JP6750762B1 - スポット溶接部材 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の電極によって挟持しスポット溶接して形成したスポット溶接部を有するスポット溶接部材であって、
前記複数枚の鋼板のうち少なくとも1枚は、引張強度780MPa以上の高強度亜鉛系めっき鋼板であり、且つ、該高強度亜鉛系めっき鋼板のめっき中のAl含有量は0.5質量%以上であり、
前記スポット溶接部のコロナボンド端部の外側の熱衝撃領域は、前記高強度亜鉛系めっき鋼板の母材鋼板と前記めっきとの界面に、
平均厚さが0.3μm以上のFeAl合金層と、該FeAl合金層の上に平均厚さが2.0μm以上の亜鉛系めっき層を形成しためっき層を有する、スポット溶接部材。
[2] 前記めっき中のAl含有量は、式(1)を満たす、上記[1]に記載のスポット溶接部材。
[FeAl合金層の平均厚さ]≧0.8×ln[Al含有量]+0.2・・・(1)
ただし、lnは自然対数を示し、[FeAl合金層の平均厚さ] はFeAl合金層の平均厚さ(μm)、[Al含有量]はAl含有量(質量%)である。
[3] 前記めっき層は、さらに、Fe含有量が5質量%以下であるZn−rich相(η)を有する、上記[1]または[2]に記載のスポット溶接部材。
[4] 前記Zn−rich相(η)は、基底面に対して(001)面に配向している、上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載のスポット溶接部材。
[5] 前記高強度亜鉛系めっき鋼板の成分組成は、質量%で、
C:0.01〜0.22%、
Si:0.02〜2.00%、
Mn:1.0〜4.0%、
P:0.060%以下、
S:0.01%以下を含有する、上記[1]〜[4]のいずれか1つに記載のスポット溶接部材。
[6] 前記高強度亜鉛系めっき鋼板の成分組成に、さらに、質量%で、
Nb:0.002〜0.100%、
Ti:0.002〜0.100%、
B:0.0002〜0.0050%
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、上記[5]に記載のスポット溶接部材。
また、めっき中のAl含有量(すなわち、図2に示す正常領域における、高強度亜鉛系めっき鋼板1のめっき1b中のAl含有量)とFeAl合金層3は、以下の式(1)に示す関係を満たすことができる。
[FeAl合金層の平均厚さ]≧0.8×ln[Al含有量] + 0.2・・・(1)
ただし、lnは自然対数を示し、[FeAl合金層の平均厚さ] はFeAl合金層の平均厚さ(μm)、[Al含有量]はAl含有量(質量%)である。
また、めっき層5は、さらに、Fe含有量が5質量%以下であるZn−rich相(η)を有することができる。
また、Zn−rich相(η)は、基底面に対して(001)面に配向することができる。
後述するように溶接時の入熱によって、鋼板(高強度亜鉛系めっき鋼板1)と該鋼板のめっきとの界面に高融点のFeAl金属間化合物相(FeAl合金層3)を形成することが、本発明の重要な要件の一つである。しかしながら、母材鋼板である高強度亜鉛系めっき鋼板1のめっき中のAl含有量が0.5質量%未満では、安定的に十分な量のFeAl合金層3を形成し難い。その結果、局所的に母材鋼板へのZn侵入が容易となり、割れを防止する効果が十分に得られない。よって、めっき1b(すなわち、図2に示す正常領域のめっき1b)中のAl含有量は0.5質量%以上とする。好ましくは、1.0質量%以上とする。より好ましくは5.0質量%以上とする。
