JP7492116B2 - 摩擦圧接用鋼板、複合部材および自動車用部材 - Google Patents
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Description
本開示は、摩擦圧接用鋼板、複合部材および自動車用部材に関する。
複数枚の金属板を接合する手段として、重ね合わされた複数枚の金属板を、リベットなどの接続部材を用いて接合する技術が知られている。
特に近年では、重ね合わされた上板と下板に対して、接続部材を回転させながら上板の上面に押圧し、上板を貫通させて、接続部材と下板とを摩擦圧接する接合技術などが検討されている。
特に近年では、重ね合わされた上板と下板に対して、接続部材を回転させながら上板の上面に押圧し、上板を貫通させて、接続部材と下板とを摩擦圧接する接合技術などが検討されている。
例えば、特許文献１には、アルミニウム板と鋼板のような強度の異なる２枚の板材を、リベット等の接合要素（すなわち、頭部及び軸部を有する接続部材）を用いて、摩擦圧接のプロセスにより接合する技術が開示されている。具体的には、次のようなプロセスを経て、強度の異なる２枚の板材を接合する技術が開示されている。
すなわち、２枚の板材を、強度の低い方の板材を上板にして重ね合わせ、上板の上面に、ホルダに支持された接続部材をセットし、接続部材を回転させながら下方に移動させて、上板の内部に向けて押圧する。このとき、接続部材と上板との聞には、接続部材の回転によって強い摩擦が生じ、接続部材の先端部が加熱されるため、上板が軟化して、接続部材が上板内に進入することが可能となる。
このようにして、回転しながら上板内に進入する接続部材の先端部が、下板の上面に到達すると、接続部材の軸部と下板との間で摩擦圧接のプロセスが進行し、接続部材の軸部と下板が摩擦圧接される。これにより、接続部材と下板が摩擦圧接部（接合部）で接合されるとともに、上板が接続部材の頭部と下板との問で固定される。
すなわち、２枚の板材を、強度の低い方の板材を上板にして重ね合わせ、上板の上面に、ホルダに支持された接続部材をセットし、接続部材を回転させながら下方に移動させて、上板の内部に向けて押圧する。このとき、接続部材と上板との聞には、接続部材の回転によって強い摩擦が生じ、接続部材の先端部が加熱されるため、上板が軟化して、接続部材が上板内に進入することが可能となる。
このようにして、回転しながら上板内に進入する接続部材の先端部が、下板の上面に到達すると、接続部材の軸部と下板との間で摩擦圧接のプロセスが進行し、接続部材の軸部と下板が摩擦圧接される。これにより、接続部材と下板が摩擦圧接部（接合部）で接合されるとともに、上板が接続部材の頭部と下板との問で固定される。
また、上記のような摩擦圧接により接続部材を介して上下の板を接合した継手として、例えば、特許文献２には、下板として引張強さ１０００ＭＰａ以上の高強度鋼板、接続部材として炭素を０．１７～０．４５％、クロムを０．７０～１．５％、モリブデンを０．１５～０．８０％含む合金スチールを用いた接合継手が開示されている。
摩擦圧接にて鋼同士又は鋼とほかの金属材料を接合して破断強度試験を実施すると、特に強度が７８０ＭＰａを超える高強度鋼板では変形能が小さい傾向があるため継手強度が不足し易い。
特許文献２では、摩擦圧接接合継手の下板として引張強さ１０００ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いることが開示されているが、高強度鋼板の成分及び組織について何ら記載されてなく、高強度鋼板を用いた場合の継手強度の低下について考慮されていない。
特許文献２では、摩擦圧接接合継手の下板として引張強さ１０００ＭＰａ以上の高強度鋼板を用いることが開示されているが、高強度鋼板の成分及び組織について何ら記載されてなく、高強度鋼板を用いた場合の継手強度の低下について考慮されていない。
本開示は、引張強さが高い鋼板を用いて摩擦圧接を行った場合に、継手強度が高い接合継手が得られる摩擦圧接用鋼板並びにそれを用いた複合部材及び自動車用部材を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本開示の要旨は次の通りである。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．１０～０．７０％、
Ｓｉ：０．１０～３．５０％、
Ｍｎ：０．５０～５．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：３．０００％以下、及び
Ｎ：０．０１０％以下であり、
残部が、Ｆｅ及び不純物からなる鋼成分を有し、
マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上である鋼組織を有し、
引張強さが７８０ＭＰａ以上である、
摩擦圧接用鋼板。
＜２＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、及び、
Ｖ：０．３０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む＜１＞に記載の摩擦圧接用鋼板。
＜３＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｒ：５．０％以下、及び、Ｍｏ：２．０％以下の１種又は２種を含む＜１＞又は＜２＞に記載の摩擦圧接用鋼板。
＜４＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、及び、Ｎｉ：１０．０％以下の１種又は２種を含む＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜５＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０２０％以下を含む＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜６＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃａ：０．００３０％以下、
ＲＥＭ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５％以下、及び
Ｚｒ：０．０５％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜７＞ 表面にＺｎ及びＡｌの少なくとも一方を含むめっき層が形成されている＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜８＞ 第１の板材と、
＜１＞～＜７＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板であって、前記第１の板材に重ね合わされた第２の板材と、
頭部及び軸部を有し、前記第１の板材と前記第２の板材とを接続する接続部材と、
を含み、
前記接続部材の前記軸部が前記第１の板材を貫通して前記軸部の先端部が前記第２の板材と接合されており、前記第１の板材が前記接続部材の前記頭部と前記第２の板材との間で固定された構造を有する、
複合部材。
＜９＞ ＜８＞に記載の複合部材を備える自動車用部材。
＜１＞ 質量％で、
Ｃ：０．１０～０．７０％、
Ｓｉ：０．１０～３．５０％、
Ｍｎ：０．５０～５．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：３．０００％以下、及び
Ｎ：０．０１０％以下であり、
残部が、Ｆｅ及び不純物からなる鋼成分を有し、
マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上である鋼組織を有し、
引張強さが７８０ＭＰａ以上である、
摩擦圧接用鋼板。
＜２＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、及び、
Ｖ：０．３０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む＜１＞に記載の摩擦圧接用鋼板。
＜３＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｒ：５．０％以下、及び、Ｍｏ：２．０％以下の１種又は２種を含む＜１＞又は＜２＞に記載の摩擦圧接用鋼板。
