(57)【要約】【課題】耐食性と共に、成形性および溶接性に優れ、例えば自動車用構造部材にも適用することができるアルミニウムめっき構造部材と、アルミニウムめっき構造部材の製造方法を提供する。【解決手段】めっき層中にＳｉを含有する溶融アルミニウムめっき鋼板を加熱処理し、所望形状に成形した後、急冷処理することによって、表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を備え、合金層の硬さが鋼板側の大半において鋼板素地の硬さ以下であると共に、合金層の酸化物重量が５００ｍｇ／ｄｍ２以下のアルミニウムめっき構造部材とする。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を形成した鋼板からなり、該合金層の硬さが鋼板表面から合金層厚さの５０％以上にわたって鋼板素地硬さ以下であると共に、合金層における酸化物重量が５００ｍｇ／ｄｍ２以下であることを特徴とするアルミニウムめっき構造部材。
【請求項２】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が組成もしくは化合物相が異なる２層以上の多層構造をなし、鋼板素地と接する層が最軟層であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウムめっき構造部材。
【請求項３】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が組成もしくは化合物相が異なる２層以上の多層構造をなし、鋼板素地と接する層が８５〜９５％のＦｅを含有すると共に、合金層の平均硬さよりＨｖ硬さで２０％以上軟らかいことを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウムめっき構造部材。
【請求項４】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が組成もしくは化合物相が異なる３層以上の多層構造をなして１層以上の中間層を含み、その中間層の少なくとも１層が２５〜４０％のＡｌを含有すると共に、硬さが鋼板素地硬さ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウムめっき構造部材。
【請求項５】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が組成もしくは化合物相が異なる３層以上の多層構造をなし、その最外層が鋼板素地よりも硬質であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアルミニウムめっき構造部材。
【請求項６】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層の最表外層のＦｅ濃度が３５〜５０％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアルミニウムめっき構造部材。
【請求項７】
溶融アルミニウムめっき鋼板を１〜１０℃／ｓｅｃの速度で昇温し、９００〜９５０℃で２〜８分保持した後、５〜１５℃／ｓｅｃの速度で７００〜８００℃に冷却し、所定の形状に成形した後、７００〜８００℃の温度から２０〜１００℃／ｓｅｃの速度で３００℃以下まで急冷することを特徴とするアルミニウムめっき構造部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムめっき鋼板に加熱処理および成形加工を施してなる構造部材に係わり、さらに詳しくは、表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系合金層を備え、成形性、溶接性、耐食性に優れ、例えば自動車用構造部材として好適に使用されるアルミニウムめっき構造部材と、このような構造部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、酸化皮膜形成による耐食性の良さ、鉛などの重金属を含まないことによる環境への負荷の少なさ等により、例えば自動車用部材として、マフラー、燃料タンク、遮熱板などに使用されている（例えば、特開２０００−２０４４５３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶融アルミニウムめっき鋼板は、硬質なＡｌ−Ｆｅ合金層を含み、しかも鋼板素地との界面に存在するため、成形に難点があり、しかも成形時にこの合金層にクラックが入るため、十分な耐食性を確保するために別途処理工程を要する場合があった。