(57)【要約】【課題】高強度のステンレス鋼板を素材とし、スポット溶接で形成されるナゲットの形状を制御することにより、衝撃吸収能に優れた自動車部材を得る。【解決手段】Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｎｉ：６.０〜１１.０質量％，Ｃｒ：１６.０〜２２.０質量％，Ｎ：０.２０質量％以下を含むステンレス鋼板のスポット溶接で組み立てられた自動車部材である。スポット溶接で形成されたナゲットは、ステンレス鋼板の板厚ｔとの関係でＤ1＝(０.６〜１.６)×ｔの厚みＤ1，Ｄ2＝(３.０〜５.５)×ｔの径Ｄ2をもっている。溶接部は、好ましくは３０体積％以上の割合でオーステナイト相を含む金属組織になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｎｉ：６.０〜１１.０質量％，Ｃｒ：１６.０〜２２.０質量％，Ｎ：０.２０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物を含む組成を有するステンレス鋼板を素材とし、スポット溶接で組み立てられていることを特徴とする衝撃吸収能の大きな自動車部材。
【請求項２】
ステンレス鋼板の板厚をｔ，スポット溶接で形成されたナゲットの厚みをＤ1とするとき、厚みＤ1＝(０.６〜１.６)×ｔのナゲットを有する溶接部でステンレス鋼板が相手材に接合されている請求項１記載の自動車部材。
【請求項３】
ステンレス鋼板の板厚をｔ，スポット溶接で形成されたナゲットの径をＤ2とするとき、径Ｄ2＝(３.０〜５.５)×ｔのナゲットを有する溶接部でステンレス鋼板が相手材に接合されている請求項１又は２記載の自動車部材。
【請求項４】
ナゲット及び溶接熱影響部のオーステナイト量が３０体積％以上である請求項１〜３何れかに記載の自動車部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステンレス鋼のスポット溶接で組み立てられ、トラックを初めとする自動車の車体，構造部材，補強材等、衝撃吸収能の大きな自動車部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車分野では、衝突時に搭乗者の安全を確保しながら省エネルギー化，環境対応を考慮した軽量化の検討が盛んに進められている。安全面では，人体に与える衝撃を軽減するため、車体に組み込まれている部品の一部が衝突時に座屈変形して衝撃を吸収する構造が検討され、その構造に必要な特性を備えた材料の開発が望まれている。
衝撃吸収部材の一例として、クラッシュボックスが挙げられる。クラッシュボックスには、軽度の衝突時ではサイドメンバーを含む車体の損傷を防止し、高速衝突時では高エネルギーを吸収することにより、修理工数の低減，搭乗者の安全確保を可能にする性能が要求される。要求特性を満足する衝撃吸収能を発現するためには、クラッシュボックスの圧潰過程で高い平均荷重を維持する必要があり、素材自体に優れた衝撃吸収能が望まれる。
【０００３】
車体組立てラインではスポット溶接が多用されており、クラッシュボックスも鋼板をスポット溶接して製造されている製造工程を前提にすると、クラッシュボックス(衝撃吸収部材)の圧潰による吸収エネルギーにスポット溶接部の強度も大きな影響を与えるといえる。この点、母材だけでなくスポット溶接部も、強度，衝撃吸収能に優れていることが重要である。
自動車の車体や補強部材には従来から高張力鋼が使用されており、高い衝撃吸収能を確保しながら薄肉軽量化を可能にするため引張強さ：７８０Ｎ／ｍｍ2以上の高強度材の適用も検討されている。オーステナイト系ステンレス鋼を衝撃吸収部材に使用することも特許文献１に紹介されている。
【特許文献１】特開2002-20843号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高強度高張力鋼をスポット溶接すると、溶接部の一部又は全域にマルテンサイトが生成する。マルテンサイトで溶接部が強化される場合もあるが、溶接条件によってはマルテンサイト変態に起因して溶接部が脆化することもある。特に、板厚方向に剥離させる応力が溶接部に外部から加わる条件下では脆化の影響が現れやすく、母材に比較して相当低い応力で溶接部が破断することもある。一方で、一層大きな衝撃エネルギーを吸収でき軽量化した衝撃吸収部材を得るため、従来の高張力鋼よりも更に強度が高く優れた衝撃吸収能を有する材料の開発が望まれている。