＜４＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、及び、Ｎｉ：１０．０％以下の１種又は２種を含む＜１＞～＜３＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜５＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０２０％以下を含む＜１＞～＜４＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜６＞ 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃａ：０．００３０％以下、
ＲＥＭ：０．０５０％以下、
Ｍｇ：０．０５％以下、及び
Ｚｒ：０．０５％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む＜１＞～＜５＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜７＞ 表面にＺｎ及びＡｌの少なくとも一方を含むめっき層が形成されている＜１＞～＜６＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板。
＜８＞ 第１の板材と、
＜１＞～＜７＞のいずれか１つに記載の摩擦圧接用鋼板であって、前記第１の板材に重ね合わされた第２の板材と、
頭部及び軸部を有し、前記第１の板材と前記第２の板材とを接続する接続部材と、
を含み、
前記接続部材の前記軸部が前記第１の板材を貫通して前記軸部の先端部が前記第２の板材と接合されており、前記第１の板材が前記接続部材の前記頭部と前記第２の板材との間で固定された構造を有する、
複合部材。
＜９＞ ＜８＞に記載の複合部材を備える自動車用部材。
本開示によれば、引張強さが高い鋼板を用いて摩擦圧接を行った場合に、継手強度が高い接合継手が得られる摩擦圧接用鋼板並びにそれを用いた複合部材及び自動車用部材が提供される。
本開示の一例である実施形態について説明する。
なお、本開示において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。また、本開示において、「～」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、「～」の前後に記載される数値に「超」又は「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階的な数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよく、また、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
また、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
なお、本開示において、各元素の含有量の「％」表示は「質量％」を意味する。また、本開示において、「～」を用いて表される数値範囲は、特に断りの無い限り、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。また、「～」の前後に記載される数値に「超」又は「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値又は上限値として含まない範囲を意味する。
本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある段階的な数値範囲の上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよく、また、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
また、「工程」との用語は、独立した工程だけではなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本発明者らは、鋼板にリベット等の接続部材を摩擦圧接によって接合して接合継手を製造する場合、Ｃ含有量が比較的多い高強度鋼板を用いると継手強度が不足する原因について詳細に調べたところ、接合部近傍の二相域（フェライト相及びオーステナイト相）に加熱された領域（以下、「二相域加熱部」と称する。）における軟質相（主にフェライト相）と硬質相（主にマルテンサイト相）との高い硬度差が、軟質相と硬質相の界面などにひずみを集中させることが原因と考えられた。ここで、軟質相とは、二相域加熱部において、硬質相（主にマルテンサイト相）よりも硬さが低い相を指す。
特に、接合継手の二相域加熱部の軟質相がアスペクト比の小さい塊状の形状であると、継手強度が低下することが明らかになった。
そこで、本発明者らは、接合部に生じる二相域加熱部の軟質相を所定の形状、好ましくはアスペクト比が５以上となる針状に制御することで、局所的なひずみ集中を緩和し、接合継手としての継手強度が向上することを見出した。
特に、接合継手の二相域加熱部の軟質相がアスペクト比の小さい塊状の形状であると、継手強度が低下することが明らかになった。
そこで、本発明者らは、接合部に生じる二相域加熱部の軟質相を所定の形状、好ましくはアスペクト比が５以上となる針状に制御することで、局所的なひずみ集中を緩和し、接合継手としての継手強度が向上することを見出した。
一方、本発明者らは、摩擦圧接による接合に用いる鋼板の接合前後の組織形態を調査した。図１は接合前の鋼板の組織の一例を示すＳＥＭ画像であり、Ａは主に塊状のフェライトとマルテンサイトからなる組織、Ｂは主に焼戻しマルテンサイトと焼戻しラス状ベイナイトからなる組織である。そして、組織Ａを有する鋼板を用いて摩擦圧接を行った接合継手と、組織Ｂを有する鋼板を用いて摩擦圧接を行った接合継手について、それぞれ接合部における領域ａ、ｂの組織を観察した。
図２は、図１に示す組織Ａを有する鋼板を用いて摩擦圧接した接合継手の板厚方向の断面を示すＳＥＭ画像であり、図３は、図２に示す接合部の領域ａ及び領域ｂの各組織を示すＳＥＭ画像である。
また、図４は、図１に示す組織Ｂを有する鋼板を用いて摩擦圧接した接合継手の板厚方向の断面を示すＳＥＭ画像であり、図５は、図４に示す接合部の領域ａ及び領域ｂの各組織を示すＳＥＭ画像である。
なお、図２及び図４において、１０は上板（アルミニウム合金）、２０は下板（鋼板）、３０は接続部材（リベット）であり、３２はリベットの頭部、３４はリベットの軸部、４０は下板２０と接続部材３０との接合部である。また、図２及び図４における破線は、Ａｃ１点近傍まで加熱されたと考えられる領域の境界を示している。
図１の組織Ａと図３の領域ａの組織との対比、及び、図１の組織Ｂと図５の領域ａの組織との対比から明らかなように、いずれの鋼板を用いた場合でも、接合部は非溶融かつ急速加熱冷却によって形成されるため、接合後の二相域加熱部の組織形態は、接合前の鋼板の組織形態に影響を受ける。そのため、接合前の鋼板の組織を制御しておくことで、接合後の組織を制御することがある程度可能であることが分かった。
図２は、図１に示す組織Ａを有する鋼板を用いて摩擦圧接した接合継手の板厚方向の断面を示すＳＥＭ画像であり、図３は、図２に示す接合部の領域ａ及び領域ｂの各組織を示すＳＥＭ画像である。
また、図４は、図１に示す組織Ｂを有する鋼板を用いて摩擦圧接した接合継手の板厚方向の断面を示すＳＥＭ画像であり、図５は、図４に示す接合部の領域ａ及び領域ｂの各組織を示すＳＥＭ画像である。
なお、図２及び図４において、１０は上板（アルミニウム合金）、２０は下板（鋼板）、３０は接続部材（リベット）であり、３２はリベットの頭部、３４はリベットの軸部、４０は下板２０と接続部材３０との接合部である。また、図２及び図４における破線は、Ａｃ１点近傍まで加熱されたと考えられる領域の境界を示している。
図１の組織Ａと図３の領域ａの組織との対比、及び、図１の組織Ｂと図５の領域ａの組織との対比から明らかなように、いずれの鋼板を用いた場合でも、接合部は非溶融かつ急速加熱冷却によって形成されるため、接合後の二相域加熱部の組織形態は、接合前の鋼板の組織形態に影響を受ける。そのため、接合前の鋼板の組織を制御しておくことで、接合後の組織を制御することがある程度可能であることが分かった。
そして、接合継手の二相域加熱部において上述の針状の軟質相（針状軟質相）が分散した組織形態を実現するには、接合前の組織がラス状となる組織、具体的には、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、これらの組織の合計分率が６０％以上となる鋼板を用いることが有効であり、このような鋼板を用いて摩擦圧接により接合した接合継手であれば、高い継手強度が得られることを実験的に見出し、本開示を完成するに至った。
