JP5600915B2 - 亜鉛めっき鋼板を有する構造体 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛めっき鋼板を有する構造体に関する。

車両（自動車）の燃費向上には、エンジンやトランスミッションなどパワートレイン系の改良の他、車体の軽量化が有効である。そのために、車体各パーツの構造改良、複数のパーツの一体化による部品点数の削減、鋼板製車体パネルの高強度化による薄板化が図られ、また、従来の主たるパーツ構成材である鉄系材料から、アルミニウム合金を初めとする軽合金材料への材料置換も図られている。

上記軽量化手法のうち鋼板の薄板化に関しては、その薄板化に対応して防錆力を高め鋼板の穴あきを防止する必要がある。そのため、溶融亜鉛めっき浴への浸漬によって表面に亜鉛めっき皮膜を形成してなる溶融亜鉛めっき鋼板（ＧＩめっき鋼板）から、これに所定の熱処理を施してめっき層中の亜鉛と鋼板母材成分の鉄とを合金化させた合金化溶融亜鉛めっき鋼板（以下、「ＧＡめっき鋼板」という。）への転換が進んでいる。すなわち、ＧＡめっき鋼板によれば、薄板になっても比較的高い防錆力が得られることから、自動車の車体に関しては、ＧＡめっき鋼板の使用割合が増加している。

ところで、自動車の車体はシール性を求められる部分が多い。その場合、ＧＡめっき鋼板同士は、或いはＧＡめっき鋼板とアルミニウム合金板材とは、接着剤を介して接合する必要がある。特にＧＡめっき鋼板とアルミニウム合金板材との接合では、アルミニウム合金板材の電食を防止するためにその接合面に接着剤を介在させることが不可欠になる。

しかし、ＧＡめっき鋼板の場合、接着剤を介して他の板材と接合したとき、そのめっき層がＧＡめっき鋼板母材との界面から剥離し易い、つまり、鋼板母材とめっき層との密着力が弱いという問題がある。この問題に対して、特許文献１では、鋼板母材とめっき層との界面に、0.5μｍ以下のピッチで10ｎｍ以上の深さの凹凸を界面の長さ５μｍ当たりに１個以上設けることで上記密着力を高めることが記載されている。特許文献２及び特許文献３には、めっき層のＦｅ％がめっき層表面から鋼板母材との界面に向かって減少していくようにすると、めっき層の耐剥離性が向上することが記載されている。

特開２００４−２６３２９５号公報 特開２００５−２５６０４１号公報 特開平０９−２４１８１２号公報

本発明の課題は、上述の如く他材と接着剤を介して接合されるＧＡめっき鋼板のめっき層の耐剥離性をさらに高めることにある。

本発明は、上記課題を解決するために、ＧＡめっき鋼板のめっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比を低く抑えるようにした。

上記課題を解決する手段は、ＧＡめっき鋼板が他材と接着剤を介して接合されている構造体であって、
上記ＧＡめっき鋼板の他材と接着剤を介して接合された部分は、電子線マイクロアナライザー（以下、「ＥＰＭＡ」と略記する。）により電子線を上記亜鉛めっき鋼板断面に照射して分析される元素組成に関し、電子線照射領域をめっき層と鋼板母材側のＦｅＡｌ系合金層との境界線が当該電子線照射領域の中心を通るように位置付け、電子線照射径を１μｍとしたときのＺｎ／Ｆｅ質量比を基準値としたとき、上記境界線から上記めっき層の表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも８０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が、上記基準値の５倍以下であることを特徴とする。

すなわち、本発明者の研究によれば、従来のＧＡめっき鋼板の場合、上記めっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比は上記基準値の５倍を超えている。これは、ＧＡめっき鋼板がプレス成形されることを考慮して種々の観点から特性改善が図られた結果と考えられる。しかし、ＧＡめっき鋼板がプレス成形された後は、金型成形面での摺動性や成形時の材料割れなどプレス成形性自体に配慮する必要はない。本発明者は、かかる点に鑑み、めっき層の耐剥離性に重点をおいて検討した結果、上記めっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比を上記基準値の５倍以下に抑えるという解決手段を得るに至ったものである。これにより、ＧＡめっき鋼板におけるめっき層の耐剥離性が高まり、接着剤を介して他材と接合した構造体に関し、比較的厳しい使用条件においても、めっき層の剥離が防止されるという格別な効果を得た。

好ましい実施形態では、上記境界線から上記めっき層の表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも２０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が上記基準値の４倍以下である。これにより、めっき層の耐剥離性がさらに高くなる。

さらに好ましい実施形態では、上記めっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比は、上記めっき層の表面側の方が上記境界線側よりも大である。好ましいのは、上記めっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比が上記鋼板母材側から上記めっき層の表面側に向かって漸次高くなっていることである。これにより、めっき層の耐剥離性がさらに高くなる。