本発明者らは、種々の条件で形成した溶接部材を用いて、溶接部2の板間の割れ挙動を調査した。調査した結果、板間(図2を参照)に割れの発生しなかった溶接部材の熱衝撃領域(コロナボンド端部Aの外側にある溶接熱影響部2c内の領域)では、平均厚さで0.3μm以上のFeAl合金層3の形成が認められた。板間に割れが発生しなかった理由は、高融点のFeAl合金層3が高強度亜鉛系めっき鋼板1(図2に示す例では下側の鋼板1)と該鋼板のめっきの界面に形成することによって、液化したZnが鋼板中に浸入することを阻害し、粒界脆化を抑止しているためと推定される。よって、熱衝撃領域のFeAl合金層3は平均厚さで0.3μm以上とする。好ましくは平均厚さで0.9μm以上とする。より好ましくは1.4μm以上とする。
熱衝撃領域のFeAl合金層3の平均厚さの上限は特に規定しない。5.0μm以下とすることが好ましい。
本発明者らは、上記した割れ挙動と同様に、種々の条件で形成した溶接部材を用いて、溶接部2の板間の耐食性を評価した。その結果、板間の耐食性が良好な溶接部材では、FeAl合金層3の上に2.0μm以上の平均厚さの亜鉛系めっき層が認められた。これは、Znによる犠牲防食作用により溶接部の耐食性が向上したと考えられる。よって、熱衝撃領域のFeAl合金層3上の亜鉛系めっき層4の平均厚さは、2.0μm以上とする。好ましくは亜鉛系めっき層4の平均厚さで2.5μm以上、より好ましくは亜鉛系めっき層4の平均厚さで3.0μm以上とする。
熱衝撃領域のFeAl合金層3上の亜鉛系めっき層4の平均厚さの上限は特に規定しない。9.5μm以下とすることが好ましい。
本発明の溶接部材は、熱衝撃領域におけるFeAl合金層3の平均厚さが式(1)の関係を満たすことができる。
[FeAl合金層の平均厚さ]≧0.8×ln[Al含有量] + 0.2・・・(1)
ただし、lnは自然対数を示す。
上記した評価結果より、耐食性が特に良好な溶接部材では、上述した熱衝撃領域のめっき組織に加えて、さらに、溶接部2の周囲の板間にFe含有量が5質量%以下のZn−rich相(η)の存在が認められた。ここでいう溶接部2の周囲は、熱衝撃領域部分を指す。このZn−rich相(η)とは、ナゲット2aまたはコロナボンド2bの内部からスポット溶接時の昇温によって、気化または流動したZnめっきである。なお、図示はしないが、Zn−rich相(η)は亜鉛系めっき層4の上に形成される。
Zn−rich相中のFe含有量の下限は特に規定しない。0.5質量%以上とすることが好ましい。
上記した評価結果より、特に優れた耐食性を示した溶接部材では、上述のZn−rich相(η)が(001)面に配向している傾向が認められた。掃き出されたZnの配向率によって耐食性が改善するメカニズムは明らかになっていないが、(001)面は基盤に対して平行な面であり、Znの犠牲防食性に加えてバリア性が発揮されたと推定される。
Cは、鋼組織としてマルテンサイトなどを形成させることで強度を向上させる元素である。そのため、本発明で目的とする引張強度を得るには、C量は0.01%以上必要である。一方、C量は0.22%を超えると、スポット溶接部の靱性が劣化する。したがって、C量は0.01〜0.22%とする。C量は、好ましくは0.02%以上とし、好ましくは0.18%以下とする。
Siは、鋼を強化して良好な材質を得るのに有効な元素である。そのため、この効果を得るためには、Si量は0.02%以上必要である。一方、Si量は2.00%を超えるとめっき性の劣化を招く。したがって、Si量は0.02〜2.00%とする。Si量は、好ましくは0.3%以上とし、好ましくは1.5%以下とする。
Mnは、鋼の高強度化に有効な元素である。機械特性や強度を確保するためは、Mnは1.0%以上含有させることが必要である。一方、Mn量は4.0%を越えると、焼鈍時の表面濃化が増加し、めっき密着性の確保が困難になる。したがって、Mn量は1.0〜4.0%とする。Mn量は、好ましくは1.2%以上とし、好ましくは3.0%以下とする。
