JP2007146199A

JP2007146199A - 自動車用防錆構造体

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Publication number: JP2007146199A
Application number: JP2005339632A
Authority: JP
Inventors: Susumu Ueno; 晋上野; Takao Tsujimura; 太佳夫辻村; Takeshi Shimizu; 剛清水
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】スポット溶接性，耐食性を両立させた自動車用防錆構造体を提供する。
【解決手段】リーンホースメント1をシルアウター2，シルインナー3で挟み、スポット溶接4したシル構造体であり、Mg：1〜5質量％，Al：3〜22質量％，必要に応じTi：0.001〜0.1質量％，B：0.0005〜0.01質量％のZn-Al-Mg合金めっき層が設けられためっき鋼板でリーンホースメント1を作製している。Zn-Al-Mg合金めっき層は、Zr，Y，Si，希土類元素から選ばれた少なくとも一種の易酸化性元素を0.002〜0.05質量％含む場合もあり、両面合計の付着量：180g/m²以下で鋼板表面に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の鋼板で閉鎖空間を区画し、耐食性に優れたシルとして使用される自動車用防錆構造体に関する。

自動車ボディサイドパネルの下方に、複数の鋼板を閉断面構造に組み合わせたシルが設けられている。シルは、補強材としてリーンホースメント１を挟んだシルアウター２，シルインナー３をスポット溶接４した袋状の断面構造(図１)をもっている。袋構造であるため、ボディ組立て後の電着塗装工程で塗料の付着量が少なくなる(いわゆる"付き廻りが悪くなる")ことが避けられず、他の部位に比較して耐食性に劣る。
自動車の実用環境を想定すると、耐食性に劣るシルは敬遠される。たとえば、寒冷地や降雪地域では融雪塩が路面に散布されるが、融雪塩を含む塩水が車輪で巻き上げられシルに浸入すると、ボディ外部のように雨水等で洗い流されずに塩水が濃縮しやすい。その結果、シル内は鋼材にとって非常に過酷な腐食環境になる。

電着塗料の付き廻りが悪い部位への塩水浸入は、シーラー(防水剤)の増量や入念な付着によって防止できるが、シーラー消費量の増加や作業者の手間増加によるコスト上昇が無視できない。電着塗料の付き廻りが悪い部位に樹脂塗膜を設けると、良好な耐食性能を付与できる(特許文献１)。しかし、樹脂塗膜のためスポット溶接が困難になり、スポット溶接時に樹脂塗膜が分解し異臭発生の虞もある。
特開平10-45025号公報

車両用資材として、耐食性に優れたＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき鋼板の使用も知られている(特許文献２)。しかし、特許文献２は、ブラケット用，足廻り用，構造用，保護部材，内装材，外装材等にＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき鋼板が使用可能なことを示しているに過ぎず、具体的な適用形態を開示するものではない。
特開2002-363721号公報

本発明者等は、過酷な腐食環境に曝されるシルにＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき鋼板を適用した場合の耐食性，スポット溶接性等について詳細に調査・実験を重ねた。その結果、Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき鋼板を使用する際の適正条件を見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、適正な組合せで選択されためっき鋼板をシルアウター，シルインナー，リーンホースメントの素材に使用することにより、スポット溶接性，耐食性を両立させ、融雪剤撒布等の過酷な腐食環境に曝された場合でも長期にわたって優れた特性を維持する自動車用防錆構造体を提供することを目的とする。

本発明の自動車用防錆構造体は、シルアウターとシルインナーとの間にリーンホースメントを挟んだ袋構造を有し、リーンホースメントがＭｇ：１〜５質量％，Ａｌ：３〜２２質量％を含むＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層を有するめっき鋼板を素材とすることを特徴とする。
Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層は、更にＴｉ：０.００１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００５〜０.０１質量％及び／又はＺｒ，Ｙ，Ｓｉ，希土類元素から選ばれた少なくとも一種の易酸化性元素：０.００２〜０.０５質量％を含むことができる。Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層は、好ましくは両面合計の付着量：１８０ｇ／ｍ²以下で鋼板表面に設けられている。シルアウター、シルインナーには、合金化溶融亜鉛めっき鋼板や冷延鋼板が使用される。

過酷な腐食環境に曝される降雪地帯で１０年間使用された自動車のシル〔合金化溶融亜鉛めっき鋼板(以下、"GA"という)製〕の腐食状況を調査した結果、シル内下側の合せ部近傍５(図２)で腐食の進展が著しく、元板厚：０.７ｍｍの鋼板に穴開きが発生した個所も検出された。シル内の電着塗膜は、１０μｍ程度付着した個所が大半であったが、スポット溶接４された合せ部６では３μｍ以下に薄くなっており，塗膜が全く付着していない個所も散見された。これらの調査結果を基にシルを模擬したサンプルを作製し、更に実験・調査を重ねた結果、シル内の腐食が次のように進行すると推定した。

