(57)【要約】  【解決手段】  鋼の薄い単層または単一シートの剛性を改善するために、スペーサーで分離された少なくとも２つの外側鋼層を有する複合鋼である。スペーサー材料は、鋼よりも密度の低い金属、または炭素またはガラス繊維、またはケブラー材料を含むポリマーまたは樹脂を任意で含み得る。そのような複合鋼は、同じシートの合計の厚さを有する単一層の鋼よりも高い剛性をもたらし得る。例えば、鋼材を中立軸からスペーサーで離れるように動かすことにより、曲げのひずみが増大し、剛性を維持しつつ望ましい重量節約を提供する高強度の複合鋼を提供することが可能である。  【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの外側鋼層と、前記少なくとも２つの外側鋼層を互いに分離する少なくとも１つのスペーサーとを有する複合鋼。
【請求項２】
請求項１記載の複合鋼であって、さらに、各外側鋼層と前記スペーサーとの間に適用される接着剤を有する、複合鋼。
【請求項３】
請求項1記載の複合鋼において、前記２つの外側鋼層の少なくとも１つがステンレス鋼を有する、複合鋼。
【請求項４】
請求項1記載の複合鋼において、前記スペーサーが、鋼より密度が低い金属を有する、複合鋼。
【請求項５】
請求項４記載の複合鋼において、前記スペーサーが、アルミニウム、マグネシウム、またはアルミニウム若しくはマグネシウムの合金のいずれかを有する、複合鋼。
【請求項６】
請求項1記載の複合鋼において、前記スペーサーがポリマーまたは樹脂を有する、複合鋼。
【請求項７】
請求項６記載の複合鋼において、前記スペーサーが、炭素繊維、ガラス繊維、またはケブラー材料をさらに有する、複合鋼。
【請求項８】
複合鋼を製造する方法であって、少なくとも１つのスペーサーを用いて少なくとも２つの外側鋼層を交互配置する工程であって、前記少なくとも1つのスペーサーが前記外側鋼層の夫々を分離する、前記交互配置する工程を有する、方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法であって、さらに、前記外側鋼層の夫々に前記スペーサーを接合する工程を有する、方法。
【請求項１０】
請求項９記載の方法において、前記接合する工程が前記複合鋼を加熱することによって達成される、方法。
【請求項１１】
成形された部品を製造する方法であって、請求項８記載の複合鋼から一部を成形する工程を有する、方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法であって、さらに、前記成形する工程の間に前記外側鋼層の夫々に前記スペーサーを接合する工程を有する、方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法であって、さらに、後続の工程において、前記成形する工程の後に前記外側鋼層の夫々に前記スペーサーを接合する工程を有する、方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記後続の工程は、塗装工程または加熱工程のいずれかである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１５年１２月１１日に複合鋼という発明の名称で出願された米国仮出願第６２／２６６，３１４号に対する優先権の利益を主張し、その出願の全内容が本参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
高強度の鋼は、自動車産業で車両構造部品用に通常使用される。いくつかの例では、鋼の強度を増加させることにより、鋼のゲージを減らして材料の重量を節約することが可能であった。自動車の構造部品におけるそのようなゲージの減少は、材料の剛性を犠牲にし得る。したがって、軽量ゲージ鋼の使用を可能にしながら剛性をも維持する構造材料が必要とされたままである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