すなわち、本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．７０％、
Ｓｉ：０．１０～３．５０％、
Ｍｎ：０．５０～５．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：３．０００％以下、及び
Ｎ：０．０１０％以下であり、
残部が、Ｆｅ及び不純物からなる鋼成分を有し、
マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上である鋼組織を有し、
引張強さが７８０ＭＰａ以上である、摩擦圧接用鋼板である。
すなわち、本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、質量％で、
Ｃ：０．１０～０．７０％、
Ｓｉ：０．１０～３．５０％、
Ｍｎ：０．５０～５．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：３．０００％以下、及び
Ｎ：０．０１０％以下であり、
残部が、Ｆｅ及び不純物からなる鋼成分を有し、
マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上である鋼組織を有し、
引張強さが７８０ＭＰａ以上である、摩擦圧接用鋼板である。
［鋼成分］
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分について具体的に説明する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分は、Ｃ：０．１０～０．７０％、Ｓｉ：０．１０～３．５０％、Ｍｎ：０．５０～５．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ａｌ：３．０００％以下、及びＮ：０．０１０％以下であり、残部が、Ｆｅ及び不純物からなる。また、本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、上記鋼成分におけるＦｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、
Ｖ：０．３０％以下、
Ｃｒ：５．０％以下、
Ｍｏ：２．０％以下、
Ｃｕ：２．０％以下、
Ｎｉ：１０．０％以下、
Ｂ：０．０２０％以下、
Ｃａ：０．００３％以下、
ＲＥＭ：０．０５％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、及び
Ｚｒ：０．０５０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含んでもよい。
以下、各元素の含有量を限定した理由について説明する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分について具体的に説明する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分は、Ｃ：０．１０～０．７０％、Ｓｉ：０．１０～３．５０％、Ｍｎ：０．５０～５．００％、Ｐ：０．０２０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ａｌ：３．０００％以下、及びＮ：０．０１０％以下であり、残部が、Ｆｅ及び不純物からなる。また、本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、上記鋼成分におけるＦｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、
Ｖ：０．３０％以下、
Ｃｒ：５．０％以下、
Ｍｏ：２．０％以下、
Ｃｕ：２．０％以下、
Ｎｉ：１０．０％以下、
Ｂ：０．０２０％以下、
Ｃａ：０．００３％以下、
ＲＥＭ：０．０５％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、及び
Ｚｒ：０．０５０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含んでもよい。
以下、各元素の含有量を限定した理由について説明する。
Ｃ：０．１０～０．７０％
Ｃは、鋼の焼入れ性を高め、強度向上に寄与する元素である。Ｃ含有量が０．１０％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．１０％とする。好ましい下限は０．１５％である。一方、Ｃ含有量が０．７０％を超えると、強度が向上しすぎて加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を０．７０％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、Ｃ含有量は０．１５～０．５５％が好ましい。
Ｃは、鋼の焼入れ性を高め、強度向上に寄与する元素である。Ｃ含有量が０．１０％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．１０％とする。好ましい下限は０．１５％である。一方、Ｃ含有量が０．７０％を超えると、強度が向上しすぎて加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を０．７０％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、Ｃ含有量は０．１５～０．５５％が好ましい。
Ｓｉ：０．１０～３．５０％
Ｓｉは、固溶強化及び組織強化により、鋼の強度を高める元素である。Ｓｉ含有量が０．１％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．１０％とする。一方、Ｓｉ含有量が３．５０％を超えると、加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を３．５０％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、０．５０～２．００％が好ましい。
Ｓｉは、固溶強化及び組織強化により、鋼の強度を高める元素である。Ｓｉ含有量が０．１％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．１０％とする。一方、Ｓｉ含有量が３．５０％を超えると、加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を３．５０％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、０．５０～２．００％が好ましい。
Ｍｎ：０．５０～５．００％
Ｍｎは、鋼の強度を高める元素である。Ｍｎ含有量が０．５０％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．５０％とする。一方、Ｍｎ含有量が５．００％を超えると、加工性が劣化するとともに継手強度も低下するので、上限を５．００％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、１．００～２．８０％が好ましい。より好ましくは、１．５０～２．５０％である。
Ｍｎは、鋼の強度を高める元素である。Ｍｎ含有量が０．５０％未満であると、高い引張強さが得られないので、下限を０．５０％とする。一方、Ｍｎ含有量が５．００％を超えると、加工性が劣化するとともに継手強度も低下するので、上限を５．００％とする。強度と加工性をバランスよく確保するには、１．００～２．８０％が好ましい。より好ましくは、１．５０～２．５０％である。
Ｐ：０．０２０％以下
Ｐは、不純物であり、脆化を起こす元素である。Ｐ含有量が０．０２０％を超えると、継手強度を得ることが難しいので、上限を０．０２０％とする。
Ｐは、不純物であり、脆化を起こす元素である。Ｐ含有量が０．０２０％を超えると、継手強度を得ることが難しいので、上限を０．０２０％とする。
Ｓ：０．０５０％以下
Ｓは、Ｐと同様に、不純物であり脆化をおこす元素である。また、Ｓは、鋼中で粗大なＭｎＳを形成し、鋼の加工性を低下させるとともに継手強度も低下させる元素である。Ｓ含有量が０．０５０％を超えると、所要の継手強度を得ることが難しく、また、鋼の加工性が低下するので、上限を０．０５０％とする。
Ｓは、Ｐと同様に、不純物であり脆化をおこす元素である。また、Ｓは、鋼中で粗大なＭｎＳを形成し、鋼の加工性を低下させるとともに継手強度も低下させる元素である。Ｓ含有量が０．０５０％を超えると、所要の継手強度を得ることが難しく、また、鋼の加工性が低下するので、上限を０．０５０％とする。