また、溶接時においては、アルミニウムめっき層の溶融店が低く、めっき表層におけるアルミニウム単層部の熱伝導度が十分でなく、溶接性に難点があった。これらのことから、溶融アルミニウムめっき鋼板は、その適用部位が限定されてしまうという課題があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の溶融アルミニウムめっき鋼板における上記課題に着目してなされたものであって、耐食性と共に、成形性および溶接性に優れ、例えば自動車用構造部材にも適用することができるアルミニウムめっき構造部材と、アルミニウムめっき構造部材の製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるアルミニウムめっき構造部材は、表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を形成したアルミニウムめっき鋼板からなるものであって、その合金層の大半の部分の硬さが鋼板素地の硬さと同等もしくは素地よりも軟らかく、かつ合金層の酸化物重量が５００ｍｇ／ｄｍ２以下である構成としたことを特徴としている。
【０００６】
また、本発明に係わるアルミニウムめっき構造部材の製造方法においては、溶融アルミニウムめっき鋼板を１〜１０℃／ｓｅｃの昇温速度で９００〜９５０℃の温度範囲まで加熱し、当該温度に２〜８分保持した後、５〜１５℃／ｓｅｃの速度で７００〜８００℃の温度に冷却後、所定の形状に成形し、７００〜８００℃の温度から３００℃以下の温度まで２０〜１００℃／ｓｅｃの速度で急冷するようにしており、アルミニウムめっき構造部材の製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
溶融アルミニウムめっき鋼板は、溶融アルミニウム浴中にストリップを連続的に浸漬することによって製造されるが、めっき金属成分として純Ａｌを用いたもの（耐候用）と、Ａｌの他にＳｉが添加されたＡｌ−Ｓｉ合金を用いたもの（耐熱用）の２種類に大別され、本発明においては、例えば３〜１１％程度のＳｉが添加された耐熱用めっき鋼板が使用される。
【０００８】
めっき層にＳｉが添加されているのは、Ａｌめっき時にＡｌめっき層と鋼板素地との界面に生成する硬質なＡｌ−Ｆｅ合金層の成長を抑制し、加工時のＡｌめっき層の密着性、耐食性を向上させるためである。このような溶融アルミニウムめっき鋼板においては、Ａｌめっき層と鋼板素地との界面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が生成する。
【０００９】
この溶融アルミニウムめっき鋼板を特定の条件下で加熱処理すると、上記Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が成長し、表面まですべてＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層に変えることができる。図１（ａ）に、このような加熱処理によって表面までＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が成長したアルミニウムめっき鋼板の断面組織の例を示す。
【００１０】
加熱処理によって、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が成長する過程においては、Ａｌめっき層と鋼板素地の相互拡散によって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ三元系金属間化合物であるαＦｅＡｌＳｉ相、βＦｅＡｌＳｉ相、γＦｅＡｌＳｉ相など、種々の化合物相が生成する。加熱処理後に生成するＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層は、これらの金属間化合物からなる層構造を有し、成形性、耐食性、溶接性に優れたものとなる。
【００１１】
すなわち、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層の硬さが鋼板素地の硬さを超えると、鋼板成形時に成形性に悪影響を及ぼすと共に、めっきの追従性が悪くなって、めっき部に亀裂が生じ、耐食性に悪影響を及ぼす。そこで、合金層の鋼板素地と接する側あるいは鋼板素地と接する層の硬度を鋼板素地以下とし、万一亀裂が発生したとしても表面側のみに留まるようにした。そして、この低硬度部分あるいは軟層部の厚さを全合金層厚さの５０％以上とすることによって、合金層に表層亀裂が発生した際においても、亀裂の進展を抑え、十分な耐食性が確保されることになる。
【００１２】
