくは、アルミニウム系材料とロウ付けで接合するのに適した鋼板、その鋼板とアルミニウム系材料との接合方法、およびその方法で接合された接合継手に関する。

鉄系材料の一種である鋼板とアルミニウム系材料（アルミニウムおよびアルミニウム合金を総称したもの）とを接合する場合、接合部に脆い金属間化合物が生成しやすいために信頼性のある高強度を有する接合部を得ることは非常に困難であった。

この対策として以下のような多数の従来技術が開示されている。

例えば、鉄系材料の表面に特定の組成の鉄−クロム層を設けアルミニウムと重ね合わせて加圧しながら加熱して接合する方法（特許文献１参照）、予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド材を介在させてレーザ溶接、抵抗溶接またはシーム溶接する方法（特許文献２〜４参照）、鉄系材料の接合部にアルミニウム系溶射材を溶射しＴＩＧ溶接する方法（特許文献５参照）、鉄系材料の接合部にアルミニウム、銅、亜鉛などのめっきを施しロウ付けする方法（特許文献６および７参照）、接合面に岩塩型構造の窒化物、炭化物またはケイフッ化カリウムの被覆層を形成しロウ付けする方法（特許文献８および９参照）などである。

しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。

鉄系材料の表面に特定の組成の鉄−クロム層を設けアルミニウムと重ね合わせて加圧しながら加熱して接合する方法（特許文献１参照）は、平板など比較的単純な形状の部材同士の接合には利用可能であるが、プレス加工品など部材の形状が複雑な場合には適用できないため、適用範囲が狭く汎用性が劣っている。

予め用意した鉄系材料層およびアルミニウム合金層からなる２層のクラッド材を介在させてレーザ溶接、抵抗溶接またはシーム溶接する方法（特許文献２〜４参照）では、鉄系材料とアルミニウム系材料との間にクラッド材がインサートされるため、２枚の板の接合が３枚の板の接合となる。このため、実際の施工時にインサート材（クラッド材）の挿入工程や固定工程を必要とし工程が複雑となるため品質の安定性が確保できない問題がある。

鉄系材料の接合部にアルミニウム系溶射材を溶射しＴＩＧ溶接する方法（特許文献５参照）、鉄系材料の接合部にアルミニウム、銅、亜鉛などのめっきを施しロウ付けする方法（特許文献６および７参照）、接合面に岩塩型構造の窒化物、炭化物またはケイフッ化カリウムの被覆層を形成しロウ付けする方法（特許文献８および９参照）は、溶射やめっき、コーティングの工程を必要とし、上記と同様に工程が複雑となるため品質の安定性が確保できない問題がある。

上記いずれの方法とも、上記問題以外に、現状の溶接ラインに新たな設備を組み入れなければならないため設備コストが高くなる問題があった。さらに、クラッド材を用いる方法では、クラッド材自体も鉄系材料とアルミニウム系材料とを接合して製造する必要があることからその製造条件が厳しく制約され、安価でかつ性能の安定したクラッド材を入手することが困難であった。

鉄系材料とアルミニウム系材料との接合に上記のような種々の方法が提案されている背景の１つとして、鉄系材料とアルミニウム系材料とを直接溶融接合すると接合部に脆弱な金属間化合物が生成し、割れを生じ易くなることが挙げられる。そのため、ロウ材を用いて接合する場合を含めて鉄系材料とアルミニウム系材料とを直接接合する際には、鉄系材料とアルミニウム系材料との界面近傍に脆弱な金属間化合物層を如何にして生成させないようにするかが極めて重要となる。