【０００５】
本発明は、かかる要求に応えるべく案出されたものであり、オーステナイト系の高張力鋼を素材とし、スポット溶接で形成されるナゲット形状を制御することにより、普通高張力鋼を素材としてスポット溶接した場合よりも衝撃吸収能が格段に優れた自動車部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の自動車部材は、Ｃ：０.１５質量％以下，Ｓｉ：１.０質量％以下，Ｍｎ：２.０質量％以下，Ｎｉ：６.０〜１１.０質量％，Ｃｒ：１６.０〜２２.０質量％，Ｎ：０.２０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物を含む組成を有するステンレス鋼板を素材とし、スポット溶接で組み立てられていることを特徴とする。
スポット溶接で形成されたナゲットは、厚みＤ1が板厚ｔの０.６〜１.６倍，径Ｄ2が板厚ｔの３.０〜５.５倍であることが好ましい。また、ナゲット及び溶接熱影響部(以下，"溶接部"で総称する)には、好ましくは３０体積％以上のオーステナイトが含まれていることが一層好ましい。
【０００７】
自動車部材用の鋼材には、焼鈍材や更に調質圧延，加工等を施した板材等がある。自動車部材を構成する素材全てが上記ステンレス鋼板である必要はなく、他のステンレス鋼や普通鋼，非鉄金属等を一部に使用しても良い。スポット溶接は、上記ステンレス鋼板の同材溶接，他の金属との異材溶接の何れでも良い。
自転車の車体も自動車部材と同様な環境下で使用され、衝撃吸収能に優れていることが要求される。かかる観点から、本明細書では、自転車用車体を包含する意味で用語"自動車部材"を使用している。
【発明の効果及び実施の形態】
【０００８】
本発明者等は、自動車部材のうちスポット溶接された状態で高い衝突安全性能が必要とされる部材に好適な素材について種々検討を重ねてきた。その結果、高強度と高延性とを兼備するステンレス鋼板を素材としてスポット溶接により自動車部材を作製することが有効との知見を得た。なかでも、ナゲットの板厚方向，板面方向に沿った径を板厚との関係で規制するとき、更には溶接部のオーステナイトを量的に規制するとき、衝撃吸収能が一層改善されることを見出した。
【０００９】
以下、本発明で使用するステンレス鋼板の成分，含有量等を個別に説明する。
〔成分設計〕
・Ｃ：０.１５質量％以下
高強度化に重要な合金成分であり、強度上昇に伴い衝撃吸収能も向上する。この点、多量のＣを含むほど好ましいが、過剰量のＣは成形性，溶接部の耐食性に悪影響を及ぼすので上限を０.１５質量％とした。好ましくは、０.０２〜０.１質量％の範囲でＣ含有量を選定する。
【００１０】
・Ｓｉ：１.０質量％以下
脱酸剤として添加される成分であるが、鋼材を固溶強化する作用もある。しかし、過剰含有は成形性に悪影響を及ぼすので、１.０質量％を上限とする。好ましくは、０.２〜０.８質量％の範囲でＳｉ含有量を選定する。
・Ｍｎ：２.０質量％以下
高温域でδフェライトの生成を抑制する作用があるが、過剰添加は耐食性にとって好ましくないので２.０質量％を上限とした。好ましくは、０.２〜１.５質量％の範囲でＭｎ含有量を選定する。
【００１１】
・Ｎｉ：６.０〜１１.０質量％
オーステナイト形成に必要な合金成分であり、耐食性向上にも寄与する。本成分系でＮｉ添加の効果を得るためには、６.０質量％以上(好ましくは、６.５質量％以上)のＮｉが必要である。しかし、高価な元素であり、１１.０質量％を超えて添加しても耐食性改善効果が飽和し、経済的にも不利になる。
【００１２】
・Ｃｒ：１６.０〜２２.０質量％
耐食性向上に必須の元素であり、衝撃吸収部材の使用個所によっては普通高張力鋼で採用されているめっきの省略が可能である。衝撃吸収部材に必要な耐食性を確実にする上で、Ｃｒ含有量を１６.０質量％以上とした。しかし、２２.０質量％を超える過剰Ｃｒは、高温域で生成したδフェライトが残留し、加工性を劣化させる原因になる。しかも、オーステナイト組織を維持するためＣｒの増量に見合ってＮｉ添加量も多くする必要があるので、経済的にも不利になる。好ましくは、１６.５〜１９.０質量％の範囲でＣｒ含有量を選定する。
