JP3207232B2 - 外装用構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は抵抗溶接性およびプレス
成形性に優れた外装用構造体に係り、特に輸送機器や家
電製品用の外装用材として好適であり、製品重量を軽減
することが可能な高強度の外装用構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車、鉄道車輌、コンテナ等の
輸送機器や家電製品の外装用構造体として、ＳＳ３４，
ＳＳ４１等の一般構造用圧延鋼材やＳＭ４１Ａなどの溶
接構造用圧延鋼材が一般に使用されている。上記圧延鋼
材は、重量比で炭素（Ｃ）を０．１〜０．６％、けい素
（Ｓｉ）を０．１５〜０．２５％、マンガン（Ｍｎ）を
０．３〜０．８％含有する汎用の炭素鋼であり、多くの
産業分野で使用されている。

【０００３】例えば自動車製造工場においては、ミルメ
ーカーから納入されたロール状の圧延鋼板を所定長さに
裁断した後に、プレス成形機を使用して打ち抜いたり、
深絞り成形や張出し成形などの塑性加工を行なうことに
よって所定形状の成形体を形成し、次に得られた成形体
を車体フレームまたは他の成形体に押圧固定した状態
で、自動溶接ロボット等を使用し、主として抵抗溶接法
によって一体に接合して車輌を量産している。

【０００４】したがって、上記のような量産性がある製
品に使用される構造材には、構造強度は勿論のこと、プ
レス成形性および抵抗溶接性が優れることが材料特性と
して必須となっている。

【０００５】しかるに近年、上記自動車に代表される輸
送機器や家電製品について、エネルギ資源の高度利用化
および製品自体の低価格化が社会的要請として高まり、
一方、製品重量を低減して軽量化を図り、さらに運転コ
ストの低減化に対する要求も高まっている。例えば自動
車等の車輌については、強度を損うことなく構造部材を
軽量化し、燃料や電力の消費率を改善することが研究さ
れている。

【０００６】その具体例として、強度特性が従来の構造
用鋼材の数倍である高張力鋼材をより薄肉化して使用し
たり、従来材より比重が小さいアルミニウム合金を使用
することが検討されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記高張
力鋼およびアルミニウム合金は、いずれも抵抗溶接性が
悪く、特に自動溶接機の主流となっているスポット溶接
による接合が困難であり、これらの自動溶接機を使用し
た量産ラインを形成しにくいことが実用化に対する技術
上の障壁となっている。

【０００８】また高張力鋼は通常の炭素鋼より多目に炭
素を含有しているため、溶接後に急冷すると割れ易いと
いう欠点があり、さらに延展性が小さいため、深絞り加
工、張出し加工等の塑性加工が困難であり、またプレス
用型の損耗が著しく加工設備の寿命が短いなど、プレス
成形性が低い欠点がある。

【０００９】一方、アルミニウム合金は軽量ではある
が、熱伝導率が高いため、抵抗溶接時に小電流を長時間
流しても抵抗発熱が逸散して溶接の目的を達成できない
場合がある。そのためアルミニウム合金を抵抗溶接する
場合には、短時間に数万アンペアの大電流を流すことが
必要である。ところが、汎用の抵抗溶接機の電極は高温
強度が低いため、被接合材としてのアルミニウム合金と
の接触界面において電極材が合金化したり、いわゆるス
ティッキングと呼ぶ融着を頻繁に引き起こす等の不具合
があった。そして融着が発生する毎に溶接工程の全ライ
ンを停止して電極の再研摩および被接合部の補修を高頻
度で実施する必要があり、その結果、生産ラインの稼動
効率を低下させてしまう問題点があった。

【００１０】またアルミニウム合金材は樹脂塗料との密
着性が低く、特に高い塗膜強度を要求される自動車等の
外装材としては規格を充分に満足できない問題点もあっ
た。

【００１１】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、抵抗溶接性および塗装性が優れ、特に
自動溶接化が可能である一方、深絞り加工や張出し加工
等のプレス成形加工を実施しても割れ等が発生しにくく
プレス成形性が優れるとともに、製品軽量化の要請に対
応できる外装用構造体を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段と作用】本発明者らは、以
上の観点から、構造体としての強度特性を損うことが少
なく、プレス成形性および溶接性が優れた外装体を得る
ことを目的に多種類の合金材を調製し、その特性を比較
検討する実験を繰り返した。その結果、鉄材に所定量の
Ｃｕを合金化したときに、特にプレス成形性および溶接
性にも優れた外装用構造体を得た。本発明は上記知見に
基づいてなされたものである。

