JP2022535851A - 組立体を製造する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、プレコート鋼基材であって、- チタンを含む第1のプレコートであって、40nm~1200nmの厚さを有する第1のプレコート、- 任意に、少なくとも8重量%のニッケル及び少なくとも10重量%のクロムを含み、残余が鉄である中間プレコート層又はFe、Ni、Cr及びTiを含み、Tiの量が5重量%以上であり、かつ次の式、すなわち、8重量%<Cr+Ti<40重量%が満たされ、残余がFe及びNiである中間プレコート層であって、2nm~30nmの厚さを有する中間プレコート層、- 亜鉛をベースとする被膜である第2のプレコート層で被覆され、及び- 鋼基材が、0.05重量%を超えるSiを含むプレコート鋼基材に関する。

Description

本発明は、プレコート鋼基材、被覆鋼基材の製造方法、組立体の製造方法及び組立体に関する。本発明は、建設業及び自動車産業に特によく適している。
亜鉛をベースとする被膜は、バリア保護及びカソード防食のおかげで腐食に対する保護を与えるため、一般に使用されている。バリア効果は、金属又は非金属被膜を鋼表面に施すことにより得られる。したがって、被膜は鋼と腐食性雰囲気との接触を妨げる。バリア効果は、被膜及び基材の性質とは無関係である。これに反して、犠牲カソード防食は、EMFシリーズのように、亜鉛が鋼と比較して活性な金属であるという事実に基づいている。このように、腐食が起こると、亜鉛が鋼に比べて優先的に消費される。カソード防食は、周囲の亜鉛が鋼より先に消費されるカットエッジのように、鋼が腐食性雰囲気に直接曝される領域では不可欠である。
しかし、例えば、ホットプレス硬化又は抵抗スポット溶接の際に、このような亜鉛被覆鋼板に対して加熱工程を実施すると、鋼/被膜界面から始まるひび割れが鋼に観察される。確かに、時々、上記作業後の被覆鋼板に亀裂が存在することにより機械的特性が低下する。これらの亀裂は、被膜材料の融点を超える高温、臨界応力の存在と組み合わせた、低融点を有する液体金属(亜鉛など)と基材との接触、鋼基材の結晶粒内及び結晶粒界における溶融金属の拡散及び湿潤という条件下で現れる。このような現象に対する呼称は液体金属脆化(LME)として知られており、液体金属助長割れ(LMAC)とも呼ばれている。
したがって、本発明の目的は、LMEの問題を持たない鋼基材を少なくとも含む組立体を提供することである。これは、特に、熱間プレス形成及び/又は溶接後にLMEの問題を持たないこの組立体を得るための実施が容易な方法を利用できるようにすることを目的とする。
この目的のために、本発明は、請求項1~13のいずれかに記載のプレコート鋼基材に関する。
本発明は、請求項14~16のいずれか一項に記載の、このプレコート鋼基材の製造方法に関する。
本発明はまた、請求項17又は18に記載の組立体の製造方法に関する。
本発明は、請求項19~23に記載の組立体に関する。
最後に、本発明は、請求項24に記載の組立体の使用に関する。
本発明は、以下に、添付図を参照しながら、限定することなく、情報目的のみのために与えられた指標的な例によって説明される。
本発明によるプレコート鋼基材を模式的に表す。 本発明による組立体を表す。
「鋼」又は「鋼板」は、その部品が最大2500MPa、より好ましくは最大2000MPaの引張強さを達成できる組成を有する板、鋼板、コイル、プレートを意味する。例えば、引張強さは500MPa以上、好ましくは980MPa以上、有利には1180MPa以上、さらには1470MPa以上である。
本発明は、プレコート鋼基材であって、
- チタンを含む第1のプレコートであって、40nm~1200nmの厚さを有する第1のプレコート、
- 任意に、少なくとも8重量%のニッケル及び少なくとも10重量%のクロムを含み、残余が鉄である中間プレコート層又はFe、Ni、Cr及びTiを含み、Tiの量が5重量%以上であり、かつ次の式、すなわち、8重量%<Cr+Ti<40重量%が満たされ、残余がFe及びNiである中間プレコート層であって、2nm~30nmの厚さを有する中間プレコート層、
- 亜鉛をベースとする被膜である第2のプレコート層
で被覆され、及び
- 該鋼基材が、0.05重量%を超えるSiを含むプレコート鋼基材に関する。