このような観点から、ロウ材（またはロウ付けワイヤ）の成分を調整して接合部における金属間化合物の生成を抑制しつつ接合する方法（特許文献１０および１１参照）が提案されている。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、ロウ材（またはロウ付けワイヤ）の成分を適切に選定しても、鋼板とアルミニウム系材料とをロウ付けして得られた接合継手は、剪断引張強度はともかくとして、引き剥がし強度が著しく低くなる場合があることがわかった。
特開昭６３−２３５０８３号公報 特開平４−８１２８８号公報 特開平７−４７４７７号公報 特開平１１−１９７８４６号公報 特開平１１−２９１０４３号公報 特開昭６２−２３８０６６号公報 特開平５−１８５２１７号公報 特開平８−２５７７４３号公報 特開平９−２２５６３１号公報 特開平３−２８５７６１号公報 特開２００３−３３８６５号公報

そこで、本発明は、アルミニウム系材料とのロウ付け接合により、剪断引張強度のみならず引き剥がし強度にも優れた接合継手が得られるような鋼板を提供することを目的とし、さらにその鋼板を用いた接合方法および接合継手を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、溶融亜鉛めっき鋼板および電気亜鉛めっき鋼板よりなる群から選ばれたいずれか１種の鋼板であって、質量％で（以下、同じ。）、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２を満たすことを特徴とする、アルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項２に記載の発明は、さらに、Ｃｒ、Ｍｏのうち１種または２種を合計で１．０％以下含有する、請求項１に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項３に記載の発明は、さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒのうち１種または２種以上を合計で０．１％以下含有する、請求項１または２に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項４に記載の発明は、さらに、Ｂ：０．００３％以下含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項５に記載の発明は、さらに、Ｃｕ、Ｎｉのうち１種または２種を合計で０．６％以下含有する、項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項６に記載の発明は、さらに、Ｃａ：０．００５％以下含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板である。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼板と、アルミニウム系材料とをロウ付けで接合することを特徴とする、鋼板とアルミニウム系材料との接合方法である。

請求項８に記載の発明は、前記ロウ付けがＭＩＧロウ付けまたはＴＩＧロウ付けである、請求項７に記載の鋼板とアルミニウム系材料との接合方法である。

請求項９に記載の発明は、前記請求項７または８に記載の方法で接合されたものである、鋼板とアルミニウム系材料との接合継手である。

本発明に係る鋼板を用いることにより、アルミニウム材料とロウ付けする際の加熱によって鋼板の接合部表面にＣおよびＭｎが濃化し、アルミニウム系材料との界面に生成する脆い鉄−アルミニウム金属間化合物の生成が抑制され、剪断引張強度のみならず引き剥がし強度にも優れた接合継手が得られる。

〔実施形態〕
（１）本発明に係る鋼板の構成
まず、本発明に係る鋼板の化学成分の限定理由について説明する。

Ｃは、マルテンサイト等の低温変態組織を生成し、鋼板を高強度化するために必須の元素であり、このＣ量が低くなると所定の低温変態組織量が得られず強度不足を招くため、下限を０．０５％とする。しかし、過多に含有させると成形性や溶接性が阻害されるので、含有量の上限を０．２５％とする。より好ましいＣ含有量の範囲は０．０５〜０．２０％である。

Ｓｉは、鋼板の伸びの低下を抑制しながら高強度化するために有効な固溶強化元素である。しかし、含有量が多すぎると、化成処理性や亜鉛めっき等のめっき密着性を劣化させるので、その上限を１．５％とする。より好ましいＳｉ含有量の上限は１．０％である。

Ｍｎは、Ｃ同様、鋼板を高強度化するために必須の元素であるが、含有量が多いと延性を劣化させるので、その上限を３．５％とする。一方、０．１％より少ないとその効果が過小であるので、下限を０．１％とする。より好ましいＭｎ含有量の範囲は０．５〜０．０３％である。

Ｐは、鋼板を強化し延性を高めるためにも有効な元素であるが、反面、粒界に偏析しやすく粒界強度を低下させ靭性も低下するので、その上限は０．０５％とする。より好ましいＰ含有量の範囲は０．０１〜０．０３％である。