また、めっき合金層に酸化物の形で含有される酸素が多くなると、電着塗装時にピンホールを発生させ、めっきと塗膜間の密着性の低下を招くので、このような酸化物量を実害のない５００ｍｇ／ｄｍ２以下とする。なお、本発明において「酸化物重量」とは、後述するように試料を９５０℃に加熱した時の加熱前後の質量差でもって定義される。
【００１３】
ここで、層構造が生成する理由は必ずしも明らかではないが、現時点では以下のように推定される。
１）加熱保持によってＦｅの拡散が始まり、めっき相にＦｅ，Ｓｉの濃度勾配が生じる。
２）その際、めっき合金相は、各位置での組成に応じて安定した化合物相に変態（移行）しようとする結果、組成の近似する深さ範囲毎に異なる化合物層を生成する。
３）従って、加熱温度や保持時間を制御することにより、Ｆｅの拡散量も変化すると共に、安定した化合物相への変態（移行）程度も変化する。
【００１４】
鋼板素地と接するＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層は、鋼板素地からのＦｅの拡散により軟質化し、鋼板素地との密着性が高まる結果、成形性が向上する。具体的には、Ｆｅ含有量を８５〜９５％の範囲とすることが好ましく、当該Ｆｅ含有量のときに、鋼板素地と接する層の硬さが目標硬さである平均めっき層硬さの８０％（３００〜４００Ｈｖ）以下となる。Ｆｅ含有量が８５％未満では、Ｆｅの拡散による上述の作用が不十分となる場合があり、逆に９５％を超えると、Ｆｅの拡散が過度に生じる結果、主に多層構造の最外層において耐食性に必要なＡｌ含有量を得ることが困難となる場合がある。
なお、本発明において、「％」とは、特記しない限りすべて「質量％」を意味するものとする。
【００１５】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層は、加熱処理、及び鋼板素地からのＦｅの拡散により軟質化するが、過度の拡散が生じると耐食性に必要なＡｌ含有量を確保することができなくなる。耐食性の観点から最低限必要なＡｌ量を含有し、鋼板素地より軟らかい層を生成させるためには、３層以上の多層構造のうち少なくとも１層におけるＡｌ含有量を２５〜４０％の範囲とすることが望ましい。Ａｌ含有量が２５％未満では、耐食性が不十分となる場合があり、４０％を超えると、鋼板素地より軟らかい層の生成が困難となり、鋼板素地との密着性が損なわれる場合がある。
【００１６】
溶接性については、アルミニウムめっき層を鋼板素地から拡散するＦｅと合金化することによって改善効果が認められる。合金化したＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金めっき層は、溶融アルミニウムめっきのＡｌめっき層にくらべ、融点が高く、低電流条件から溶接が可能となる。また、スポット溶接時における溶接電極へのめっき付着が防止できることから、連続打点性にも改善効果が認められる。
【００１７】
Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層は、全面を合金化すると共に、例えば合金組成の異なる５層構造にすることにより、熱的に安定するので望ましい。また、スポット溶接時においては、ハイテン材など大きな加圧力下においても溶接ガンとの良好な接触を保つようにするためには、最外層を硬質層とすることが望ましい。
【００１８】
鋼板素地から拡散するＦｅとアルミニウムめっき層の合金化が進み、Ｆｅ含有量が増加するに伴い、めっき層の熱伝導度が低下し、低電流での溶接が可能となる。Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を多層構造としたり、Ｆｅ含有量に濃度勾配を持たせたりして、最表面部のＦｅ濃度を３５〜５０％とすることによって、溶接性と耐食性を両立させることができる。最表面部のＦｅ濃度が３５％未満では、上述の溶接性向上作用が十分に得られにくく、５０％を超えると、Ａｌ含有量が相対的に減り、耐食性確保が困難となる。
【００１９】
表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を形成し、上記のようなアルミニウムめっき構造部材を得るには、まず、めっき層にＳｉを含有する耐熱用溶融アルミニウムめっき鋼板を１〜１０℃／ｓｅｃの速度で９００〜９５０℃の温度範囲に昇温し、この温度に２〜８分保持する。このとき、１０℃／ｓｅｃを超える昇温速度で９００℃を超える温度に加熱すると、アルミニウムめっきの局部溶解が発生し、１℃／ｓｅｃに満たない昇温速度で加熱するとめっき層の酸化が進むことから好ましくない。また、加熱保持温度が９００℃未満では、鋼板素地のオーステナイト化が進まず、構造部材として必要な強度が得難くなり、９５０℃を超えると、めっき層の酸化が進むと共に、Ｆｅがめっき層の表面にまで拡散しすぎることになる。さらに、保持時間が２分に満たない場合にはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層の生成が不十分となり、逆に８分を超えるとめっき層の酸化が進み、電着塗装皮膜の塗装密着性に悪影響が生じる。