以上のように、本発明によれば、ＥＰＭＡにより電子線照射領域をめっき層と鋼板母材側のＦｅＡｌ系合金層との境界線が当該電子線照射領域の中心を通るように位置付け、電子線照射径を１μｍとして得られるＺｎ／Ｆｅ質量比を基準値としたとき、上記境界線から上記めっき層の表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも８０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が、上記基準値の５倍以下であり、これにより、ＧＡめっき鋼板が接着剤を介して他材と接合された構造体に関し、比較的厳しい使用条件においても、めっき層の剥離が防止されるという格別な効果が得られる。

本発明に係る構造体を示す断面図である。 同構造体のＧＡめっき鋼板断面の電子顕微鏡写真である。 同構造体のＧＡめっき鋼板断面に対するＥＰＭＡの電子線照射領域を示す説明図である。 せん断剥離試験の説明図である。 各種供試材の、Ｚｎ／Ｆｅ質量比の基準値に対するめっき層各部のＺｎ／Ｆｅ質量比の倍率、並びにせん断剥離試験における破断までの吸収エネルギーの相対値を示すグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示す板材接合構造体において、１はＧＡめっき鋼板であって、鋼板母材１ａの表面にめっき層１ｂが形成されてなり、該めっき層１ｂの表面に他材（例えば、アルミニウム合金製板材）２が接着剤３を介して接合されている。

図２はＧＡめっき鋼板の断面の電子顕微鏡写真であり、鋼板母材の表面にめっき層が形成されており、鋼板母材とめっき層との間には厚さ０．１μｍ前後のＦｅＡｌ系合金層（写真において黒く写っている薄い層）が形成されている。この写真のＧＡめっき鋼板の場合、めっき層の厚さは約５μｍである。なお、写真に記入された数字１〜５は後述のＥＰＭＡの電子線照射位置を示し、数字１〜５の各々は図３の測定点Ａ〜Ｅの各々に対応する。

本発明の特徴は、プレス成形後のＧＡめっき鋼板に所定の熱処理を施してそのめっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比を調整することにより、該めっき層の耐剥離性を高めたことにある。以下、この点を詳述する。

＜ＧＡめっき鋼板のＥＰＭＡによる分析＞
供試材は、板厚が０．８ｍｍであり、片面当たりのめっき目付量が５５ｇ／ｍ^２であるＧＡめっき鋼板（ＪＡＣ２７０Ｅ（日本鉄鋼連盟規格ＪＦＳＡ３０１１））とした。この供試材に加熱温度又は加熱時間がそれぞれ異なる３種の熱処理を施して本発明に係る３種の熱処理品を調製した。熱処理はいずれも大気雰囲気で行なった。そして、３種の熱処理品と加熱処理を施していない未処理品の鋼板母材とめっき層との境界部分及びめっき層の元素組成をＥＰＭＡにより分析した。

図３に示すように、元素組成の測定点はＡ〜Ｅの５箇所である。測定点Ａでは、電子線照射領域の中心を、めっき層と鋼板母材側との境界線、すなわち、めっき層とＦｅＡｌ系合金層との境界線上に位置付けている（境界線が当該測定点Ａの電子線照射領域の中心を通っている）。測定点Ｂ〜Ｅの各々は、めっき層をその厚さ方向において５等分した各等分線上に電子線照射領域の中心が配置されるようにしたものであり、その照射領域の全域がめっき層内に存する。

測定点Ｂ〜Ｅに関しては、換言すれば、電子線照射領域の中心が、測定点Ｂでは、めっき層と合金層との境界からめっき層表面に向かってめっき層厚さの２０％離れた位置にあり、測定点Ｃでは当該境界からめっき層厚さの４０％離れた位置にあり、測定点Ｄでは当該境界からめっき層厚さの６０％離れた位置にあり、測定点Ｅでは当該境界からめっき層厚さの８０％離れた位置にある。

電子線照射径はいずれも約１μｍであり、測定点Ａ〜Ｅは、互いの電子線照射領域が重ならないように、交互に千鳥状にずらしている。分析結果は表１のとおりである。

各測定点のＺｎ／Ｆｅ質量比をみると、測定点Ａでは鋼材母材のＦｅ分が検出されているため、Ｚｎ／Ｆｅ質量比が測定点Ｂ〜Ｅよりも小さくなっている。この測定点ＡのＺｎ／Ｆｅ質量比を基準値にとったときの、測定点Ｂ〜Ｅ各々のＺｎ／Ｆｅ質量比の基準値との差をみると、未処理品に比べて本発明の熱処理品は当該差が小さくなっている。当該差の平均値は、未処理品が７．７６、３００℃×４０ｍｉｎの熱処理品が６．８４、３００℃×５ｍｉｎの熱処理品が６．５２、５００℃×５ｍｉｎの熱処理品が５．４１であり、熱処理品は未処理品よりも当該差が１０％以上小さい。

次に測定点Ｂ〜Ｅ各々のＺｎ／Ｆｅ質量比の基準値に対する倍率をみると、未処理品では測定点Ｂ〜Ｅのいずれも５倍を超えているが、熱処理品では測定点Ｂ〜Ｅのいずれも５倍以下になっている。特に、３００℃×４０ｍｉｎの熱処理品及び３００℃×５ｍｉｎの熱処理品では、測定点Ｂ，Ｃの当該倍率が４倍以下になっている。