実際、いかなる理論にも拘束されるつもりはないが、溶接の間、第2のプレコート中の溶融Znは、被膜が鉄で飽和するまで鋼を溶解すると考えられる。Tiを含む第1のプレコートのない標準的なZn被覆鋼では、この最初の急速溶解の後に臨界脆化現象が起こることが観察されている。これは、鋼の結晶粒界における優先的なZn拡散のためであり、特に鋼がSiを含む場合には、それらの凝集強度の大幅な低下をもたらすためである。チタンを含む第1のプレコートが存在する場合、溶融Zn中にFe、Ti及びSiを豊富に含む析出物が形成されるため、鉄中の被膜の飽和が著しく遅れ、溶解がより長く、より深く進むことができるため、基材をLMEから保護することができる。
チタンを含む第1のプレコートの厚さが40nm未満の場合、チタンの量がLMEを防止するように臨界溶接作業の全期間中に溶融被膜中に析出物を形成するのに十分でないおそれがある。1200nmを超えて加えても、さらなる利益はもたらされない。
好ましくは、第1のプレコートはチタンから成り、すなわち、チタンの量は99重量%以上である。
好ましい実施形態では、第1のプレコートは、40~80nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは、80~150nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは、150~250nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは250~450nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは、450~600nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは、600~850nmの間の厚さを有する。別の好ましい実施形態では、第1のプレコートは、850~1200nmの間の厚さを有する。実際、いかなる理論にも拘束されるつもりはないが、これらの厚さがLMEに対する耐性をさらに改善すると考えられる。
好ましくは、中間プレコートが、鋼基材と第1のプレコートとの間に存在し、このような中間層は、鉄、ニッケル、クロム及び任意にチタンを含む。いかなる理論にも拘束されるつもりはないが、中間被覆層は、第1のプレコート上の第2のプレコートの接着性をさらに改善するようである。
好ましい実施形態において、中間層は、少なくとも8重量%のニッケル及び少なくとも10重量%のクロムを含み、残余は鉄である。例えば、金属被覆層は、16~18重量%のCr及び10~14重量%のNiを含み、残部はFeである316Lステンレス鋼である。
別の好ましい実施形態では、中間層はFe、Ni、Cr及びTiを含み、Tiの量は5重量%以上であり、以下の式、すなわち、8重量%<Cr+Ti<40重量%が満たされ、残部はFe及びNiであり、このような中間被覆層は、防食金属被膜である被覆層によって直接覆われる。
中間プレコートが存在する場合、その厚さは2~30nmである。実際、いかなる理論にも拘束されるつもりはないが、この厚さの範囲は、第2のプレコートの接着性の改善を可能にすると考えられる。
別の好ましい実施形態では、亜鉛をベースとする被膜は0.01~8.0%のAl、任意に0.2~8.0%のMgを含み、残余はZnである。例えば、亜鉛をベースとする被膜は、1.2重量%Al及び1.2重量%のMg、又は3.7重量%のAl及び3重量%のMgを含む。より好ましくは、亜鉛をベースとする被膜は0.10~0.40重量%の間のAlを含み、残余はZnである。
好ましくは、鋼基材は重量パーセントで以下の化学組成を、
0.05≦C≦0.4%、
0.5≦Mn≦30.0%、
0.05≦Si≦3.0%、
及び純粋に任意に、
Al≦2.0%、
P<0.1%、
Nb≦0.5%、
B≦0.005%、
Cr≦2.0%、
Mo≦0.50%、
Ni≦1.0%、
V≦0.50%、
Ti≦0.5%
のような元素を1種以上有し、
組成の残余は、鉄及び精錬から生じる不可避の不純物で構成される。より好ましくは、鋼基材中のMnの量は10重量%以下であり、有利には6重量%以下又は3.5重量%以下ですらある。
図1は、本発明によるプレコート鋼基材を示す。この例では、鋼板1は、0.05重量%を超えるSiを含有し、鋼表面は、厚さ40nm~1200nmのチタンの第1のプレコート2及び亜鉛の第2のプレコート3で覆われる。