薄いシートの剛性を改善するために、複合鋼板は、少なくとも１つのスペーサーで分離され得る２つまたはそれ以上のシート鋼を含む。スペーサー材料は、炭素繊維、ガラス繊維、またはケブラー材料を含み得る充填剤の有無にかかわらず、より軽量の金属、またはポリマー、または樹脂を含み得る。そのような複合鋼板は、同様のものを有する鋼の単一シート（または単層）よりも高い剛性をもたらし得る。例えば、曲げた際に、シートの中央の厚さ、または中立軸に低歪みが生じ得る。鋼材を中立軸から離してスペーサーで移動させると、曲げ時のひずみが増加し、剛性を維持しながら所望の重量節約を提供する高強度の複合鋼を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明は添付の図面と併せて考慮された以下のいくつかの実施例の記載からより良く理解されるものであり、同様の参照番号は同様の要素となみなされるべきである。
【０００５】
【図１】図１は、複合鋼の実施形態の部分断面図を示す。
【図２】図２は、単一シートの鋼から成形されたレールの上面斜視図を示す。
【図３ａ】図３ａは、図２のレールの部分断面図を示す。
【図３ｂ】図３ｂは、複合鋼から成形されたレールの別の実施形態の部分断面図である。
【図４】図４は、厚さ０.０５９インチの鋼帯、厚さ０.０７９インチの鋼帯、およびポリマー複合鋼帯の曲げ荷重変位曲線を示す。
【図５】図５は、厚さ０.０７９インチの鋼帯、ポリマー複合鋼帯、および炭素繊維複合鋼帯の曲げ荷重変位曲線を示す。
【０００６】
図面は、いかなる方法においても限定することを意図するものではなく、本開示の様々な実施形態は、図面に示されていないものを含む他の様々な方法で実施されても良い。本明細書の一部に組み込まれる、および明細書の一部を形成する添付の図面は、本開示のいくつかの態様を示し、また、その記載は本開示の原理および概念を説明するのに提供されるが、本開示は提示の詳細な構成に限定されないことを理解されるべきである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明および本開示の実施形態は、本開示の範囲を限定するために使用されるべきではない。本開示の他の実施例、特徴、態様、実施形態および利点は、以下の記載から当業者にとって明らかであろう。ご理解のように、本開示は、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に具体的に議論された例示的な実施形態の他、代替の実施形態を検討しても良い。したがって、図面および説明は、本質的に例示的であり、限定的ではないとみなされるべきである。
【０００８】
複合鋼は、２つまたはそれ以上の外側鋼鉄層を分離する少なくとも１つのスペーサーを含む。このような複合鋼は、単一鋼の高い強度と剛性を維持しつつ、望ましい重量節約をも提供することが可能である。複合鋼板（１０）の１つの実施形態が図１に示される。例示したとおり、外側鋼層（２２）が強度を維持するように、外側鋼層（２２）は鋼とスペーサーとの間に良好な剪断強度を提供する接合スペーサー（２０）によって分離され、それと同時に、スペーサー（２０）は、重量を減らす一方で鋼が十分な剛性を維持するために低密度となっている。曲げの際に鋼とスペーサー材料との間に滑りが生じないようにスペーサーと外側鋼層とが十分に接合されている場合には、スペーサーは曲げの際に中立軸（ひずみゼロ）（Ａ）から外側鋼層を分離している。
【０００９】
任意の組成の鋼板をこの複合鋼に使用しても良いが、高強度または高度な高強度の鋼が最も有利である。これらの鋼のより高い引張強さのおかげで、剛性を維持しながら完成部品の厚さを減少させることが可能である。耐腐食性を提供するステンレス鋼も複合材に使用しても良い。複合鋼の外側鋼層は、同じタイプの鋼を含んでも良く、または異なるタイプの鋼を含んでも良い。同様に、２つまたはそれ以上の外側鋼層は夫々同じ厚さを有しても良く、または夫々異なる厚さを有しても良い。