塩水等の腐食因子がシル内に浸入すると、電着塗膜が薄い又は付着していない合せ部６にあるGAめっき層が溶け出し、鋼材の腐食が進行して鉄錆７が発生する(図３)。腐食の進行に伴い合せ部６に鉄錆７が充填されると、酸素の供給が断たれ、合せ部６の腐食進行が遅延する。腐食は合せ部６に留まらず、塗膜下で進行して開口部８(図４)に伝播することもある。開口部８は、鉄錆７の成長如何に拘わらず酸素供給が継続される点で合せ部６と異なり、腐食反応が持続する環境にある。そのため、開口部８では、合せ部６に比較してかなり早い段階で穴開きが発生する。本実験の腐食現象は、高い対応関係で実車のシル部に生じた腐食状態を反映していた。

以上の調査・実験結果から、シル合せ部の耐食性を高めて鉄錆の発生を遅らせることが可能になると開口部の早期穴開きが抑制されることが予想される。そこで、合せ部の耐食性を向上させる方法に検討を進めた。
先ず、GAめっき層の付着量増加で耐食性向上を図ったが、シルに要求される高耐食性を得るまでめっき付着量を増加することは製造ラインでの合金化反応時間の制約，プレス成形時のパウダリング等から困難である。

GAめっき鋼板に代えて高めっき付着量の溶融亜鉛めっき鋼板(以下、"GI"という)や溶融Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき鋼板(以下、"ZAM"という)を使用すると、GAめっき鋼板同士を合わせたときに比較して合せ部での鉄錆発生時期が遅延し、結果的に開口部の早期穴開きを抑制できた。しかし、GIめっき鋼板，ZAMめっき鋼板がスポット溶接電極と直接接触して電極を消耗するため、連続打点数が極端に減少する。この点、GAめっき鋼板や冷延鋼板は、溶接電極の溶損が少なく、GIめっき鋼板，ZAMめっき鋼板に比較してスポット溶接性に優れている。

そこで、スポット溶接電極と直接接触するシルインナー，シルアウターにGAめっき鋼板を用い、高めっき付着量のGIめっき鋼板をリーンホースメントに用いたところ、耐食性は向上したもののスポット溶接性が低下した。スポット溶接性の低下は、次のように説明できる。
スポット溶接時にめっき鋼板が高温に加熱されると、低融点のGIめっき層は付着量が多いため溶融領域が広範囲に広がる。GIめっき層の溶融領域拡大に伴い、GAめっき鋼板／GIめっき鋼板間の接触面積が増加し溶接電流密度が低下する。溶接電流密度の低下を補って適正形状のナゲットを形成するためには、溶接電流を上げる必要がある。しかし、溶接電流の上昇は、めっき鋼板／スポット溶接電極間の発熱量を増加させ、ひいてはスポット溶接電極の消耗を助長する。すなわち、リーンホースメントにGIめっき鋼板を用いても、スポット溶接性，耐食性の両立が困難である。

これに対し、シルアウター，シルインナーにGAめっき鋼板を用い、両面合計のめっき付着量が５０ｇ／ｍ²以上のZAMめっき鋼板をリーンホースメントに用いたところ、シル合せ面の耐食性が向上し、リーンホースメント，シルアウター，シルインナーの全てをGAめっき鋼板製とした現行構成の構造体をスポット溶接した場合と同レベルの連続打点数であった。しかし、Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層の過剰付着はGIめっき鋼板と同様にスポット溶接性低下の原因となるので、めっき付着量の上限を両面合計で１８０ｇ／ｍ²とした。好ましくは、８０〜１４０ｇ／ｍ²の範囲で両面合計のめっき付着量が選定される。

GAめっき鋼板／ZAMめっき鋼板の組合せで耐食性が向上した理由は、次のように推察される。
リーンホースメントに使用しているZAMめっき鋼板からＭｇ含有亜鉛系腐食生成物が腐食開始当初に生成するが、Ｍｇ含有亜鉛系腐食生成物は非常に緻密で安定した皮膜となってリーンホースメントは勿論、シルアウター，シルインナーのGAめっき層表面も覆う。環境遮断能に優れた皮膜で合せ部の鋼材が保護されるため、鉄錆の発生が遅延し、更には開口部に鉄錆が広がることが抑えられ、結果として開口部の耐食性が向上する。