本発明はまた、以下の連続するステップを含む、本発明による被覆鋼基材の製造方法に関する。
A.鋼基材を提供するステップ、
B.任意に、鋼基材を表面処理するステップ、
C.第1のプレコートを堆積させるステップ、
D.任意に中間プレコートを堆積させるステップ、
E.第2のプレコートを堆積させるステップ。
好ましくは、ステップB)において、表面処理はエッチング、又は酸洗いによって行われる。このステップは、第1のプレコートの密着性の改善につながる鋼基材の洗浄を可能にすると思われる。
好ましくは、ステップC)及びD)では、互いに独立して第1のプレコート及び中間プレコートの堆積を物理的真空蒸着により行う。より好ましくは、第1のプレコート及び中間プレコートの互いに独立する堆積は、マグネトロンカソード粉砕法又はジェット蒸着法によって行われる。
有利には、ステップE)では、第2のプレコートの堆積は、溶融めっき被覆によって、電着法によって、又は真空蒸着によって行われる。
本発明はさらに、以下の連続するステップを含む組立体の製造方法に関する。
I.少なくとも1枚の金属基材が本発明によるプレコート鋼基材である少なくとも2枚の金属基材を提供するステップ、及び
II.該少なくとも2枚の金属基材を溶接するステップ。
好ましくは、ステップII)では、スポット溶接、アーク溶接又はレーザー溶接により、溶接を行う。
本発明による方法を用いると、少なくとも1枚の金属基材が、鋼基材が、鉄、FeTiSi化合物を含み、残余が亜鉛である被膜に覆われ、該被膜が酸化チタンを含む層で覆われるようなものである、溶接継手により一緒に溶接された少なくとも2枚の金属基材の組立体を得ることが可能である。少なくとも1枚の金属基材は、本発明によるプレコート鋼基材に由来する。
いかなる理論にも拘束されるつもりはないが、FeTiSi化合物が溶接中に被膜の液体Zn中に析出し、亜鉛が鋼結晶粒界に侵入するのを妨げる激しい鋼溶解を促進すると考えられる。また、チタンを含む第1のプレコート層の一部は、亜鉛をベースとする被膜の上部に移動し、融解中に酸化すると思われる。本発明による組立体は、このようにしてLMEに対して高い耐性を有する。
図2は、2枚の金属基材の組立体の溶接継手を示しており、1枚の金属基材は、鉄、FeTiSiz化合物(zは0.01~0.8であり、且つ原子比で表される。)を含み、残余は亜鉛13である第1の被膜12、及び酸化チタンを含む第2の被膜14によって覆われた鋼板11である。この例では、第2の金属基材15は裸の鋼板である。
一実施形態では、鋼基材は、鋼の合金元素の内部酸化物を含まない。
別の好ましい実施形態では、鋼基材は、鋼の合金元素の内部酸化物を含む。好ましくは、鋼基材は、合金元素の内部酸化物を含み、酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化アルミニウム又はそれらの混合物を含む。
好ましくは、第2の金属基材は、鋼基材又はアルミニウム基材である。好ましくは、第2の金属基材は、本発明によるプレコート鋼基材である。
有利には、この組立体は、第3の金属基材を含む。好ましくは、第3の金属基材は、鋼基材又はアルミニウム基材である。好ましくは、第3の金属基材は、本発明によるプレコート鋼基材である。
最後に、車両の部品の製造のための、本発明による方法から得ることができる組立体の使用。
本発明による組立体の使用により得られる性能の向上を強調するために、実施形態のいくつかの具体例を、先行技術に基づく組立体と比較して詳述する。
試験には、表1に開示された重量%の化学組成を有する2枚の鋼板を用いた。
Figure 2022535851000002
[実施例1:臨界LME伸び]
試験例1のために、900nmの厚さを有するチタンの第1のプレコートを、組成物1を有する鋼板上にマグネトロンスパッタリングによって堆積させた。次いで、ステンレス鋼316Lである中間プレコート層をチタン上に堆積させた。中間層の厚さは10nmであった。最後に、亜鉛被膜である第2のプレコートをジェット蒸着によって堆積させた。第2のプレコート層の厚さは7μmであった。試験例4は組成3の鋼板について同様の手順で作製した。
試験例2では、7μmの厚さの亜鉛被膜を電着により鋼板1上に堆積させた。試験例5は組成3の鋼板について同様の手順で作製した。
試験例3は裸の鋼板1である。
Figure 2022535851000003