【００１０】
スペーサー（２０）は、外側鋼層よりも軽い任意の材料で作ることが可能である。それは、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの夫々の合金を含む軽量金属を含み得る。それは、炭素またはガラス繊維、ケブラーなどをさらに含む様々なポリマーまたは樹脂から製造しても良い。スペーサー（２０）の厚さは、それらの間にあるいくつかの間隔（１０）を含め、複合材の全厚の約５％〜９０％の範囲であっても良い。
【００１１】
スペーサー（２０）によって提供される外側鋼板（２２）間の分離は剛性を高め得る。例えば、夫々０.５ｍｍの上部および下部の鋼の厚さ、全厚１.０ｍｍの鋼を有する複合鋼は、全厚１.０ｍｍのシートを有する鋼の単一シートより高い剛性をもたらし得る。曲げの際に、シートの中央の厚さ、または中立軸（Ａ）で低歪みが生じる。剛性は、中立軸から離れた材料の体積が減少するにつれて減少する。したがって、材料を中立軸から離れる方向に移動させると、曲げのひずみが増加する。
【００１２】
図１に示すように、複合鋼（１０）は、外側鋼層（２２）をスペーサー材料（２０）と交互に配置して、各２つの外側鋼層の間にスペーサーが存在するように製造し得る。出来上がった複合鋼の使用の前に、外側鋼層（２２）は内側スペーサー材料（２０）に接合され得る。そのような接合は、外側の鋼層とスペーサー材料との間に多種多様な接着材料を塗布することによって成形され得る。いくつかの実施形態では、別個の接着材料よりむしろ、ポリマーまたは樹脂などのスペーサー材料は、追加の接着材料を使用せずに外側鋼層に接合され得る。外側鋼層（２２）と内側スペーサー材料（２０）との間の高強度接合は、外側鋼層（２２）に曲げ応力を伝達し、剛性を維持するために使用され得る。
【００１３】
複合シートが製造されると、自動車などの用途に使用するための部品を成形するために使用することができる。そのような部品の成形を改善するために、鋼板（２２）及びスペーサー（２０）は、成形中に互いに対してスライドさせることが可能である。この場合、存在する場合には接着剤、または樹脂は、部品が成形される後まで完全には硬化せず、２つの外側鋼層の間の相対的なスライドを可能にする。これは、成形工程の間、各外側鋼層の歪みを最小限に抑える。スペーサーと外側鋼層との間の界面接合は、部分剛性を改善するために、例えば熱を供給することによって、または他の何らかの硬化方法によって、部品成形プロセス後に作ることができる。そのような加熱は、加熱プレスの使用などによって成形工程中に、または塗装工程もしくは専用の硬化工程などの後続の操作において成形した後に行うことが可能である。
【００１４】
複合鋼（１０）を製造するさらなる他の方法は、本明細書の教示を見れば当業者にとって明確であろう。
【００１５】
そのような複合鋼（１０）を使用することによって、耐腐食性または審美性のような特性を調整するために、複合構造内に異なる金属および鋼を使用することも可能である。例えば、一方の表面に耐腐食鋼層を設け、反対側の表面に低価格の裏当て鋼を用いて強度を上げることができる。例えば、複合鋼の一方の表面にステンレス鋼の外層を使用し、他方の表面に炭素鋼の外層を使用することも可能である。複合鋼（１０）の剛性を高めることは、自動車用途の振動による騒音もまた減少し得る。
【００１６】
複合鋼（１０）のさらなる他の用途は、本明細書の教示を見れば当業者にとっては明確であるだろう。
【００１７】
実施例１