Ａｌ：３．０００％以下
Ａｌは、脱酸作用をなす元素であり、また、フェライトを安定化し、セメンタイトの析出を抑制する元素である。Ａｌは、脱酸、及び、鋼組織の制御のため含有させるが、Ａｌは酸化し易く、Ａｌ含有量が３．０００％を超えると、介在物が増加して加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を３．０００％とする。加工性を確保する点で、好ましい上限は１．２００％である。脱酸、及び、鋼組織の制御のため、Ａｌ含有量の好ましい下限値は、０．００１％である。
Ａｌは、脱酸作用をなす元素であり、また、フェライトを安定化し、セメンタイトの析出を抑制する元素である。Ａｌは、脱酸、及び、鋼組織の制御のため含有させるが、Ａｌは酸化し易く、Ａｌ含有量が３．０００％を超えると、介在物が増加して加工性が低下するとともに継手強度も低下するので、上限を３．０００％とする。加工性を確保する点で、好ましい上限は１．２００％である。脱酸、及び、鋼組織の制御のため、Ａｌ含有量の好ましい下限値は、０．００１％である。
Ｎ：０．０１０％以下
Ｎは、鋼板の強度を高める元素であるが、鋼中で粗大な窒化物を形成し、鋼の成形性を劣化させる作用をなす元素である。Ｎ含有量が０．０１０％を超えると、鋼の成形性の劣化、継手強度の低下が顕著となるので、上限を０．０１０％とする。
Ｎは、鋼板の強度を高める元素であるが、鋼中で粗大な窒化物を形成し、鋼の成形性を劣化させる作用をなす元素である。Ｎ含有量が０．０１０％を超えると、鋼の成形性の劣化、継手強度の低下が顕著となるので、上限を０．０１０％とする。
残部：Ｆｅ及び不純物
残部は、Ｆｅ及び不純物である。不純物とは、鉱石、スクラップ等の原材料に含まれる成分、又は、製造の過程で混入する成分が例示され、意図的に摩擦圧接用鋼板に含有させたものではない成分を指す。
残部は、Ｆｅ及び不純物である。不純物とは、鉱石、スクラップ等の原材料に含まれる成分、又は、製造の過程で混入する成分が例示され、意図的に摩擦圧接用鋼板に含有させたものではない成分を指す。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、Ｆｅの一部に代えて上記以外の元素（任意元素）を含んでもよい。以下に本開示の摩擦圧接用鋼板に含み得る任意元素について説明する。なお、以下の任意元素は含まない、すなわち含有量が０％でもよいし、含む場合の下限値は０％超であってもよい。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、鋼板組織の粗大化を抑制するため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、及び、
Ｖ：０．３０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、及び、
Ｖ：０．３０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｔｉ：０．３０％以下
Ｔｉは、析出物を形成し、鋼板組織を細粒とする元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０１％以上である。一方、過剰に含有すると、製造性が低下し、加工時に割れが生じるだけでなく継手強度の低下も起こすので、０．３０％を上限とすることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｔｉは、析出物を形成し、鋼板組織を細粒とする元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０１％以上である。一方、過剰に含有すると、製造性が低下し、加工時に割れが生じるだけでなく継手強度の低下も起こすので、０．３０％を上限とすることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｎｂ：０．３０％以下
Ｎｂは、微細な炭窒化物を形成し結晶粒の粗大化を抑制する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０１％以上である。過剰に含有すると、靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．３０％とすることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｎｂは、微細な炭窒化物を形成し結晶粒の粗大化を抑制する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０１％以上である。過剰に含有すると、靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．３０％とすることが好ましく、より好ましくは０．２０％以下である。
Ｖ：０．３０％以下
Ｖは、微細な炭窒化物を形成し結晶粒の粗大化を抑制する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０３％以上である。過剰に含有すると、靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．３０％とすることが好ましく、より好ましくは０．２５％以下である。
Ｖは、微細な炭窒化物を形成し結晶粒の粗大化を抑制する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０３％以上である。過剰に含有すると、靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．３０％とすることが好ましく、より好ましくは０．２５％以下である。
Ｃｒ：５．０％以下
Ｍｏ：２．０％以下
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、鋼の強度の向上のため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：５．０％以下、及び、Ｍｏ：２．０％以下の１種又は２種を含有してもよい。
Ｃｒ及びＭｏは、鋼の強度の向上に寄与する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０５％以上である。ただし、Ｃｒ含有量が５．０％を超え、又はＭｏ含有量が２．０％を超えると、酸洗時や熱間加工時に支障が生じることがあるだけでなく継手強度の低下を招くので、Ｃｒ含有量の上限は５．０％とすることが好ましく、Ｍｏ含有量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｍｏ：２．０％以下
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、鋼の強度の向上のため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｒ：５．０％以下、及び、Ｍｏ：２．０％以下の１種又は２種を含有してもよい。
Ｃｒ及びＭｏは、鋼の強度の向上に寄与する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．０５％以上である。ただし、Ｃｒ含有量が５．０％を超え、又はＭｏ含有量が２．０％を超えると、酸洗時や熱間加工時に支障が生じることがあるだけでなく継手強度の低下を招くので、Ｃｒ含有量の上限は５．０％とすることが好ましく、Ｍｏ含有量の上限は２．０％とすることが好ましい。
Ｃｕ：２．０％以下
Ｎｉ：１０．０％以下
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、鋼の強度向上のため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、及び、Ｎｉ：１０．０％以下の１種又は２種を含有してもよい。
Ｃｕ及びＮｉは、鋼の強度の向上に寄与する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．１０％以上である。ただし、Ｃｕ量が２．０％を超え、Ｎｉ含有量が１０．０％を超えると、酸洗時や熱間加工時に支障が生じることがあるだけでなく継手強度の低下を招くことがあるので、Ｃｕ量の上限は２．０％とすることが好ましく、Ｎｉ含有量の上限は１０．０％とすることが好ましい。
Ｎｉ：１０．０％以下