【００２０】
上記温度範囲に保持された後、鋼板は加熱炉から成形プレスに搬送されることになるが、その間、冷却が開始され、成形及びその後の急冷を所定の温度で実施するためには、加熱保持後の冷却速度を５〜１５℃／ｓｅｃとすることが必要となる。すなわち、このときの冷却速度が５℃／ｓｅｃ未満の場合には、めっき層の酸化が顕著となり、１５℃／ｓｅｃを超える速度で冷却するためには強制冷却する必要が生じることによる。
【００２１】
所定形状への成形は７００〜８００℃の温度範囲で開始し、成形を終えた後、当該温度範囲から２０〜１００℃／ｓｅｃの速度で３００℃以下の温度まで急冷する。これによって、加熱保持時に生成したＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層構造を維持したままで、素材鋼板が冷却され、所望形状のアルミニウムめっき構造部材が得られることになる。また、当該熱処理条件は鋼板素地事態の焼入れが可能な条件でもあり、部材の高強度化に有効である。このとき、８００℃を超えた温度で成形を開始しようとする場合には、再加熱が必要となると共に、めっきの酸化が進み易くなって好ましくなく、７００℃未満で成形を始めた場合には、焼入れ温度が低いものとなってマルテンサイト変態が十分に行われなくなる。また、成形後の冷却速度が２０℃／ｓｅｃに満たない場合には、マルテンサイト変態が十分ではなくなると共に、Ｆｅの拡散が進み過ぎ、逆に冷却速度が１００℃／ｓｅｃを超えた場合には、生産設備における型冷却装置の大幅な性能向上が必須となるため、設備コストがかさんでしまう。なお、焼入れ時に、３００℃以下の温度にまで急冷するのは、フェライト相が残らないように、マルテンサイト変態を十分に行わせるためである。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２３】
（試験１）
以下に示すような条件でアルミニウムめっき構造部材を製造し、成形性、耐食性、溶接性を調査した。
【００２４】
〔供試溶融アルミニウムめっき鋼板〕
めっき原板組成：０．２２％Ｃ，０．２２％Ｓｉ，１．０％Ｍｎ，０．０１５％Ｐ，０．００７％Ｓ
板厚：１．４　ｍｍ
アルミニウムめっき中のＳｉ濃度：５％
アルミニウムめっき層の厚さ：１０〜２０μｍ
〔試験方法〕
上記溶融アルミニウムめっき鋼板から、幅１６０ｍｍ、長さ１６０ｍｍの平板材を切出し、下記の条件で加熱し、図１に示す形状に成形した後、めっき合金層の成分、硬さ、成形性、耐食性、溶接性を調査した。
〈加熱処理条件〉
昇温速度：８℃／ｓｅｃ．
加熱温度：９００〜９５０℃
保持時間：２〜１０分
一次冷却速度：７℃／ｓｅｃ．
成形開始温度：７２０℃
急冷開始温度：７２０℃
２次冷却（焼入れ）速度：３０℃／ｓｅｃ．
冷却終了温度：１００℃
【００２５】
〔試験結果〕
以上の試験結果を表１に示す。なお、表１において、めっき層における最軟層は、すべて鋼板素地に接する層に一致していた。
〈成形性〉
成形後のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層における亀裂発生状況を調査し、鋼板素地にまでに至る亀裂のないものの成形性を可と評価して○印で示し、このような亀裂が発生しているものを不可として×印で示した。
この結果、めっき層の平均硬さが鋼板素地の硬さを超え、合金層厚さの５０％を超える部分が鋼板素地よりも硬くなっているＮｏ．２の構造部材において、めっき層を貫通する亀裂が発生した以外は、良好な成形性を有していることが判明した。
なお、これら試験結果の代表例として、図２（ａ）に亀裂の発生のない実施例Ｎｏ．１に係わる構造部材におけるめっき層、図２（ｂ）に亀裂が発生した上記Ｎｏ．２の構造部材におけるめっき層のミクロ組織をそれぞれ示す。
【００２６】
〈耐食性〉
得られた構造部材に対し、ＪＩＳ　Ｚ２３７１に規定される塩水噴霧試験を行うことによって、各構造部材の耐食性を評価した。その結果、加熱保持時間が長く、Ｆｅの拡散が過剰となって最外層のＡｌ含有量が低くなったＮｏ．３の構造部材の耐食性が劣ることが確認された。
【００２７】
〈溶接性〉