次いで、グリーブル装置を用いて毎秒1000℃の加熱速度で周囲温度から800℃、850℃及び900℃まで、試験例1~3を加熱した。各引張試験片に破断するまで引張変位を加えた。ひずみ速度は毎秒3mmであった。引張力及び変位を記録し、これらの応力-ひずみ曲線から破断時の伸びを決定できた。破断時のこの伸びは、いわゆる臨界LME伸びを表す。臨界LMEひずみが高いほど、その試験例はLMEにより耐性を示す。その方法は、「Critical LME Elongation:Un essai Gleeble pour evaluer la sensibilite au LME d’un acier revetu soude par points」、Journees Annuelles SF2M 2017、2017年10月23~25日、JA0104、ArcelorMittal Research Maizieres-les-Metzと呼ばれる刊行物にも説明されている。
結果を以下の表1にまとめた。
Figure 2022535851000004
結果から、試験例1は試験例2と比較してLMEに対する耐性が改善されていることが示された。試験例1及び試験例3はLMEに対する耐性が同じである。
[実施例2:3枚の積層]
異なる組立体のLMEに対する感度を抵抗スポット溶接法で評価した。そのために、各試験例に対し、抵抗スポット溶接により3枚の鋼板を一緒に溶接した。
試験例6は、組成2を有する2枚の亜鉛めっき鋼板を用いた試験例1の組立体であった。
試験例7は、組成2を有する2枚の亜鉛めっき鋼板を用いた試験例2の組立体であった。
試験例8は、組成2を有する2枚の亜鉛めっき鋼板を用いた試験例4の組立体であった。
試験例9は、組成2を有する2枚の亜鉛めっき鋼板を用いた試験例5の組立体であった。
溶接電極の種類は面の直径が6mmのF1で、電極の固定力は450daNであった。接合サイクルを表2に報告した。
Figure 2022535851000005
電流範囲の溶接上限として定義される電流レベルImaxで10個のスポット溶接を生成するために、各試験を10回再現した。Imaxは0.9~1.1×Iexpの間に含まれ、Iexpは、それを超えると溶接中に放出が現れる強度であり、Iexpは、ISO規格18278-2に従って決定した。
次いで、以下の表3に報告するように、表面亀裂を通して光学顕微鏡を用いて断面化した後、スポット溶接継手における最長の亀裂長さを評価した。LME耐亀裂性挙動を10個のスポット溶接部(合計で100%を表す)に関して評価した。
Figure 2022535851000006
本発明による試験例6及び8は、試験例7及び9と比較して、LMEに対する優れた耐性を示す。

Claims (24)

  1. プレコート鋼基材であって、
    - チタンを含む第1のプレコートであって、40nm~1200nmの厚さを有する第1のプレコート、
    - 任意に、少なくとも8重量%のニッケル及び少なくとも10重量%のクロムを含み、残余が鉄である中間プレコート層、又はFe、Ni、Cr及びTiを含み、Tiの量が5重量%以上であり、かつ次の式、すなわち、8重量%<Cr+Ti<40重量%が満たされ、残余がFe及びNiである中間プレコート層であって、2nm~30nmの間の厚さを有する中間プレコート層、
    - 亜鉛をベースとする被膜である第2のプレコート層
    で被覆され、及び
    - 前記鋼基材が、0.05重量%を超えるSiを含む
    プレコート鋼基材。
  2. 前記第1のプレコートがチタンからなる、請求項1に記載のプレコート鋼基材。
  3. 前記第1のプレコートの厚さが40~80nmの間である、請求項1又は2に記載のプレコート鋼基材。
  4. 前記第1のプレコートの厚さが80~150nmの間である、請求項1又は2に記載のプレコート鋼基材。
  5. 前記第1のプレコートの厚さが150~250nmの間である、請求項1又は2に記載のプレコート鋼基材。
  6. 前記第1のプレコートの厚さが250~450nmの間である、請求項1又は2に記載の被覆鋼基材。
  7. 前記第1のプレコートの厚さが450~600nmの間である、請求項1又は2に記載の被覆鋼基材。
  8. 前記第1のプレコートの厚さが600~850nmの間である、請求項1又は2に記載の被覆鋼基材。