リーンホースメントにZAMめっき鋼板を使用することにより、スポット溶接性の低下がなくシル全体の耐食性が向上する。しかし、シルアウター，シルインナーにもZAMめっき鋼板を使用すると、スポット溶接時にＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層が電極に直接接触する。Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層はＡｌを含んでいるので電極先端との合金化反応が早期に生じ、電極の先端が拡径して溶接電流密度の低下を引き起こす。そのため、目標とする連続打点数が得られない。このようなことから、シルアウター，シルインナーの素材には、スポット溶接電極の良好なGAめっき鋼板，冷延鋼板等を使用し、スポット溶接電極の低下なく耐食性の向上を図っている。

リーンホースメントに使用されるZAMめっき鋼板は、Ｚｎ相，Ａｌ相，Ｚｎ₂Ｍｇ相が微細分散したＺｎ／Ａｌ／Ｚｎ₂Ｍｇ三元共晶組織のめっき層を有し、腐食初期からＭｇを含む亜鉛系腐食生成物が非常に緻密で安定な皮膜となって表面を覆うので、長期にわたって腐食反応を抑制する。
腐食反応の抑制に及ぼすＭｇの影響は、Ｍｇ濃度：１質量％以上のめっき層でみられ、Ｍｇ濃度の上昇に伴い亜鉛系腐食生成物の安定性，耐久性が向上する。しかし、過剰量のＭｇが含まれると、三元共晶組織の他にＺｎ₂Ｍｇ相が現れる。Ｚｎ₂Ｍｇ相は、Ｚｎ相よりも電位的に卑であり、めっき層内で優先的に腐食する。そのため、Ｚｎ₂Ｍｇ相が多いほど、換言すればＭｇ添加量が過剰なほど、めっき層内で優先腐食する部分が増え、腐食領域が広範囲に広がる。このようなＺｎ₂Ｍｇ相起因の悪影響は、Ｍｇ含有量を５質量％以下にすることにより抑制できる。

また、Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層にＺｎ₁₁Ｍｇ₂相が晶出すると、耐食性，外観を劣化するので、Ｔｉ，Ｂの添加でＺｎ₁₁Ｍｇ₂相の晶出を防止することが好ましい。この点では、Ｔｉ：０.００１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００５〜０.０１質量％の範囲で添加量が定められる。
Ａｌは、めっき層をＺｎ／Ａｌ／Ｚｎ₂Ｍｇ三元共晶組織にする上で必須の成分であり、めっき浴に含まれているＭｇの酸化を抑制してドロス発生を低減する作用も呈する。このような効果は３質量％以上のＡｌでみられ、Ａｌ濃度の上昇に伴ってＺｎ₂Ｍｇ相が微細化し耐食性が向上する。しかし、過剰量のＡｌが含まれると三元共晶組織以外の部分でめっき層に占めるＡｌ相の割合が多くなり耐食性を低下させるので、Ａｌ含有量の上限を２２質量％(好ましくは、１０質量％)とする。

めっき層に含まれるＡｌが多くなるとめっき密着性が低下して加工時にめっき剥離が生じやすくなるが、Ａｌ添加に伴うめっき密着性の低下は微量のＳｉ添加で防止できる。
また、ＺＡＭめっき鋼板は、コイル保管時等にめっき層表面に生成する酸化皮膜による化成処理性の阻害が懸念される。化成処理性に有害な酸化皮膜の生成は、Ｚｒ，Ｙ，Ｓｉ，希土類元素から選ばれた少なくとも一種の易酸化性元素を０.００２〜０.０５質量％添加することにより抑制できる。

ZAMめっき鋼板をリーンホースメントに用いた自動車用防錆構造体では、Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層の付着量が多いほどシル全体の耐食性が向上する。しかし、過剰なめっき付着量は、スポット溶接時にめっき層の溶融領域が広がり，鋼板間の接触面積の増大を意味し、溶接電流密度の低減，スポット溶接性の劣化を引き起こす。そのため、Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層の付着量は、両面合計１８０ｇ／ｍ²以下(好ましくは、１４０ｇ／ｍ²以下)に規制される。

以上に説明したように、スポット溶接性の良好なGAめっき鋼板又は冷延鋼板をシルアウター，シルインナーの素材とし、シルアウター，シルインナーに挟まれるリーンホースメントにZAMめっき鋼板を使用することにより、従来品と同等のスポット溶接性を維持しながら袋構造部の耐食性を格段に向上できる。しかも、リーンホースメントの素材をZAMめっき鋼板に置き換えるだけでよいので、大幅なコストアップを招くこともない。