【００１３】
・Ｎ：０.２０質量％以下
Ｃと同様に鋼材の高強度化，衝撃吸収能の向上に有効な成分である。Ｃの一部をＮで置換してＣの多量添加を抑制することにより、スポット溶接後の冷却過程で発生しがちな溶接部の鋭敏化も回避できる。しかし、過剰Ｎは延性，成形性に悪影響を及ぼすので、０.２０質量％を上限とした。好ましくは、０.０１〜０.１５質量％の範囲でＮ含有量を選定する。
その他，製鋼段階で不可避的に混入するＣｕ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ，Ｍｇ，Ａｌ等の元素を含む場合もあるが、Ｃｕ，Ｍｏについては上限：１.０質量％，他の元素については上限：０.１質量％が好ましい。
【００１４】
〔スポット溶接で形成されるナゲット〕
所定組成に調整されたステンレス鋼板をスポット溶接することにより自動車部材が組み立てられるが、スポット溶接で形成されるナゲットの形状をステンレス鋼板の板厚との関連で規制すると、母材強度を活かした溶接継手が形成される。具体的には、ステンレス鋼板の板厚をｔ，ナゲットの厚みをＤ1，径をＤ2とするとき、Ｄ1：(０.６〜１.６)×ｔ，Ｄ2：(３.０〜５.５)×ｔの関係を成立させる(図１)。
スポット溶接では接合界面にナゲットが形成されるが、板表面近傍は母材のままである。母材の残存がTIG，MIG等の溶融溶接で生成する溶接部と大きく形態が異なっている点であり、溶接部全体の強度はナゲット，母材それぞれの強度及びナゲットのサイズに大きく影響される。厚みＤ1は溶接強度の安定化，径Ｄ2は溶接部の高強度化に重要な因子であり、それぞれＤ1≧０.６×ｔ，Ｄ2≧３.０×ｔで必要強度の溶接継手が安定して得られるが、Ｄ＞１.６×ｔ，Ｄ2＞５.５×ｔでは溶接部断面に占める母材の割合が過小になり、ステンレス鋼板の高張力特性が損なわれる。
【００１５】
厚みＤ1の増大に応じ溶接強度が向上するが、１.６×ｔを超える厚みＤ1はチリの発生を促進させ、合金成分によっては溶接熱影響部の粒界に炭化物が析出する原因にもなる。炭化物が析出した溶接熱影響部が鋼板表面に露出すると、耐食性が劣化する。Ｄ2＞５.５×ｔを超える大径のナゲットでも、チリが発生しやすく溶接条件が不安定化する。
【００１６】
〔ナゲット，溶接熱影響部のオーステナイト量〕
ステンレス鋼板をスポット溶接すると、相手材の化学組成によっては溶接部の一部にマルテンサイト相又はフェライト相が生成することがある。過剰にＣを含むマルテンサイト相が生成すると、マルテンサイト起因の脆化が溶接部に生じる。このような溶接部は衝撃吸収能が低下しており、スポット溶接部に加わる板厚方向の応力がかなり低い場合でも破壊される場合がある。
【００１７】
マルテンサイト起因の脆化は、ナゲット及び溶接熱影響部のオーステナイト量を３０体積％以上(好ましくは、５０体積％以上)とすることにより緩和できる。オーステナイト量：３０体積％以上は、スポット溶接するステンレス鋼及び相手材の成分に左右されるが、本発明の成分条件を満足するステンレス鋼の使用により達成されやすい。更には、Ｎｉ量を高めに、Ｃｒ量を低めに調整することがより望ましい。フェライト相が生成した溶接部でも、５０体積％以上の割合でオーステナイト相を存在させると、強度，靭性が高レベルに維持され、優れた衝撃吸収能が得られる。
【実施例】
【００１８】
表１の化学組成を有する鋼材を真空溶解炉で１００ｋｇ溶解し、鋳造，熱延を経て板厚：２.５〜４.０ｍｍの熱延板を製造した。表中、Ａ1〜Ａ6が本発明で規定した成分条件を満足する鋼，Ｂ1〜Ｂ3は比較鋼であり、Ｂ1が５９０Ｎ級の普通高張力鋼，Ｂ2が９８０Ｎ級の普通高張力鋼に相当し、Ｂ3が過剰量のＣを含む鋼種である。
【００１９】
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【００２０】
各熱延板に１１００℃×均熱６０秒→炉冷の焼鈍を施し、酸洗後に冷延し、１０８０℃×均熱６０秒→空冷の仕上げ焼鈍を施して板厚：１.０ｍｍの冷延焼鈍板を得た。鋼種Ａ1の一部については、圧下率：１５％の調質圧延を施した板厚：１.０ｍｍの調質圧延板とした。鋼種Ｂ1，Ｂ2についても、焼鈍，冷延を繰り返し、板厚：１.０ｍｍで引張強さがそれぞれ７００Ｎ／ｍｍ2，１０５０Ｎ／ｍｍ2となるように製造条件を調節した。