複合鋼板の性能を、図２に示すような構造レールを用いた単一鋼板と比較した。図３aに示す単一鋼板は、約２ｍｍの厚さを有する単一のＤＰ６００シートである。図３ｂに示される複合鋼は、スペーサーによって分離された２つのＤＰ９８０鋼板を含む。各ＤＰ９８０鋼板は、約０.６１ｍｍの厚さを有する。ＤＰ６００鋼板の引張強度は約６００ＭＰaである。従って、１ｍｍ幅のＤＰ６００レールにおける引張荷重担持能力は１２００Ｎである。ＤＰ９８０鋼板の引張強度は約９８０ＭＰaである。従って、２つのＤＰ９８０鋼板の１ｍｍ幅における引張荷重担持能力もまた約１２００Ｎである。したがって、厚さ０.６１ｍｍのＤＰ９８０材料の２枚のシートは、１ｍｍの長さのＤＰ６００レールにわたる引張荷重担持能力に等しい。
【００１８】
スペーサーの厚さは、ＤＰ９８０フレームの剛性を決定する。
２ｍｍのＤＰ６００鋼板に１ｍｍの長さ当たり０.１３４Ｎｍのトルクを適用すると、約０.１％の表面の歪みが生じる。この歪みは、鋼の１ｍの曲率半径をもたらす。厚さ１.２２ｍｍ（２×０.６１ｍｍ）の単一ＤＰ９８０鋼板に同じ１ｍの曲率半径を課すのに必要なトルクは、長さｍｍ当たりわずか０.０３１Ｎｍである。これは、厚いＤＰ６００シートの２５％未満である。
【００１９】
次に、厚さ０.６１ｍｍの２枚のＤＰ９８０シートの間にスペーサーを挿入すると、鋼を中立軸から離すことによって剛性を増加させ、それにより、１ｍの曲率半径を課した場合に、より弾性的な歪みを必要とする。２つの０.６１ｍシートを０.８２ｍｍだけ分離すると、１ｍの曲率半径に曲げるのと同様のトルクをもたらす。従って、より厚いＤＰ６００部分と同じ剛性を得るためには、２つのＤＰ９８０シート間のスペーサーは０.８２ｍｍと等しくなる。複合中の鋼は、厚さ２ｍｍから厚さ１.２２ｍｍ（２×０.６１ｍｍ）、厚さ０.７８ｍｍ、すなわち約３９％減少する。したがって、レールの重量も約３９％減少する可能性がある。
【００２０】
実施例２
複合鋼を成形するために繊維ガラスマトリックス（ポリマー）に含浸されたエポキシ樹脂を使用して、１８Ｃｒ−Ｃｂ（商標登録）鋼の２枚のシートをポリマーの各面に接合させた。複合は、構造に適用された小さな荷重に置いて硬化させた。各鋼板は約０.０１８インチの厚さを有した。次いで、この複合材を、約０.０５９インチの厚さおよび約０.０７９インチの厚さを有する１８Ｃｒ−Ｃｂ単一鋼板と比較した。サンプルを２インチ×６インチにせん断した。１８Ｃｒ−Ｃｂ厚さ０.０５９インチの単一鋼板は約８８グラムの重量を有した。１８Ｃｒ−Ｃｂ厚さ０.０７９インチの単一鋼板は、約１２０グラムの重量を有する。複合鋼は約７２グラムの重量を有し、それは０.０７９インチの厚さの鋼板より約４０％軽かった。
【００２１】
３点曲げ試験で曲げ荷重を各サンプルに適用した。夫々のサンプルは、０.７５インチのダイス半径を有する４インチのダイスの中心に配置された。半径１２ｍｍの中心のパンチを毎分１.０インチの速度で各サンプルに負荷した。パンチ変位の関数として曲げ荷重を測定した。
【００２２】
複合鋼板は、図４に示されるように、単一鋼板よりも高い荷重を扱うことができた。例えば、０.０５インチの撓みでは、厚さ０.０７９インチの単一鋼板は約３０ｌｂｓの荷重を有し、厚さ０.０５９インチの単一鋼板は約１５ｌｂｓの荷重を有する一方で、複合鋼板の荷重は約６７ｌｂｓであった。複合鋼は、より軽量でより高い剛性を示した。
【００２３】
実施例３
次に、炭素繊維を有する複合鋼板を評価した。炭素繊維には予め接着樹脂を含浸させた。３１０型鋼板を炭素繊維の両面に配置し、加熱されたプラテンを備えた油圧プレス内に４００℃で硬化させた。各鋼板の厚さは約０.０１０インチであり、複合体の重さは約７６グラムであった。実施例２と比較して、改善された炭素繊維複合材料の耐荷重能力が図５に示される。例えば、炭素繊維複合材料鋼は、０.０５インチの曲げ撓みで１０７ｌｂｓを取り扱うことができた。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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