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、鋼の強度向上のため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、及び、Ｎｉ：１０．０％以下の１種又は２種を含有してもよい。
Ｃｕ及びＮｉは、鋼の強度の向上に寄与する元素である。含有効果を得るため、０．００１％以上含有することが好ましい。より好ましくは０．１０％以上である。ただし、Ｃｕ量が２．０％を超え、Ｎｉ含有量が１０．０％を超えると、酸洗時や熱間加工時に支障が生じることがあるだけでなく継手強度の低下を招くことがあるので、Ｃｕ量の上限は２．０％とすることが好ましく、Ｎｉ含有量の上限は１０．０％とすることが好ましい。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、熱間圧延工程における成形性の向上のため、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃａ：０．００３％以下、
ＲＥＭ０．０５％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、及び
Ｚｒ：０．０５０％以下からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｃａ：０．００３％以下、
ＲＥＭ０．０５％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、及び
Ｚｒ：０．０５０％以下からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含有してもよい。
Ｃａ、ＲＥＭ（ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍｅｔａｌ）、Ｍｇ、及びＺｒは、脱酸後の酸化物や、熱間圧延鋼板中に存在する硫化物を微細化し、成形性の向上に寄与する元素である。ただし、Ｃａの含有量が０．００３％を超え、ＲＥＭの含有量が０．０５％を超え、Ｍｇ、又はＺｒの各含有量が０．０５％を超えると、鋼の加工性が低下する。そのため、Ｃａ含有量の上限を０．００３％とし、ＲＥＭ含有量の上限を０．０５％とし、Ｍｇ、及びＺｒの各含有量の上限を０．０５％とすることが好ましい。
なお、含有効果を得るため、Ｃａ含有量は０．０００５％以上、ＲＥＭは０．００１ ％以上、Ｍｇは０．００１％以上、Ｚｒは０．００１％以上とすることが好ましい。
なお、含有効果を得るため、Ｃａ含有量は０．０００５％以上、ＲＥＭは０．００１ ％以上、Ｍｇは０．００１％以上、Ｚｒは０．００１％以上とすることが好ましい。
なお、「ＲＥＭ」とはＳｃ、Ｙ、及びランタノイドの合計１７元素の総称であり、ＲＥＭの含有量はＲＥＭのうちの１種又は２種以上の元素の合計含有量を指す。また、ＲＥＭについては一般的にミッシュメタルに含有される。このため、例えば、ＲＥＭは、ＲＥＭの含有量が上記の範囲となるように、ミッシュメタルの形で含有させてもよい。
Ｂ：０．０２０％以下
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０２０％以下を含んでもよい。
Ｂは、粒界に偏析して粒界強度を高める元素である。含有効果を得るため、０．０００１％以上含有することが好ましく、より好ましくは０．０００８％以上である。一方、過剰に含有すると靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．０２０％とすることが好ましく、より好ましくは０．０１０％以下である。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０２０％以下を含んでもよい。
Ｂは、粒界に偏析して粒界強度を高める元素である。含有効果を得るため、０．０００１％以上含有することが好ましく、より好ましくは０．０００８％以上である。一方、過剰に含有すると靭性を阻害し製造困難になるだけでなく継手強度低下を引き起こすため、上限を０．０２０％とすることが好ましく、より好ましくは０．０１０％以下である。
［鋼組織］
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の組織について説明する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト（ラス状のベイナイト）、及び焼戻しラス状ベイナイト（ラス状のベイナイトを焼戻した組織）からなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上を占める鋼組織を有する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分は、前述したようにＣ含有量が０．１０～０．７０％であり、この範囲でＣを含む場合、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトは、いずれも、いわゆるラス状の組織となる。
摩擦圧接による接合継手の継手強度を向上させる観点から、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織の合計分率は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織の合計分率の上限は特に限定されず、１００％であってもよい。
また、摩擦圧接による接合継手の継手強度を向上させる観点から、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトのうち、マルテンサイト及び／又はラス状ベイナイトを含むことが好ましく、マルテンサイトの分率が最も高いことがさらに好ましい。焼戻しマルテンサイトや焼戻しラス状ベイナイトは、焼戻しによって鋼板の加工性を上げるが、接合中にさらに熱が加わることにより炭化物が粗大化してしまい靭性を落とす場合があるため、炭化物が析出していないマルテンサイトを多く含むことが好ましい。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の組織について説明する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト（ラス状のベイナイト）、及び焼戻しラス状ベイナイト（ラス状のベイナイトを焼戻した組織）からなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上を占める鋼組織を有する。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の鋼成分は、前述したようにＣ含有量が０．１０～０．７０％であり、この範囲でＣを含む場合、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトは、いずれも、いわゆるラス状の組織となる。
摩擦圧接による接合継手の継手強度を向上させる観点から、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織の合計分率は、７０％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましい。マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織の合計分率の上限は特に限定されず、１００％であってもよい。
また、摩擦圧接による接合継手の継手強度を向上させる観点から、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトのうち、マルテンサイト及び／又はラス状ベイナイトを含むことが好ましく、マルテンサイトの分率が最も高いことがさらに好ましい。焼戻しマルテンサイトや焼戻しラス状ベイナイトは、焼戻しによって鋼板の加工性を上げるが、接合中にさらに熱が加わることにより炭化物が粗大化してしまい靭性を落とす場合があるため、炭化物が析出していないマルテンサイトを多く含むことが好ましい。
残部組織は特に限定されないが、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織の合計分率が１００％未満である場合、残部組織は、フェライト、残留オーステナイト、及びパーライトからなる群より選ばれる１種又は２種以上であることが好ましく、フェライト及び残留オーステナイトを含むことがより好ましい。また、粗大な炭化物やその他の析出物などを含まない方が靱性確保の観点から好ましい。
摩擦圧接用鋼板における組織分率は、以下の方法によって求める。