母材であるステンレス鋼の機械的特性を表２に示す。
【００２１】
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【００２２】
各鋼板をスポット溶接し、溶接強度を調査した。
スポット溶接ではドームラジアス型の電極を用い、加圧力を３００〜５００ｋｇｆ，溶接電流を４０００〜６５００ｋＡの間で変化させ、ナゲットの厚みＤ1，径Ｄ2が種々異なる溶接継手を形成した。
【００２３】
溶接されたステンレス鋼板からJIS Z3136規定の試験片を切り出し、JIS Z3137規定の試験方法で常温の溶接強度を測定した。
また、溶接部断面を研磨した後、フッ酸／硝酸／グリセリンの混合液を用いたエッチングで金属組織を現出させ、顕微鏡観察でナゲットの厚みＤ1，径Ｄ2を測定した。
更に、溶接部の金属組織を確認した後、ナゲット，溶接熱影響部のサンプルを切り出し、切出し時に導入された切断歪みを電解研磨で除去し、次いで振動試料型磁力計を用いて磁化量を測定した。測定値を飽和磁化量と対比してフェライト量，マルテンサイト量を算出し、残部をオーステナイト量として求めた。
【００２４】
溶接部の如何が衝撃吸収能に及ぼす影響を調査するため、スポット溶接した７０ｍｍ角で高さ３００ｍｍの角筒部材を落錘試験に供した。スポット溶接条件は、スポット間隔を２５ｍｍに設定した他はスポット溶接強度を調査した場合と同じ条件とした。角筒部材の長手方向に質量：４００ｋｇの重錘を速度：２５ｋｍ／時で衝突させて圧潰し、変位量が０〜１００ｍｍの座屈変形過程における吸収エネルギーを測定した。
【００２５】
表３の調査結果にみられるように、Ｄ1＝(０.６〜１.６)×ｔ，Ｄ2＝(３.０〜５.５)×ｔを満足する厚みＤ1，径Ｄ2のナゲットが形成された溶接構造体は、何れも十字引張荷重が５.４ｋＮ以上，剪断荷重が６.３ｋＮ以上，落錘試験による衝撃吸収エネルギーが５.５ｋＪ以上となっており、高強度で且つ衝撃吸収能に優れていた。なかでも、Ｄ1≧０.６×ｔ，Ｄ2≧３.０×ｔ，溶接部のオーステナイト量≧５０体積％のＡ1，Ａ2，Ａ4，Ａ5では、衝撃吸収エネルギーが他の鋼種に比較して一段と高くなっており、ナゲットの厚みＤ1，径Ｄ2，オーステナイト量の適正管理が衝撃吸収能の向上に有効なことを理解できる。また、鋼種Ａ1の調質圧延板を用いた例から、調質圧延を施してもステンレス鋼板の優れた特性が維持されることが判る。
【００２６】
これに対し、普通高張力鋼である鋼種Ｂ1，Ｂ2を用いた溶接構造体では、本発明例に比較して十字引張荷重，衝撃吸収エネルギーの何れもが小さくなっている。低い十字引張荷重，衝撃吸収エネルギーは、普通高張力鋼ではスポット溶接部にマルテンサイトが生成し、十字引張試験のように軸方向の応力が溶接部に付加されるとナゲット界面での切欠き効果により靭性が低下し、結果として低荷重で破断したことを示唆する。
すなわち、落錘試験では、剪断方向に加え軸方向の応力も溶接部に加わるため、マルテンサイトが生じている普通高張力鋼のスポット溶接部では低応力で破断に至り、衝撃吸収エネルギーが小さくなっている。
【００２７】
鋼種Ｂ3でも本発明例よりも低い十字引張荷重が示されているが、これは過剰量のＣを含むため溶接熱影響部で過剰な炭化物が生成して靭性を低下させたものと推察される。
以上の対比から明らかなように、素材であるステンレス鋼板の成分・組成を特定し、且つスポット溶接で形成されるナゲットの形態を制御することにより、従来の普通高張力鋼のスポット溶接で得られた溶接部に比較して優れた衝撃吸収能を有する自動車部材が提供される。
【００２８】
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【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】スポット溶接で形成されたナゲットを示す溶接部の断面図Ｄ1：ナゲットの厚み    Ｄ2：ナゲットの径    ｔ：ステンレス鋼板の板厚
【図１】
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