Ｓは不純物であり、含有量が多いと鋼中の介在物が増加して加工性が劣化するので、その上限を０．０３％とする。より好ましいＳ含有量の上限は０．０１５％である。

Ａｌは溶鋼の脱酸剤として有用な元素である。しかし、含有量が０．１％を超えると鋼板の清浄度が損なわれるとともに、表面疵が生じ易くなるので、その上限を０．１０％とする。より好ましいＡｌ含有量の範囲は０．０３〜０．０６％である。

次に、Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２の規定を設けた理由について説明する。発明者らの検討によれば、アルミニウム材料とロウ付けする際の加熱によって鋼板の接合部表面にＣおよびＭｎが濃化する現象が認められた。現段階では詳細なメカニズムは明確ではないが、このＣおよびＭｎの濃化の度合いが一定以上になると、アルミニウム系材料との界面に生成する脆い鉄−アルミニウム金属間化合物の生成が顕著に抑制されるようになり、剪断引張強度とともに引き剥がし強度にも優れた接合継手が得られることがわかった。さらに、この接合継手の剪断引張強度および引き剥がし強度は、ともにＣ＋Ｍｎ／４０と強い相関関係を有し、Ｃ＋Ｍｎ／４０が０．１２以上になると剪断引張強度、引き剥がし強度とも所要の強度が得られることを見いだした（後記実施例参照）。以上より、Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２と規定した。

また本発明に係る鋼板には、上記以外に下記の化学成分を含有させてもよい。

Ｃｒ，Ｍｏは、鋼板の焼入れ性を向上させるために有効な元素である。しかし、これらの元素を過度に含有させると、延性の低下をもたらすとともに高価な金属であるので製造コストが高くなる。したがって、含有量の上限はＣｒおよびＭｏの合計量で１．０％とする。なお、ＣｒおよびＭｏは、どちらか１種のみを含有させてもよいし、両方とも含有させてもよい。

Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｚｒは、組織の微細化や析出強化を目的として含有させるものである。しかし、これらの元素を過度に含有させると、析出物が増加し、延性を著しく劣化させるため、含有量の上限は、Ｔｉ、Ｎｂ、ＶおよびＺｒの合計量で０．１％とする。なお、これらの元素は、いずれか１種のみを含有させてもよいし、いずれか２種以上を含有させてもよい。

Ｂは、鋼板の焼入れ性を大きく向上するとともに、焼入れ組織の靱性向上にも効果のある有用な元素である。しかし、過度に含有させるとその効果が飽和するとともに延性を低下させるので、０．００３％を含有量の上限とする。

Ｃｕ，Ｎｉは、生成錆を緻密化して大気環境下における鋼板の腐食速度を著しく低減し、耐遅れ破壊特性の向上を図る上で極めて有用な元素である。また、これらの元素は電気化学的に鉄よりも貴な元素であることから、相乗的に鋼板の耐食性を向上させる。しかし、これらの元素の過度の含有は、熱間圧延時に脆化を引き起こす恐れがあるとともに、高価な金属であるので製造コストが高くなる。したがって、含有量の上限はＣｕおよびＮｉの合計量で０．６％とする。なお、ＣｕおよびＮｉは、どちらか１種のみを含有させてもよいし、両方とも含有させてもよい。

Ｃａは、硫化物系介在物の低減そのものと、生じる硫化物系介在物の形態制御に有用な元素である。しかし、過度の含有は、効果が飽和するとともに、鋼の清浄度を悪くする。したがって、その上限は０．００５％とする。

なお、本発明に係る鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板および電気亜鉛めっき鋼板のうちのいずれであってもよい。ここで、溶融亜鉛めっき鋼板または電気亜鉛めっき鋼板を用いると、アルミニウム系材料とロウ付けする際、亜鉛めっきとロウ材の界面において、金属間化合物および酸化物からなる層が形成される。そして、この層中のめっき成分である亜鉛が、母材の鋼板およびアルミニウム系材料（異種金属部材と総称）の表面の酸化物から酸素を奪いながら、ロウ材中に拡散していく。これにより、異種金属部材の表面は活性化され、ロウ材のぬれが生じ、異種金属部材表面には、ロウ材の成分と異種金属部材の成分とからなる化合物層が形成されるとともに、その化合物層を介してロウ材が強固に付着し、ロウ材からなるめっき層が形成される（特許文献７の段落［０００６］参照）。したがって、溶融亜鉛めっき鋼板または電気亜鉛めっき鋼板を用いると、亜鉛めっきを施していない裸の鋼板を用いる場合に比べて、より接合強度に優れた継手が得られるものと推察される。