まず、供試鋼板を厚さ方向に切断し、切断面を鏡面研磨し、３％ナイタール液で腐食して金属組織を顕出させた後、走査型電子顕微鏡にて倍率２０００倍で観察し、フェライト、ラス状ベイナイトおよび焼戻したラス状のベイナイト、パーライト組織を同定する。さらに、ラス状の組織で鉄炭化物を含む組織を焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイトおよび焼戻したラス状のベイナイトとする。焼戻しマルテンサイトと焼戻したラス状のベイナイトは炭化物の析出位置およびその析出の方向から分離する。図８は焼戻しマルテンサイトの一例を示すＴＥＭ写真である。焼戻しマルテンサイトでは図８のように複数のバリアント、すなわち異なる方向に伸長した複数の鉄炭化物の析出が見られる。
一方、ラス状のベイナイトもしくは焼戻したラス状のベイナイトではセメンタイトの析出は一方向になっており焼戻しマルテンサイトと区別が可能である。焼戻したラス状のベイナイトとラス状のベイナイトとの区別は、本来の定義とはずれるが、便宜上、ベイニティックフェライト間のみに鉄炭化物を有するものはラス状のベイナイト、ベイニティックフェライト内に析出しているものを焼戻したラス状のベイナイトとする。
また、マルテンサイトについてはレペラーエッチングを行い光学顕微鏡で観察し、白色部をマルテンサイトとした。
本開示では、鋼板の組織分率は、上記のようにして切断面における各組織の面積率として求める。
まず、供試鋼板を厚さ方向に切断し、切断面を鏡面研磨し、３％ナイタール液で腐食して金属組織を顕出させた後、走査型電子顕微鏡にて倍率２０００倍で観察し、フェライト、ラス状ベイナイトおよび焼戻したラス状のベイナイト、パーライト組織を同定する。さらに、ラス状の組織で鉄炭化物を含む組織を焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイトおよび焼戻したラス状のベイナイトとする。焼戻しマルテンサイトと焼戻したラス状のベイナイトは炭化物の析出位置およびその析出の方向から分離する。図８は焼戻しマルテンサイトの一例を示すＴＥＭ写真である。焼戻しマルテンサイトでは図８のように複数のバリアント、すなわち異なる方向に伸長した複数の鉄炭化物の析出が見られる。
一方、ラス状のベイナイトもしくは焼戻したラス状のベイナイトではセメンタイトの析出は一方向になっており焼戻しマルテンサイトと区別が可能である。焼戻したラス状のベイナイトとラス状のベイナイトとの区別は、本来の定義とはずれるが、便宜上、ベイニティックフェライト間のみに鉄炭化物を有するものはラス状のベイナイト、ベイニティックフェライト内に析出しているものを焼戻したラス状のベイナイトとする。
また、マルテンサイトについてはレペラーエッチングを行い光学顕微鏡で観察し、白色部をマルテンサイトとした。
本開示では、鋼板の組織分率は、上記のようにして切断面における各組織の面積率として求める。
［引張強さ］
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、引張強さが７８０ＭＰａ以上である。これにより、本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて摩擦圧接によって接合継手を製造した場合に継手強度が高く、母材（鋼板）が高強度の板状部材を得ることができる。本開示に係る摩擦圧接用鋼板の引張強さは、好ましくは、９８０ＭＰａ以上であり、より好ましくは１１８０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１４７０ＭＰａ以上である。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、引張強さが７８０ＭＰａ以上である。これにより、本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて摩擦圧接によって接合継手を製造した場合に継手強度が高く、母材（鋼板）が高強度の板状部材を得ることができる。本開示に係る摩擦圧接用鋼板の引張強さは、好ましくは、９８０ＭＰａ以上であり、より好ましくは１１８０ＭＰａ以上であり、さらに好ましくは１４７０ＭＰａ以上である。
［摩擦圧接用鋼板の製造方法］
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の製造方法は特に限定されない。熱延鋼板でも冷延鋼板でもよい。例えば、以下の方法によって好適に製造することができる。
まず、転炉で上述した成分に調整された鋼を溶製して連続鋳造法によりスラブとし、スラブを高温状態のまま、あるいは、室温まで冷却した後、加熱炉に挿入し、１１００～１３００℃の温度範囲で加熱し、その後、８００～９５０℃の温度範囲で仕上げ圧延を行う。仕上げ圧延温度から５００～６５０℃まで水冷し、その後空冷する。
次いで、冷間圧延によって所望の厚みを有する鋼板にする。なお、本開示に係る摩擦圧接用鋼板の厚みは特に限定されず、摩擦圧接接合後の用途に応じて厚みを設定すればよい。例えば、１．０～３．５ｍｍの厚さにする。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板の製造方法は特に限定されない。熱延鋼板でも冷延鋼板でもよい。例えば、以下の方法によって好適に製造することができる。
まず、転炉で上述した成分に調整された鋼を溶製して連続鋳造法によりスラブとし、スラブを高温状態のまま、あるいは、室温まで冷却した後、加熱炉に挿入し、１１００～１３００℃の温度範囲で加熱し、その後、８００～９５０℃の温度範囲で仕上げ圧延を行う。仕上げ圧延温度から５００～６５０℃まで水冷し、その後空冷する。
次いで、冷間圧延によって所望の厚みを有する鋼板にする。なお、本開示に係る摩擦圧接用鋼板の厚みは特に限定されず、摩擦圧接接合後の用途に応じて厚みを設定すればよい。例えば、１．０～３．５ｍｍの厚さにする。
冷間圧延後、熱処理を行う。熱処理は７５０～８５０℃まで１０～１００℃／ｓｅｃで加熱し、その後、冷却や再加熱などの熱処理を行う。
マルテンサイト、ラス状のベイナイトの組織を作り込むのは、鋼板の組成によって、マルテンサイトやラス状のベイナイトが生成する冷却速度が異なるので、ＣＣＴ曲線やＴＴＴ曲線に基づいて行うのが好ましい。これにより、鋼板の厚さ方向の断面において、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、これらの組織の面積率の合計が６０％以上である鋼組織を有し、引張強さが７８０ＭＰａ以上である摩擦圧接用鋼板を製造することができる。
マルテンサイト、ラス状のベイナイトの組織を作り込むのは、鋼板の組成によって、マルテンサイトやラス状のベイナイトが生成する冷却速度が異なるので、ＣＣＴ曲線やＴＴＴ曲線に基づいて行うのが好ましい。これにより、鋼板の厚さ方向の断面において、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状のベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、これらの組織の面積率の合計が６０％以上である鋼組織を有し、引張強さが７８０ＭＰａ以上である摩擦圧接用鋼板を製造することができる。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、表面にＺｎ及びＡｌの少なくとも一方を含むめっき層が形成されている摩擦圧接用めっき鋼板としてもよい。
上記の成分及び組織を有する鋼板にアルミめっき、アルミ－亜鉛めっき、亜鉛めっきを施してもよい。
アルミめっき工程、アルミ－亜鉛めっき工程、又は亜鉛めっき工程は常法を採用することができる。例えば、アルミめっきであれば、浴中Ｓｉ濃度は５～１２％が適しており、アルミ－亜鉛めっきでは、浴中Ｚｎ濃度は４０～５０％が適している。また、アルミめっき層中にＭｇやＺｎが混在しても、アルミ－亜鉛めっき層中にＭｇが混在してもよい。
なお、めっき工程における雰囲気については、無酸化炉を有する連続式めっき設備でも無酸化炉を有しない連続式めっき設備でも通常の条件とすることでめっき可能である。また、亜鉛めっき方法であれば、溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっきなどいかなる方法を取ってもよい。
めっき前に鋼板表面に、ＮｉプレめっきやＦｅプレめっき、その他めっき性を向上させる金属プレめっきを施してもよい。また、めっき層表面に異種の金属めっきや無機系化合物又は有機系化合物の皮膜などを付与してもよい。