  9. 前記第1のプレコートの厚さが850~1200nmの間である、請求項1又は2に記載の被覆鋼基材。
  10. 前記中間プレコート層が、10~13重量%の間のニッケル、16~18重量%の間のクロムを含み、残余が鉄であるステンレス鋼を含む、請求項1~9のいずれか一項に記載の被覆鋼基材。
  11. 前記第2のプレコートが、0.01~8.0%のAl、任意に0.2~8.0%のMgを含み、残余がZnである亜鉛をベースとする被膜である、請求項1~10のいずれか一項に記載の被覆鋼基材。
  12. 前記第2のプレコートが、任意に0.10及び0.40重量%のAlを含み、残余がZnである亜鉛をベースとする被膜である、請求項1~10のいずれか一項に記載のプレコート鋼基材。
  13. 前記鋼基材が重量パーセントで以下の化学組成、すなわち、
    0.05≦C≦0.4%、
    0.5≦Mn≦30.0%、
    0.05≦Si≦3.0%、
    及び純粋に任意に、
    Al≦2.0%、
    P<0.1%、
    Nb≦0.5%、
    B≦0.005%、
    Cr≦2.0%、
    Mo≦0.50%、
    Ni≦1.0%、
    V≦0.50%、
    Ti≦0.5%
    のような元素を1種以上有し、
    前記組成の残余は、鉄及び精錬から生じる不可避の不純物から構成される、請求項1~12のいずれか一項に記載のプレコート鋼基材。
  14. 請求項1~13のいずれか一項に記載の被覆鋼基材の製造方法であって、以下の連続するステップを含む製造方法。
    A.請求項1~13のいずれか一項に記載の鋼基材を提供するステップ、
    B.任意に、前記鋼基材を表面処理するステップ、
    C.請求項1~9のいずれか一項に記載の第1のプレコート層を堆積させるステップ、
    D.任意に、請求項1又は10のいずれか一項に記載の中間プレコート層を堆積させるステップ、
    E.請求項1、11又は12のいずれか一項に記載の第2のプレコートを堆積させるステップ。
  15. ステップC)及びD)において、物理的真空蒸着により、前記第1プレコート層及び前記中間プレコート層の堆積が互いに独立して行われる、請求項14に記載の方法。
  16. ステップC)及びD)において、マグネトロンカソード粉砕法又はジェット蒸着法により、前記第1プレコート及び前記中間プレコートの堆積が互いに独立して行われる、請求項15に記載の方法。
  17. 以下の連続するステップを含む、少なくとも2枚の金属基材の組立体の製造方法。
    I.少なくとも2枚の金属基材を提供するステップであって、少なくとも1枚の金属基材が請求項1~13のいずれか一項に記載のプレコート鋼基材又は請求項14~16のいずれか一項に記載の方法により得ることができるプレコート鋼基材である、ステップ、及び
    II.前記少なくとも2枚の金属基材を溶接するステップ。
  18. ステップII)において、スポット溶接又はアーク溶接により、溶接が行われる、請求項17に記載の方法。
  19. 請求項17又は18に記載の方法から得ることができる、溶接継手により一緒に溶接された少なくとも2枚の金属基材の組立体であって、少なくとも1枚の金属基材が、鋼基材が、鉄、FeTiSiz化合物であって、zが0.01~0.8であり、且つ原子比で表される化合物を含み、残余が亜鉛である被膜に覆われ、前記被膜が酸化チタンを含む層で覆われるようなものである、組立体。
  20. 前記鋼基材が、前記鋼の合金元素の内部酸化物を含む、請求項19に記載の組立体。
  21. 前記鋼基材が合金元素の酸化物を含み、酸化ケイ素、酸化マンガン、酸化クロム、酸化アルミニウム又はそれらの混合物を含む、請求項20に記載の組立体。
  22. 前記第2の金属基材が鋼基材又はアルミニウム基材である、請求項19~21のいずれか一項に記載の組立体。
  23. 前記第2の金属基材が、請求項1~13のいずれかに記載のプレコート鋼基材又は請求項14~16のいずれかに記載の方法から得ることができるプレコート鋼基材である、請求項19~22のいずれか一項に記載の組立体。
  24. 車両の部品の製造のための、請求項17から18に記載の方法又は請求項19~23のいずれか一項に記載の方法から得ることができる組立体の使用。
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