【００１３】すなわち本発明に係る抵抗溶接性およびプ
レス成形性に優れた外装用構造体は、重量比で銅を５．
４〜３０％含有し、残部が鉄および不可避的不純物から
成ることを特徴とする。

【００１４】本発明に係る抵抗溶接性およびプレス成形
性に優れた外装用構造体を構成する銅（Ｃｕ）は、析出
硬化性を与え、鉄材の強度および耐食性を増加させる上
に、特に合金材の溶接性を高めるために１〜３０重量％
添加される。合金材中の銅の含有量が１ｗｔ％未満の場
合には、合金材の強度および耐食性が低くなる一方、含
有量が３０ｗｔ％を超える場合に、合金材全体の熱伝導
率が高くなり、抵抗溶接性が低下してしまう。そのた
め、合金材中の銅の含有量は１〜３０ｗｔ％に設定され
る。特に、銅の含有量を５．４ｗｔ％以上とすることに
より、合金材の硬度（Ｈｖ）を１３０以上にすることが
可能であり、合金材の強度を向上させることができる。
なお、銅の含有量を例えば１．５ｗｔ％程度と、５．４
ｗｔ％より小さくした場合にも１２０以上の硬度（Ｈ
ｖ）が得られるが１３０を超える硬度（Ｈｖ）は得られ
ない。

【００１５】合金材の特性を改良する元素として、上記
銅の他にＣ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｒ等を、鉄の一部を
置換する形で添加するとよい。すなわちＣは銅に固溶せ
ずにＦｅのみに固溶し、合金組織を硬くし、強度を増す
ために鉄総量に対して０．１重量％以下添加するとよ
い。またＡｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｃｒは、合金材表面に酸化
膜を形成して防錆効果を発揮させるため、０．１〜１ｗ
ｔ％の範囲で添加するとよい。なお、これらの補助元素
は、溶射等の表面処理方法によって合金材表面に緻密な
薄膜として形成してもよいが、予め原料中に混合してお
いてもよい。原料中に混合されたアルミニウム等は、熱
間処理等の加熱操作時に合金材表面において濃縮され緻
密な薄膜を形成する。

【００１６】また合金材中に添加されたＣｒは合金材の
強度および耐食性を増加させることができる。

【００１７】本発明の目的とする特性を有する外装用構
造体は、例えば上記組成の材料を高周波溶解法等により
鋳造してインゴットを形成し、得られたインゴットを温
度８５０〜１０００℃で０．５〜３時間溶体化処理した
後に熱間圧延、傷取り成形および冷間加工によって帯板
等の所定形状に成形し、さらに温度４５０〜９００℃で
１〜５時間に亘り時効熱処理を施して製造される。ま
た、溶体化処理の代りに熱間圧延温度を８５０〜１００
０℃に設定して、処理しても良い。

【００１８】また上記従来の製造方法とは別に、上記組
成の材料を高周波溶解炉等において溶融させ、均一に混
合した溶湯を、所定の間隙を形成して対向する一対のロ
ール間に注入して急速に冷却固化せしめ、所定厚さの薄
板として製造することも可能である。この双ロールによ
る製造方法によれば、従来の鍛造、熱間圧延操作などの
複雑な製造プロセスを経ることなく、溶融状態の材料か
ら所定厚さの板材を直接に高速度で製造することが可能
であり、板材の製造コストを大幅に低減することができ
る。また溶湯からの急冷処理によって製造するため、板
材の金属組織が微細結晶化し、耐食性および強度が優れ
た板材を形成することが可能である。

【００１９】このように製造された板状、帯状の銅鉄合
金材は、プレス成形性および抵抗溶接性が優れており、
自動車、鉄道車輌、コンテナ等の輸送機器や家電製品な
どの量産品用の外装用構造体として極めて有用である。
また従来の軟鋼材と比較して強度が高いため、同一強度
で設計した場合に使用板厚を相対的に低減することが可
能であり、製品全体を大幅に軽量化することもできる。

【００２０】

【実施例】次に本発明に係る抵抗溶接性およびプレス成
形性に優れた外装用構造体について以下に示す実施例に
よって、より具体的に説明する。

【００２１】参考例および実施例１〜３ 表１の左欄に示す組成を有するように、純度９９．９％
の純銅と純度９９．９％の純鉄とを配合して高周波溶解
炉にて均一に溶融せしめ、Ｆｅ−Ｃｕ合金性基体のイン
ゴットをそれぞれ調製した。次に各インゴットを鍛造し
た後に、温度９００℃にて１時間加熱し、熱間圧延を実
施して厚さ２ｍｍの銅鉄合金板を製造した。さらに合金
板の酸化物を除去した後に冷間圧延を実施し、厚さ１ｍ
ｍの合金板とした後に、温度８００℃で２時間熱処理し
た。さらに、冷間圧延を施し、最終的に厚さ０．６ｍｍ
の参考例および実施例１〜３に係る銅鉄合金板をそれぞ
れ調製した。