アルミめっき工程、アルミ－亜鉛めっき工程、又は亜鉛めっき工程は常法を採用することができる。例えば、アルミめっきであれば、浴中Ｓｉ濃度は５～１２％が適しており、アルミ－亜鉛めっきでは、浴中Ｚｎ濃度は４０～５０％が適している。また、アルミめっき層中にＭｇやＺｎが混在しても、アルミ－亜鉛めっき層中にＭｇが混在してもよい。
なお、めっき工程における雰囲気については、無酸化炉を有する連続式めっき設備でも無酸化炉を有しない連続式めっき設備でも通常の条件とすることでめっき可能である。また、亜鉛めっき方法であれば、溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっきなどいかなる方法を取ってもよい。
めっき前に鋼板表面に、ＮｉプレめっきやＦｅプレめっき、その他めっき性を向上させる金属プレめっきを施してもよい。また、めっき層表面に異種の金属めっきや無機系化合物又は有機系化合物の皮膜などを付与してもよい。
例えば自動車用、家電用、建材用として使用される高強度表面処理鋼板は、その多くが溶融亜鉛めっき鋼板であり、溶融亜鉛めっきを施す場合は、通常、焼鈍とめっきが同じ設備（又は同一設備列）で同時に行われる。本開示に係る摩擦圧接用めっき鋼板を製造する場合、溶融亜鉛めっきのように、焼鈍及びめっきを同時に行った場合や、焼鈍の後、電気めっき、有機複合皮膜を施してもよい。
めっき量としては、めっきの目的である防食作用を発揮させる観点から、３ｍｇ／ｍ２以上であることが好ましく、溶接時のブローホールなどの欠陥の発生を抑制する観点から、８００ｇ／ｍ２以下であることが好ましい。
［接合継手の製造方法］
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、他の部材を摩擦圧接によって接合して接合継手を製造するために用いられる。本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて接合継手を製造する方法は特に限定されないが、例えば、上板（第１の板材）と下板（第２の板材）を重ね合わせ、リベット等の頭部と軸部を有する接続部材を用い、接続部材の軸部（先端部）を上板に対して加圧しながら高速で回転させることで上板を貫通し、接続部材の軸部の先端部が下板と接合するとともに、上板が接続部材の頭部と下板との問で固定された接合継手（複合部材）を製造する場合に、下板として本開示に係る摩擦圧接用鋼板を好適に用いることができる。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、他の部材を摩擦圧接によって接合して接合継手を製造するために用いられる。本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて接合継手を製造する方法は特に限定されないが、例えば、上板（第１の板材）と下板（第２の板材）を重ね合わせ、リベット等の頭部と軸部を有する接続部材を用い、接続部材の軸部（先端部）を上板に対して加圧しながら高速で回転させることで上板を貫通し、接続部材の軸部の先端部が下板と接合するとともに、上板が接続部材の頭部と下板との問で固定された接合継手（複合部材）を製造する場合に、下板として本開示に係る摩擦圧接用鋼板を好適に用いることができる。
図６は、２枚の板材とリベット状の接続部材を用いて摩擦圧接により接合する方法の一例を示す概略図である。
図６に示す接合継手では、下板２Ｂとして本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて上板３と下板２Ｂが重ね合わされており、リベット状の接続部材１Ｂが上板３を貫通して下板２Ｂと摩擦圧接により接合されている。上板３は、リベット状の接続部材１Ｂの頭部１２と下板２Ｂとによって挟まれて固定されている。
図６に示す接合継手では、下板２Ｂとして本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて上板３と下板２Ｂが重ね合わされており、リベット状の接続部材１Ｂが上板３を貫通して下板２Ｂと摩擦圧接により接合されている。上板３は、リベット状の接続部材１Ｂの頭部１２と下板２Ｂとによって挟まれて固定されている。
上板３は、接続部材の軸部１１が貫通して下板２Ｂと摩擦圧接し得るものであれば特に限定されず、例えば、樹脂板、金属板等を用いることができる。金属板としては、例えば、アルミニウム板、アルミニウム合金板等の軽金属板、鋼板等が挙げられる。
なお、上板３は、接続部材１Ｂの軸部１１が貫通する予定の箇所に、貫通孔３１Ｂを有していてもよい。
また、上板３として、同種又は異種の板材を複数枚重ね合わせて用いてもよい。すなわち、上板３と下板２Ｂは、直接重ね合わされていてもよいし、他の板材を介して重ね合わされていてもよい。
なお、上板３は、接続部材１Ｂの軸部１１が貫通する予定の箇所に、貫通孔３１Ｂを有していてもよい。
また、上板３として、同種又は異種の板材を複数枚重ね合わせて用いてもよい。すなわち、上板３と下板２Ｂは、直接重ね合わされていてもよいし、他の板材を介して重ね合わされていてもよい。
このような多種多様の上板３を含むものであっても、下板２Ｂとして本開示に係る摩擦圧接用鋼板を用いて接合継手１０Ｂを製造することで、接続部材１Ｂと下板２Ｂとの摩擦圧接部（接合部）の継手強度が優れた接合継手１０Ｂが得られる。
上板３として鋼板を用いる場合は、接続部材１Ｂと下板２Ｂとの摩擦圧接をより確実に行わせるために、下板２Ｂとなる本開示に係る摩擦圧接用鋼板よりも引張強さが低い鋼板を、上板３として用いることが好ましい。
上板３及び下板２Ｂは、少なくとも接合対象部分が板状の構造を有していればよく、板材全体が板状の構造を有していなくてもよい。
また、接続部材も頭部１２と軸部１１を有するリベット状に限定されない。
図７は、２枚の板材と棒状の接続部材を用いて摩擦圧接により接合する方法の他の例を示す概略図である。図７に示す実施形態では、接合継手１０Ａは、円柱状又は多角柱状の軸部を有する棒状の接続部材が使用されている。かかる接合継手１０Ａは、下板２Ｂである本開示に係る摩擦圧接用鋼板の上面に上板３が重ね合わされて、その上方側（摩擦圧接用鋼板とは反対側）から棒状の接続部材１が上板３を貫通して、接続部材１の下方側先端部（底面）と下板２Ｂとが摩擦圧接により接合されている。
このような接続部材１を用いて摩擦圧接を行った場合、接続部材１の上板３から突出する部分を上方側から専用工具で叩いてかしめることで、接続部材１のかしめ部と下板２Ｂとの問で上板３を固定することができる。
図７は、２枚の板材と棒状の接続部材を用いて摩擦圧接により接合する方法の他の例を示す概略図である。図７に示す実施形態では、接合継手１０Ａは、円柱状又は多角柱状の軸部を有する棒状の接続部材が使用されている。かかる接合継手１０Ａは、下板２Ｂである本開示に係る摩擦圧接用鋼板の上面に上板３が重ね合わされて、その上方側（摩擦圧接用鋼板とは反対側）から棒状の接続部材１が上板３を貫通して、接続部材１の下方側先端部（底面）と下板２Ｂとが摩擦圧接により接合されている。
このような接続部材１を用いて摩擦圧接を行った場合、接続部材１の上板３から突出する部分を上方側から専用工具で叩いてかしめることで、接続部材１のかしめ部と下板２Ｂとの問で上板３を固定することができる。
上板と下板とを重ねわせた積層体に対して、接続部材を回転させながら押圧する際の加圧力Ｆ（ｋＮ）及び回転数は、接続部材の軸部が上板を貫通し、下板と摩擦圧接できれば特に限定されず、例えば５ｋＮ以上の加圧力で、１０００ｒｐｍ８０００ｒｐｍの回転数が挙げられる。
本開示に係る摩擦圧接用鋼板と他の部材とを摩擦圧接によって接合することで、優れた継手強度を有する接合継手を得ることができる。そのため、本開示に係る摩擦圧接用鋼板は、例えば、自動車の車体部品や建築物の構造体など、摩擦圧接を利用した様々な構造部品の製造に適用することが可能である。
例えば、本開示の別の態様に係る自動車用部材は、上述された実施形態に係る接合継手（複合部材）を有する。これにより、継手強度に優れる自動車用部材とすることができる。なお、自動車用部材の種類は特に限定されない。
例えば、本開示の別の態様に係る自動車用部材は、上述された実施形態に係る接合継手（複合部材）を有する。これにより、継手強度に優れる自動車用部材とすることができる。なお、自動車用部材の種類は特に限定されない。
以下、実施例によって本開示に係る摩擦圧接用鋼板をより具体的に説明する。尚、本開示に係る摩擦圧接用鋼板はこれらの実施例に限定されるものではない。
［摩擦圧接用鋼板の製造］