得られた構造部材に、下記条件のもとで、連続してスポット溶接を行った。一般に、連続打点数が増加するにつれ、ナゲット径が減少して溶接強度が低下する傾向が認められる。そこで、本評価では、打点がＪＩＳ　Ｚ　３１４０　Ａ級判定基準未達となるまで、下記溶接条件にてスポット溶接を実施し、その連続打点数により溶接性を評価した。Ｎｏ．３ｎｏ構造部材は、打点数約５００で判定基準未達となったため、付加として×印で示したが、Ｎｏ．３以外の構造部材は、３０００点まで判定基準を満足する打点を確保できたため、その時点でスポット溶接を打ち切り、可として○印で示した。この結果、加熱保持時間が長く、Ｆｅの拡散によってめっき層の軟質化が進んだＮｏ．３の構造部材の溶接性が劣ることが判明した。
なお、Ｎｏ．３に係わる構造部材については、上記のように耐食性および溶接性に劣るものの、良好な成形性を示しており、適用部位によっては支障なく使用することができる。
［溶接条件］
母材：アルミニウムめっき鋼板（厚さ１．２ｍｍ）及び
引張強度４４０ＭＰａ級ＧＡ材（厚さ２．０ｍｍ）
加圧力：５．９８ｋＮ
スクイズ：５０Ｈｚ
アップスロープ：３Ｈｚ
通電：９ｋＡ×１８Ｈｚ
【００２８】
【表１】
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【００２９】
（試験２）
上記実施例Ｎｏ．１と同様の加熱処理を施した溶融アルミニウムめっき鋼板と、加熱処理を行わない溶融アルミニウムめっき鋼板をそのまま比較材として用いて、下記条件のもとに、スポット溶接の連続打点性を比較評価した。その結果、図３に示すように、溶融アルミニウムめっき鋼板をそのまま用いた場合には、約５００点であったが、本発明部材の場合には、３０００点を超えるものとなった。
〈試験条件〉
母材：アルミニウムめっき鋼板（１．２ｔ）及び
引張強度４４０ＭＰａ級ＧＡ材（２．０ｔ）
加圧力：６１０ｋｇｆ
スクイズ：５０ｃｙｃ
アップスロープ：３ｃｙｃ
通電：９ｋＡ×１８ｃｙｃ
ホールド：２１ｃｙｃ
【００３０】
（試験３）
実験１で用いた溶融アルミニウムめっき鋼板を加熱し、種々の時間９５０℃に保持してＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層を形成し、当該めっき層に電着塗装を施し、合金層における酸化物重量と塗装性の関係について調査した。この結果を表２に示す。なお、酸化物重量については、加熱前後の質量を化学天秤にて測定し、その質量差をもって酸化物重量と定義した。
【００３１】
【表２】
2004043887.tif 000004
【００３２】
表２から明らかなように、酸化物重量が５００ｍｇ／ｄｍ２を超えると、電着塗装においてピンホールの発生が顕著に認められ、ピンホールが発生するものは、塗膜の密着性が不十分であり、塗装後においても十分な耐食性を得ることができない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わるアルミニウムめっき構造部材においては、表面にＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ合金層が形成されているので、鋼板素地と合金層の間に硬質層が形成されることがなく、該合金層の硬さが鋼板側の大半において鋼板素地の硬さ以下であると共に、合金層の酸化物重量が少ないことから、成形性および塗装性に優れ、合金層表面側におけるＡｌおよびＦｅ含有量のバランスによって耐食性と溶接性を両立させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００３４】
また、本発明に係わるアルミニウムめっき構造部材の製造方法においては、めっき層中にＳｉを含有する溶融アルミニウムめっき鋼板に所定の加熱処理を施し、所望形状に成形した状態で急冷処理するようにしているので、耐食性、塗装製、溶接性に優れたアルミニウムめっき構造部材を優れた成形性のもとに製造することができるという極めて優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の試験１において成形性の評価に用いた試験片の形状及び寸法を示す斜視図である。
【図２】（ａ）　上記試験１における実施例Ｎｏ．１に係わる構造部材のめっき層を示すミクロ組織写真である。
（ｂ）　上記試験１におけるＮｏ．２に係わる構造部材のめっき層を示すミクロ組織写真である。
【図３】本発明に係わる構造部材のスポット溶接における連続打点性を通常の溶融アルミニウムめっき鋼板と比較して示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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