シルアウター，シルインナーの素材として、両面合計のめっき付着量が９３ｇ／ｍ²で板厚：０.７ｍｍのGAめっき鋼板を二枚用意した。GAめっき鋼板の間に板厚：０.７ｍｍの各種めっき鋼板を挟み、三枚重ね合わせてスポット溶接した。同じ条件下でスポット溶接を繰り返して連続打点数をカウントし、連続打点数でスポット溶接性を評価した。
スポット溶接条件及びスポット溶接性の評価基準を表１に示す。表１では、シルアウター，シルインナーに冷延鋼板を用いた場合も併せ示す。

シル下部の耐食性を調査するため、同じ条件下でスポット溶接して図５に示す試験片を作製し、表２に示す化成処理，電着塗装を施した後、JIS H8502に従って中性塩水を噴霧する促進腐食試験に供した。２００サイクルの促進腐食試験後にシルアウターから電着塗膜，腐食生成物を除去し、図５に破線９で示す領域にある測定点１０ヶ所で鋼材侵食量を測定し、上位５点の平均値を算出した。算出結果から表２の評価基準に従って耐食性を評価した。

スポット溶接性，耐食性の調査結果を表３に示す。ただし、試験No.１１，１２はシルアウター，シルインナーに板厚：０.７ｍｍの冷延鋼板を用いた場合である。
表３にみられるように、リーンホースメントにZAMめっき鋼板を用いた本発明例No.１〜３は、スポット溶接性，耐食性共に優れていた。同じZAMめっき鋼板を用いた場合でもめっき付着量が過剰な試験No.４では、耐食性の向上がみられるものの、スポット溶接性が若干低下していた。

リーンホースメントにGAめっき鋼板を用いた比較例No.５，６，めっき付着量の少ないGIめっき鋼板を用いた比較例No.７，８，電気亜鉛めっき鋼板を用いた比較例No.１０では、スポット溶接性は良好であったが耐食性に劣っていた。めっき付着量の多いGIめっき鋼板をリーンホースメントに用いた比較例No.９では、耐食性を満足するもののスポット溶接性に劣っていた。
リーンホースメントをZAMめっき鋼板製とする効果は、本発明例No.１１にみられるように、シルアウター，シルインナーに冷延鋼板を用いた場合でも得られている。

以上の例では、シルアウター，シルインナーにGAめっき鋼板，冷延鋼板を用いた。しかし、本発明は、自動車用鋼材として用いられる可能性のある鋼板(具体的には、GIめっき鋼板，電気亜鉛めっき鋼板等の各種表面処理鋼板，高張力鋼板，深絞り用鋼板)の使用を排除するものではない。また、リーンホースメントが一枚の場合を例に掲げたが、自動車用防錆構造体の設計によっては二枚又は二枚以上のリーンホースメントを組み込む場合もある。更には、シルアウター，シルインナーで挟まれるZAMめっき鋼板がシル構造の補強以外に他の機能を有する部材，単に防錆のために挟み込まれる部材であっても、本発明の範疇にある。

シル構造体の模式的な断面図シル構造体において腐食因子が溜まりやすい個所を示す部分断面図鉄錆が発生した合せ部の断面図鉄錆が発生した開口部の断面図実施例で侵食深さを測定した個所の説明図実施例で用いたスポット溶接電極の先端形状を示す図

符号の説明

１：リーンホースメント２：シルアウター３：シルインナー４：スポット溶接５：合せ部近傍６：電着塗膜が薄い又は付着していない合せ部７：鉄錆８：開口部９：侵食深さを測定した領域

Claims

シルアウターとシルインナーとの間にリーンホースメントを挟んだ袋構造を有し、リーンホースメントがＭｇ：１〜５質量％，Ａｌ：３〜２２質量％を含むＺｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層を有するめっき鋼板を素材としていることを特徴とする自動車用防錆構造体。
Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層が更にＴｉ：０.００１〜０.１質量％，Ｂ：０.０００５〜０.０１質量％を含む請求項１記載の自動車用防錆構造体。
Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層が更にＺｒ，Ｙ，Ｓｉ，希土類元素から選ばれた少なくとも一種の易酸化性元素：０.００２〜０.０５質量％を含む請求項１又は２記載の自動車用防錆構造体。
Ｚｎ-Ａｌ-Ｍｇ合金めっき層の付着量が鋼板の両面合計で１８０ｇ／ｍ²以下である請求項１〜３何れかに記載の自動車用防錆構造体。
シルアウター、シルインナーが合金化溶融亜鉛めっき鋼板又は冷延鋼板を素材としている請求項１〜４何れかに記載の自動車用防錆構造体。