表１に示す化学成分を有する材料を実験室にて溶解して鋳込んだインゴットを熱間圧延（加熱温度１２５０℃、圧延温度（仕上げ圧延温度）９００℃のち５００℃まで水冷却、その後空冷）した後、冷間圧延にて厚さ２．０ｍｍとした。
冷間圧延後に熱処理を行った。ここで熱処理は９００℃まで１５℃／ｓｅｃで加熱し、その後、表２に示す熱処理パターンＡ～Ｉのいずれかを選択した。
表１に示す化学成分（鋼成分）Ｎｏ．１～４９と表２に示す熱処理パターンＡ～Ｉの組み合わせを変更することで摩擦圧接用鋼板Ｎｏ．１～８０を製造した。なお、表１に示す成分以外の残部はＦｅ及び不純物である。各表における下線は本開示の範囲から外れることを意味する。
表１に示す化学成分を有する材料を実験室にて溶解して鋳込んだインゴットを熱間圧延（加熱温度１２５０℃、圧延温度（仕上げ圧延温度）９００℃のち５００℃まで水冷却、その後空冷）した後、冷間圧延にて厚さ２．０ｍｍとした。
冷間圧延後に熱処理を行った。ここで熱処理は９００℃まで１５℃／ｓｅｃで加熱し、その後、表２に示す熱処理パターンＡ～Ｉのいずれかを選択した。
表１に示す化学成分（鋼成分）Ｎｏ．１～４９と表２に示す熱処理パターンＡ～Ｉの組み合わせを変更することで摩擦圧接用鋼板Ｎｏ．１～８０を製造した。なお、表１に示す成分以外の残部はＦｅ及び不純物である。各表における下線は本開示の範囲から外れることを意味する。
［鋼板の引張強さの測定］
得られた鋼板に対して、ＪＩＳ５号の引張試験片を作製してＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して引張試験を行い、引張強さを測定した。
得られた鋼板に対して、ＪＩＳ５号の引張試験片を作製してＪＩＳ Ｚ ２２４１：２０１１に準拠して引張試験を行い、引張強さを測定した。
［摩擦圧接］
１０００ＭＰａ級の銅製の丸棒（直径４．５ｍｍ、長さ７ｍｍ）を用い、上記の得られた鋼板Ｎｏ．１～７９に対してそれぞれ摩擦圧接を行って接合継手を製造した。摩擦圧接は、上記にて作製した鋼板に加圧力７ｋＮ、回転数５０００ｒｐｍにて実施した。加圧時間は１．５ｓとした。
１０００ＭＰａ級の銅製の丸棒（直径４．５ｍｍ、長さ７ｍｍ）を用い、上記の得られた鋼板Ｎｏ．１～７９に対してそれぞれ摩擦圧接を行って接合継手を製造した。摩擦圧接は、上記にて作製した鋼板に加圧力７ｋＮ、回転数５０００ｒｐｍにて実施した。加圧時間は１．５ｓとした。
［評価］
上記摩擦圧接により得られた接合継手の継手強度を測定した。接合継手の継手強度は、摩擦圧接により鋼板に接合した丸棒を鋼板から垂直方向に引張り、接合部を破断させた際の最大荷重を測定した。継手強度は５．０ｋＮ以上のものを継手強度が高く、合格レベルと判断した。
また、鋼板の引張試験において、引張強さが７８０ＭＰａを下回るものを強度不足と判断した。また、鋼板製造中に破断や次工程での試験ができないものなどは製造困難と判断した。
結果を表３－１及び表３－２に示す。なお、鋼板組織の各分率は前述した方法によって測定を行い、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトの「合計分率」が１００％に満たない場合の残部組織は、フェライト、残留オーステナイト、及びパーライトのいずれか１種又は２種以上であった。
上記摩擦圧接により得られた接合継手の継手強度を測定した。接合継手の継手強度は、摩擦圧接により鋼板に接合した丸棒を鋼板から垂直方向に引張り、接合部を破断させた際の最大荷重を測定した。継手強度は５．０ｋＮ以上のものを継手強度が高く、合格レベルと判断した。
また、鋼板の引張試験において、引張強さが７８０ＭＰａを下回るものを強度不足と判断した。また、鋼板製造中に破断や次工程での試験ができないものなどは製造困難と判断した。
結果を表３－１及び表３－２に示す。なお、鋼板組織の各分率は前述した方法によって測定を行い、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトの「合計分率」が１００％に満たない場合の残部組織は、フェライト、残留オーステナイト、及びパーライトのいずれか１種又は２種以上であった。
本開示における鋼成分を有し、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト及び焼戻しラス状ベイナイトの合計分率が６０％以上の鋼組織を有する鋼板を用いた接合継手は、５．０ｋＮを超える高い継手強度が得られている。
対して、鋼板の鋼成分に関わらず、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト及び焼戻しラス状ベイナイトの合計分率が６０％を下回る鋼板を用いた接合継手では、継手強度は５．０ｋＮに満たない。
対して、鋼板の鋼成分に関わらず、マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト及び焼戻しラス状ベイナイトの合計分率が６０％を下回る鋼板を用いた接合継手では、継手強度は５．０ｋＮに満たない。
３、１０ 上板
２Ｂ、２０ 下板
１Ｂ、１、３０ 接続部材
１０Ａ、１０Ｂ 接合継手
１１、３４ 軸部
１２、３２ 頭部
３１Ｂ 貫通孔
ＰＢ、４０ 接合部
２Ｂ、２０ 下板
１Ｂ、１、３０ 接続部材
１０Ａ、１０Ｂ 接合継手
１１、３４ 軸部
１２、３２ 頭部
３１Ｂ 貫通孔
ＰＢ、４０ 接合部
Claims (9)
- 質量％で、
Ｃ：０．１０～０．７０％、
Ｓｉ：０．１０～３．５０％、
Ｍｎ：０．５０～５．００％、
Ｐ：０．０２０％以下、
Ｓ：０．０５０％以下、
Ａｌ：３．０００％以下、及び
Ｎ：０．０１０％以下であり、
残部が、Ｆｅ及び不純物からなる鋼成分を有し、
マルテンサイト、焼戻しマルテンサイト、ラス状ベイナイト、及び焼戻しラス状ベイナイトからなる群より選ばれる１種又は２種以上の組織を含み、前記組織の合計分率が６０％以上である鋼組織を有し、
引張強さが７８０ＭＰａ以上である、
摩擦圧接用鋼板。 - 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．３０％以下、
Ｎｂ：０．３０％以下、及び、
Ｖ：０．３０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む請求項１に記載の摩擦圧接用鋼板。 - 前記Ｎ：０．００５％以下であり、
前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃｒ：５．０％以下、及び、Ｍｏ：２．０％以下の１種又は２種を含む請求項１又は請求項２に記載の摩擦圧接用鋼板。 - 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｃｕ：２．０％以下、及び、Ｎｉ：１０．０％以下の１種又は２種を含む請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の摩擦圧接用鋼板。
- 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、Ｂ：０．０２０％以下を含む請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の摩擦圧接用鋼板。
- 前記Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｃａ：０．００３％以下、
ＲＥＭ：０．０５％以下、
Ｍｇ：０．０５０％以下、及び
Ｚｒ：０．０５０％以下
からなる群より選ばれる１種又は２種以上を含む請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の摩擦圧接用鋼板。 - 表面にＺｎ及びＡｌの少なくとも一方を含むめっき層が形成されている請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の摩擦圧接用鋼板。
- 第１の板材と、
請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の摩擦圧接用鋼板であって、前記第１の板材に重ね合わされた第２の板材と、
頭部及び軸部を有し、前記第１の板材と前記第２の板材とを接続する接続部材と、
を含み、
前記接続部材の前記軸部が前記第１の板材を貫通して前記軸部の先端部が前記第２の板材と接合されており、前記第１の板材が前記接続部材の前記頭部と前記第２の板材との間で固定された構造を有する、
複合部材。 - 請求項８に記載の複合部材を備える自動車用部材。
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