Pは、フェライトの強化に有効な元素であり、適量添加することにより強度と延性のバランスが向上する。しかしながら、P量は0.060%を超えると、鋳造時のオーステナイト粒界へのP偏析に伴う粒界脆化により、局部延性の劣化を通じて強度と延性のバランスが低下する。このため、P量は0.060%以下とする。好ましくは0.005〜0.020%以下とする。
Sは、MnSなどの介在物となって、耐衝撃性の劣化や溶接部のメタルフローに沿った割れの原因となる。従って、極力低減することが望ましい観点より、S量は0.01%以下とする。また、良好な伸びフランジ性を確保するため、S量は0.005%以下とすることが好ましい。
NbおよびTiは、いずれも0.002%以上の含有により鋼の析出強化に有効に寄与できる元素である。しかしながら、NbおよびTiは、それぞれ0.100%を超えると形状凍結性が低下する恐れがある。従って、NbおよびTiを必要に応じて含有させる場合、NbおよびTiはそれぞれ0.002〜0.100%とする。より好ましくは、それぞれ0.010%以上とし、0.080%以下とする。
・電極の打角:0°超え10°以下
打角が0°の場合には、上記した本発明の課題は生じない。そのため、打角は0°超えとする。一方、溶接時の板ずれを防止する観点より、打角は10°以下とすることが好ましい。
・加圧力:3.0〜5.0kN
加圧力が3.0kN未満の場合は、ナゲット径の確保が困難となる。一方、5.0kN超えではスポット溶接機の負荷が大きい。以上より加圧力は3.0〜5.0kNとする。
・通電パターン
本発明の効果は、通常量産的に1段通電で効果が認められるが、これは特に通電パターンを限定されるもでは無い。例えば、溶接ナゲット組織の制御や強度の確保組織のために2段通電やパルス通電を適用した場合にも、本発明の効果を得ることが出来る。
溶接条件は、電極の打角を7°とし、加圧力を3.5kNとする。溶接電流パターンは、得られるナゲット径が3.5√t〜5.5√tの範囲になるように制御する。ここで、t(mm)は鋼板の板厚である。また、鋼板を挟持する一対の電極(下側の電極と上側の電極)は、電極形状がDR6(JIS DR6φ型)であるCu−Cr合金電極を用いた。
めっき層5の組織は、溶接部2の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより、熱衝撃領域におけるFeAl合金層3の厚さおよびFeAl合金層3上の亜鉛系めっき層4の厚さを、それぞれ測定した。具体的には、溶接部材の溶接部2を板厚方向に切断して断面を鏡面研磨し、SEM(倍率:5000倍)で熱衝撃領域を観察した。コロナボンド端部Aから、鋼板長手方向(ナゲット2aから離れる方向)に10μmピッチで10点のFeAl合金層3の厚さ(μm)およびその上の亜鉛系めっき層4の厚さ(μm)をそれぞれ測定し、平均値を求めた。その平均値をそれぞれFeAl合金層3の厚さ、亜鉛系めっき層4の厚さとした。なお、表2では亜鉛系めっき層4をZnめっき層と示す。
熱衝撃領域をマイクロカッターで切断して溶接部材を分解し、鋼板間に掃き出されたZn(Zn−rich相(η))中のFe含有量をEPMA分析によって10点測定し、その平均値をFe含有量(質量%)とした。
LME割れ評価は、溶接部材の溶接部2を板厚方向に切断して断面を鏡面研磨し、ナゲット2aの断面組織を光学顕微鏡の倍率100倍で観察し、下記の基準に照らしてLME割れを評価した。ここではN=10で評価した。本実施例では、記号◎、○、●の場合を良好と評価し、記号△、×の場合を劣ると評価した。なお、記号●、○、◎は、この順に段階的に優れた評価であることを示す。
◎:割れ発生した部材無し
○:割れ発生した部材が2個以下、かつ割れの平均深さが100μm未満