（２）本発明に係る鋼板を用いた接合方法
上記化学成分からなる鋼板をアルミニウム系材料とロウ付けすることにより、剪断引張強度とともに引き剥がし強度にも優れた接合継手が得られる。

ここで、ロウ材としては、アルミニウム系材料どうしを接合するのに一般的に用いられるロウ材であれば特に限定されないが、例えば銅合金、Ｎｉ合金、アルミニウム合金等を用いることができる。

また、ロウ付け方法としては、通常の手作業で行うロウ付け法の他、汎用の溶接装置を使用しアークによってロウ付けを行うＭＩＧロウ付け法（特許文献１１参照）やＴＩＧロウ付け法などを用いることもできる。なお、ＭＩＧロウ付け法に用いられる溶接形態としては、その溶滴移行現象に関係して、短絡アーク、パルスアーク、スプレーアーク等による直流ＭＩＧならびに交流ＭＩＧが存在するが、いずれの溶接形態においても本発明の効果が得られるものであり、限定されるものではない。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

アルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤを用いて、表１に示す種々の化学成分を有する鋼板Ａとアルミニウム系材料Ｂとの重ねすみ肉溶接試験を行った。溶接条件は、電流：８５Ａ、電圧：１０Ｖ、速度：１８０ｃｍ／ｍｉｎである。また、シールドガスとしてはＡｒ（流量は２５Ｌ／ｍｉｎ）を使用し、アークの狙い位置は下板側コーナ部１１ｂとした。

具体的には、厚さ１．０ｍｍのアルミニウム系材料としてのＡ６０２２アルミニウム合金板Ｂ（下板１２）と、厚さ１．０〜１．４ｍｍの鋼板Ａ（上板１１）とを重ね合わせて重ねすみ肉継手を形成し、アルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤ１３を用いて鋼板Ａとアルミニウム合金板Ｂとの溶接（接合）を行なった（図１参照）。なお、鋼板Ａとしては、溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＩ）または電気亜鉛めっき鋼板（ＥＧ）を用いた。また、アルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤ１３としては、Ｓｉを２．５％含有したアルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤ、Ｓｉを５％含有したアルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤ（Ａ４０４３）、またはＭｇを２．５％含有したアルミ合金系ＭＩＧロウ付け用ワイヤ（Ａ５５５４）を用いた。

試験片の平面サイズは、鋼板Ａ、アルミニウム合金板Ｂとも１５０ｍｍ×４００ｍｍとし、直径１．２ｍｍの溶接ワイヤ（ＭＩＧロウ付用ワイヤ）１３を使用した。溶接（接合）後、板幅２５ｍｍの継手強度評価用試験片を採取し、図２に示す剪断引張り試験片、またはジグに挟み込み接合部（上板１１の端面）から１０ｍｍの位置で９０度曲げて図３に示す引き剥がし試験片とした。そして、それぞれの試験片を用いて１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で剪断引張試験と引き剥がし試験を行い、下記式（１）にしたがい継手強度を、式（２）にしたがい強度比を算出した。なお、Ａ６０２２アルミニウム合金板どうしの継手強度は上記と同様の実験により測定し、その剪断引張強度は１５８Ｎ／ｍｍ、引き剥がし強度は３０．３Ｎ／ｍｍであった。

式（１）（継手強度）＝（最大荷重点荷重）／（接合部長さ）
式（２）（強度比）＝（継手強度）／（６０２２アルミニウム合金板どうしの継手強度）

表１に、本溶接試験に使用した各鋼板のめっきの種類、鋼の成分、機械的性質（ＪＩＳ５号試験片にて測定）、めっき付着量および板厚を示す。表２に、本溶接試験で得られた継手の剪断引張り強度、引き剥がし強度およびこれらの強度比を示す。