なお、表１において、酸素（Ｏ）の分析値に「−」を記入しているものは、その数値を計算していないということである。また、表中の４元素以外に鋼材中の微量元素や分析用試料作成時の樹脂成分としての炭素（Ｃ）も測定点Ａ〜Ｅにおいて分析されたが、これは省略している。従って、各測定点の分析値を合計しても１００％にはならない。

＜めっき層の耐剥離性＞
上記３種の熱処理品及び未処理品のめっき層のせん断剥離試験を行った。すなわち、図４に示すように、熱処理品及び未処理品の供試材はいずれも、板長さが１００ｍｍ、板幅が２５ｍｍ、板厚が０．８ｍｍ、片面あたりのめっき目付量が５５ｇ／ｍ^２の２枚のＧＡめっき鋼板材を互いのめっき層の間に接着剤を設けて接着した構成とした。具体的には、２枚のＧＡめっき鋼板材は、互いに板長さ方向に１２．５ｍｍずらし、互いの重なり合う部分に接着剤を塗布して接合した。従って、２枚のＧＡめっき鋼板材の接着剤塗布面（接合面）は２５ｍｍ×１２．５ｍｍである。そして、両板材を接着剤塗布面の幅方向外側に引っ張る引張りせん断強度試験を行ない、接合部が破断するまでの吸収エネルギーを算出した。チャック間距離は１００ｍｍとし、引張り速度は１０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、吸収エネルギーは、引張りせん断強度試験によって得られる荷重変位曲線の積分値に相当するもので、当業者にとって周知の算出方法であるので詳細な説明は省略する。

上記３種の熱処理品及び未処理品のせん断剥離試験結果を各々のめっき層各部のＺｎ／Ｆｅ質量比の対基準値倍率と共に図５に示す。破断までの吸収エネルギーは未処理品の同吸収エネルギーを１とする相対値で示している。３種の熱処理品はいずれも未処理品よりも破断までの吸収エネルギーが高くなっている。この破断はめっき層が鋼板母材から剥離することによるものであり、３種の熱処理品のようにめっき層内のＺｎ／Ｆｅ質量比が基準値（電子線照射領域の中心をめっき層とＦｅＡｌ系合金層との境界線上に位置付けたときのＺｎ／Ｆｅ質量比）の５倍以下になるようにすると、めっき層が鋼板母材から剥離し難くなることがわかる。

３種の熱処理品をみると、３００℃×４０ｍｉｎの熱処理品及び３００℃×５ｍｉｎの熱処理品は、５００℃×５ｍｉｎの熱処理品よりも破断までの吸収エネルギーが大きい。そして、この前二者の熱処理品は、測定点ＢでのＺｎ／Ｆｅ質量比が上記基準値の４倍以下である。これから、めっき層とＦｅＡｌ系合金層との境界からめっき層表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも２０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が上記基準値の４倍以下であると、めっき層の耐剥離性が高くなることがわかる。

また、３００℃×４０ｍｉｎの熱処理品と３００℃×５ｍｉｎの熱処理品とを比べると、前者の方が破断までの吸収エネルギーが大きい。この前者では、上記基準値に対するめっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比の倍率が、めっき層とＦｅＡｌ系合金層との境界からめっき層表面に向かって漸次大きくなっている。これから、めっき層の表面側のＺｎ／Ｆｅ質量比が、上記境界側のＺｎ／Ｆｅ質量比よりも大であると、めっき層の耐剥離性が高くなることがわかる。

１ ＧＡめっき鋼板
１ａ 鋼板母材
１ｂ めっき層
２ 他材
３ 接着剤

Claims (3)

1. 合金化溶融亜鉛めっき鋼板が他材と接着剤を介して接合されている構造体であって、
   上記亜鉛めっき鋼板の他材と接着剤を介して接合された部分は、電子線マイクロアナライザーにより電子線を上記亜鉛めっき鋼板断面に照射して分析される元素組成に関し、電子線照射領域をめっき層と鋼板母材側のＦｅＡｌ系合金層との境界線が当該電子線照射領域の中心を通るように位置付け、電子線照射径を１μｍとしたときのＺｎ／Ｆｅ質量比を基準値としたとき、上記境界線から上記めっき層の表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも８０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が、上記基準値の５倍以下であることを特徴とする亜鉛めっき鋼板を有する構造体。
2. 請求項１において、
   上記境界線から上記めっき層の表面に向かって該めっき層厚さの少なくとも２０％までの範囲のＺｎ／Ｆｅ質量比が上記基準値の４倍以下であることを特徴とする亜鉛めっき鋼板を有する構造体。
3. 請求項２において、
   上記めっき層のＺｎ／Ｆｅ質量比は、上記めっき層の表面側の方が上記境界線側よりも大であることを特徴とする亜鉛めっき鋼板を有する構造体。