【００２２】比較例１〜５ 一方、銅の含有量を０．５ｗｔ％と過少量に設定した場
合（比較例１）と、３３．２ｗｔ％と過多に設定した場
合（比較例２）とについて、実施例１〜４と同一条件で
処理することにより、比較例１および比較例２に係る銅
鉄合金板をそれぞれ調製した。

【００２３】また比較例３〜５として、それぞれ厚さ
０．８ｍｍの市販の自動車用鋼板（ＳＭ４１）、厚さ
０．６ｍｍの高張力鋼板（ＷＥＬ−ＴＥＮ８０）、厚さ
１．０ｍｍのＡｌ合金板（４％Ｃｕ−Ａｌ）を用意し
た。

【００２４】そして参考例，実施例１〜３および比較例
１〜５において調製または用意した各板材について、強
度特性、抵抗溶接性およびプレス成形性を評価するため
に下記のような試験測定を行なった。

【００２５】すなわち、強度特性については、構造強
度、耐力に比例した値を呈するビッカース硬度（Ｈｖ）
を測定した。また抵抗溶接性は、市販のクロム銅合金製
の電極を装備した抵抗溶接機を使用し、重ね合せた各板
材を連続的にスポット抵抗溶接し、電極先端部の幅が熱
変形によって当初の幅から２ｍｍ以上増大した時点、ま
たは電極の溶着等によって溶接不良が発生し、電極の再
研摩または接合部の補修が必要となった時点までに実施
した抵抗溶接の連続施工回数として測定した。

【００２６】またプレス成形性は、薄板の深絞り特性を
判定するために実施されるエリクセン試験によって測定
した。このエリクセン試験は、幅９０ｍｍの帯状試験片
の周縁部を皺押えとダイスとの間に載置固定し、中心部
をポンチで押し込み、試験片の表裏面に貫通した亀裂が
生じるまでにポンチが進入した深さをｍｍ単位で表わし
たエリクセン値を求める試験である。

【００２７】上記検出測定結果を下記表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１に示す結果から明らかなように、Ｃｕ
を１〜３０ｗｔ％含有させた銅鉄合金で形成した参考例
および実施例１〜３の板材においては、抵抗溶接性およ
びプレス成形性が優れ、従来の自動車用軟鋼板（比較例
３）と比較して硬度が増加して強度が高まる。したがっ
て、同一強度を与える場合には使用板厚を相対的に低減
することができ、製品重量を軽減することができる。

【００３０】一方、比較例１に示すように、銅含有量が
少ない板材においては、硬度が低く構造強度が不足して
しまう。また銅含有量が過多である比較例２の板材にお
いては、溶着の発生が高頻度であり、長時間連続して溶
接施工を行なうことが困難であった。また比較例４の高
張力板板および比較例５のＡｌ合金板は、いずれも硬度
およびプレス成形性は充分であるが、溶接性が低く、量
産製品に対する適用は困難であることが判明した。

【００３１】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る抵抗溶接
性およびプレス成形性に優れた外装用構造体によれば、
所定量の銅を含有する鉄基合金で形成されているため、
プレス成形性、塗装性および抵抗溶接性が優れており、
自動車、鉄道車輌、コンテナ等の輸送機器や家電製品な
どの外装用構造体として極めて有用である。また従来の
軟鋼材と比較して強度が高いため、同一強度で設計した
場合に使用板厚を相対的に低減することが可能であり、
製品全体を大幅に軽量化することもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 曜子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 織田 好和 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 平５−179395（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−232953（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で銅を５．４〜３０％含有し、残
   部が鉄および不可避的不純物から成ることを特徴とする
   抵抗溶接性およびプレス成形性に優れた外装用構造体。
2. 【請求項２】 鉄総量に対して０．１重量％以下の炭素
   を含有することを特徴とする請求項１記載の外装用構造
   体。
3. 【請求項３】 Ａｌ，Ｔｉ，ＺｒおよびＣｒの少なくと
   も１種を０．１〜１重量％含有することを特徴とする請
   求項１記載の外装用構造体。