また、図５に鋼板のＣ＋Ｍｎ／４０と継手の剪断引張強度の強度比との関係を、図６に鋼板のＣ＋Ｍｎ／４０と継手の引き剥がし強度の強度比との関係を示す。図５および図６より、Ｃ＋Ｍｎ／４０＜０．１２では剪断引張強度の強度比は８０％を下回ることがあり、また引き剥がし強度の強度比はすべて５０％を下回る（表２の鋼種Ｎｏ．１０〜１３参照）のに対し、２Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２とすることで剪断引張強度の強度比は常に８０％以上、引き剥がし強度の強度比は常に５０％以上が得られる（表２の鋼種Ｎｏ．１〜９参照）ことがわかる。さらに、表１および表２の鋼種Ｎｏ．１１のデータから明らかなように、単にＣおよびＭｎを含めた個々の元素の含有量が本発明の成分範囲を満たすだけでは不十分であり、Ｃ＋Ｍｎ／４０の値が本発明の規定する範囲（０．１２以上）を満たさない限りは、引き剥がし強度が十分に得られないことがわかる。

また、接合部近傍のＥＰＭＡ分析により、発明例の鋼板を用いた場合は、比較例の鋼板を用いた場合に比べ、ロウ付け後の鋼板の接合部表面にＣおよびＭｎがより高濃度に濃化しているのが認められた。

したがって、本発明が規定する各元素の成分範囲とＣ＋Ｍｎ／４０≧０．１２とを同時に満たす鋼板を用いることにより、アルミニウム系材料とロウ付けしても、剪断引張強度のみならず引き剥がし強度も安定して高い値を示す接合継手が得られることを確認できた。

重ねすみ肉溶接方法を模式的に示す断面図である。 剪断引張試験片の構成を模式的に示す断面図である。 引き剥がし試験片の構成を模式的に示す断面図である。 Ｃ＋Ｍｎ／４０と剪断引張強度の強度比との関係を示すグラフ図である。 Ｃ＋Ｍｎ／４０と引き剥がし強度の強度比との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１１…上板
１１ｂ…下板側コーナ部
１２…下板
１３…ＭＩＧロウ付用ワイヤ（溶接ワイヤ）
１４…アークトーチ（溶接トーチ）
Ａ…鋼板
Ｂ…アルミニウム系材料（アルミニウム合金板）
Ｃ…ロウ材（溶接金属）

Claims (9)

1. 溶融亜鉛めっき鋼板および電気亜鉛めっき鋼板よりなる群から選ばれたいずれか１種の鋼板であって、質量％で（以下、同じ。）、Ｃ：０．０５〜０．２５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：０．１〜３．５％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ａｌ：０．１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなり、かつ、Ｃ＋Ｍｎ／４０≧０．１２を満たすことを特徴とする、アルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
2. さらに、Ｃｒ、Ｍｏのうち１種または２種を合計で１．０％以下含有する、請求項１に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
3. さらに、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒのうち１種または２種以上を合計で０．１％以下含有する、請求項１または２に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
4. さらに、Ｂ：０．００３％以下含有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
5. さらに、Ｃｕ、Ｎｉのうち１種または２種を合計で０．６％以下含有する、項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
6. さらに、Ｃａ：０．００５％以下含有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウム系材料とのロウ付け接合用鋼板。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の鋼板と、アルミニウム系材料とをロウ付けで接合することを特徴とする、鋼板とアルミニウム系材料との接合方法。
8. 前記ロウ付けがＭＩＧロウ付けまたはＴＩＧロウ付けである、請求項７に記載の鋼板とアルミニウム系材料との接合方法。
9. 前記請求項７または８に記載の方法で接合されたものである、鋼板とアルミニウム系材料との接合継手。
   
   

Images