●:割れ発生した部材が2個以下、かつ割れの平均深さが100μm以上300μm未満
△:割れ発生した部材が2個以下、かつ割れの平均深さが300μm以上
×:割れ発生した部材が3個以上
(4)耐食性評価
耐食性の評価は、溶接部材を腐食試験(SAE−J2334)に供し、溶接部2の耐食性としてコロナボンド端部Aから外周方向の幅10mmの円周範囲内の穴深さと赤錆面積率をそれぞれ測定し、評価した。なお穴深さは、マイクロメーターを用いて任意の100か所を測定し、その平均値を平均穴深さとした。また、当該領域の外観写真を用いて赤錆が発生している箇所をマーキングし、画像二値化処理によって赤錆面積率を算出した。ここでは、下記の基準に照らして耐食性をN=10で評価した。本実施例では、記号◎、○、●の場合を良好と評価し、記号△、×の場合を劣ると評価した。なお、記号●、○、◎は、この順に段階的に優れた評価であることを示す。
◎:90サイクルで平均穴深さが300μm以下、かつ赤錆面積率が5%未満
○:90サイクルで平均穴深さが300μm以下、かつ赤錆面積率が5%以上20%未満
●:90サイクルで平均穴深さが300μm以下、かつ赤錆面積率が20%以上50%未満
△:90サイクルで平均穴深さが300μm以下、かつ赤錆面積率50%以上
×:90サイクルで平均穴深さが300μm超え
以上より、得られた結果を表2に併記する。表2によれば、本発明範囲のスポット溶接部材はいずれも所望の耐LME特性および耐食性を有している。
1a 母材鋼板
1b めっき
2 溶接部
2a ナゲット
2b コロナボンド
2c 溶接熱影響部
3 FeAl合金層
4 亜鉛系めっき層
5 めっき層
6 鋼板重ね合わせ面
Claims (6)
- 複数枚の鋼板を重ね合わせた板組を、一対の電極によって挟持しスポット溶接して形成したスポット溶接部を有するスポット溶接部材であって、
前記複数枚の鋼板のうち少なくとも1枚は、引張強度780MPa以上の高強度亜鉛系めっき鋼板であり、且つ、該高強度亜鉛系めっき鋼板のめっき中のAl含有量は0.5質量%以上であり、
前記スポット溶接部のコロナボンド端部の外側の熱衝撃領域は、前記高強度亜鉛系めっき鋼板の母材鋼板と前記めっきとの界面に、
平均厚さが0.3μm以上のFeAl合金層と、該FeAl合金層の上に平均厚さが2.0μm以上の亜鉛系めっき層を形成しためっき層を有する、スポット溶接部材。 - 前記めっき中のAl含有量は、式(1)を満たす、請求項1に記載のスポット溶接部材。
[FeAl合金層の平均厚さ]≧0.8×ln[Al含有量] + 0.2・・・(1)
ただし、lnは自然対数を示し、[FeAl合金層の平均厚さ] はFeAl合金層の平均厚さ(μm)、[Al含有量]はAl含有量(質量%)である。 - 前記めっき層は、さらに、Fe含有量が5質量%以下であるZn−rich相(η)を有する、請求項1または2に記載のスポット溶接部材。
- 前記Zn−rich相(η)は、基底面に対して(001)面に配向している、請求項1〜3のいずれか1項に記載のスポット溶接部材。
- 前記高強度亜鉛系めっき鋼板の成分組成は、質量%で、
C:0.01〜0.22%、
Si:0.02〜2.00%、
Mn:1.0〜4.0%、
P:0.060%以下、
S:0.01%以下を含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のスポット溶接部材。 - 前記高強度亜鉛系めっき鋼板の成分組成は、さらに、質量%で、
Nb:0.002〜0.100%、
Ti:0.002〜0.100%、
B:0.0002〜0.0050%
のうちから選ばれた1種または2種以上を含有する、請求項5に記載のスポット溶接部材。
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