JPH03199342A - 溶接部耐久性に優れる加工用薄鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、深絞り等のプレス底形に供して好適な加工
用薄鋼板に関し、特に溶接継手の疲労特性、なかでもス
ポット溶接継手の如き十字引張疲労特性に優れる薄鋼板
を提案しようとするものである。

薄鋼板は、深絞り等のプレス加工用として一般に広く用
いられている。しかし使途の如何により、このような加
工性の他にそれぞれの使途に適合する特性を有すること
が要求される。

例えば薄鋼板は、冷延鋼板、熱延鋼板にかかわらず溶接
、特にスポット溶接が施されることも多いことから、か
かる薄鋼板には、スポット溶接継手の耐疲労性に優れる
ことが要求される。

自動車用に使用される薄鋼板がそのよい例である。すな
わち−台の乗用車のスポット溶接の打点数は数千点にも
及ぶわけであるが、これらのスポット溶接継手部分は、
外部より荷重が加わった時に応力集中し易い。したがっ
て繰り返し応力によるスポット溶接継手部分の疲労破壊
が自動車走行時に生じた場合には、重大事故を招きかね
なく、この点、スポット溶接継手の耐疲労性が問題とな
る。

このように加工用薄鋼板において、スポット溶接継手の
耐疲労性はきわめて重要である。また自動車のように複
雑な構造物では、溶接部にかかる応力は、様々な方向が
あるから、それら全ての応力に対する耐疲労性が問題と
なる。

一方、薄鋼板としては、従来の低炭素鋼に比べて加工性
に優れる、極低炭素鋼が多く用いられてきている。しか
し極低炭素鋼は、条件によっては溶接継手の熱影響部の
組織不良により、疲労強度が低いことがある。

自動車その他機械類、構造物などにおいて、安全性を改
善することは世界的なテーマであり、優れた加工性を有
しながら、スポット溶接継手の如き溶接部の疲労強度を
従来の鋼板よりも向上させることが重要課題になってい
る。

（従来の技術） スポット溶接継手の耐疲労性に優れた鋼板に関して、特
開昭６３−３１７６２５号公報には、Ｔｉ、Ｎｂ、　Ｂ
を特定の範囲に規制するという方法が示されている。

しかしこの方法においては、スポット溶接部の引張せん
断疲労特性は考慮されているものの、十字引張疲労特性
は十分ではない。

ところで特開平１−２２５７４８号公報では、耐疲労性
の優れた冷延鋼板に関して言及されているが、この公報
では、鋼板そのものの疲労特性の改善を目的としたもの
に過ぎず、スポット溶接継手の耐疲労性については何ら
言及されていない。

（発明が解決しようとする課Ｂ） プレス底形などの加工性に優れているばかりでなく、ス
ポット溶接継手の如き溶接部の耐疲労性、特に十字引張
疲労特性に優れる薄ｍ板を提案することがこの発明の目
的である。

（課題を解決するための手段） 発明者らは、加工用薄鋼板について研究を重ねた結果、
特にＯ，ＡＩおよびＮの成分範囲を適正にし、Ｔｉ、■
、Ｚｒ、　Ｃａ５Ｃｒ、　Ｃｕ、　Ｎｉの１種又は２種
以上を含有させることによりスポット溶接継手の耐疲労
性が向上すること、またＮｂ、　Ｂの１種又は２種を含
有させることにより耐疲労性がさらに向上することを突
き止め、この発明に至った。

すなわちコノ発明は、Ｃ：　０．００３０ｗｔＸ以下、
Ｓｉ：　１．０ｗｔ％以下、Ｍｎ　：　１．０ｗｔ％以
下、Ｐ　：　Ｏ，１５ｗｔＸ以下、Ｓ　：　０．０２０
ｗｔ２以下、Ｏ：　０．００４５ｗｔＸ以下、Ｎ：　０
．００２０貨ｔ％以下及びＡｌ：Ａｌ（ｔ％）／Ｎ（ｔ
％）が３０以上で、０．１５ｗｔ％以下を含み、さらに
Ｔｉ　：　０．１０ｗｔＸ以下、Ｖ　：　０．１０ｗｔ
Ｘ以下、Ｚｒ　：　０．１０ｗｔＸ以下、Ｃａ：０．１
０ｗｔ％以下、Ｃｒ　：　１．０ｗｔ％以下、Ｃｕ　：
　１．ＯｗｔＺ以下及びＮｉ　：　１．（ｂｍｔＺ以下
の１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避的
不純物よりなる、溶接部耐久性に優れる加工用薄鋼板（
第１発明）である。

またこの発明は、Ｃ：　０．００３０ｗｔＺ以下、Ｓｉ
　：　１．０ｗｔＸ以下、Ｍｎ　：　１．０ｗｔＸ以下
、Ｐ　：　０．１５ｗｔＸ以下、Ｓ　：　０．０２０ｗ
ｔＸ以下、Ｏ：　０．００４５ｗｔ１以下、Ｎ：０．０
０２０ｗｔＸ以下及びＡＩ　：　ＡＩ（ｗｔり／Ｎ　（
ｗｔｚ）が３０以上で、０．１５ｗｔ％以下を含み、さ
らニＴｉ　：　０．１０ｗｔ’Ｘ以下、■二〇。１０ｗ
ｔ％以下、Ｚｒ　：　０．１０ｗｔ％以下、Ｃａ：０．
１０ｗｔ％以下、Ｃｒ　：　１．０ｗｔ％以下、Ｃｕ　
：　１．０ｗｔ％以下及びＮｉ　：　１．０ｗｔ２以下
の１種又は２種以上と、Ｎｂ：　０．００１〜０．０２
５ｗｔ！及びＢ　：　０．０００２〜０．００２０ｗｔ
Ｘの１種又は２種とを含有し、残部はＰｅ及び不可避的
不純物よりなる、溶接部耐久性に優れる加工用薄鋼板（
第２発明）である。

この明細書で溶接部耐久性とは、スポット溶接継手の如
き溶接部の疲れに対して高性能を示す特性のことを言う
。

（作　用） まずこの発明の解明経緯について説明する。

発明者らは、薄鋼板の溶接継手の疲労特性が鋼板を使用
している製造品にとってきわめて重要な特性であるにも
かかわらず、従来から鋼成分の影響に関する研究は少な
い点に着目し、溶接継手の疲労特性、特にスポット溶接
継手の疲労特性におよぼす爛威分の影響について鋭意研
究を重ねた。

かかる実験及びその結果について説明する。

鋼中の０量、Ａｌ量及びＮｌをそれぞれ０７０００６〜
０．００７０％、０．００９〜０゜０９４％及びｏ、ｏ
ｏｉｏ〜０．００２０％の範囲で種々に変化させた、表
１に示される成分範囲になる、板厚０．７　ｔｍの冷延
鋼板（４種：Ｔｉ添加鋼、Ｔｉ、　Ｎｂ添加鋼、Ｔｉ、
　Ｎｂ、　Ｂ添加鋼及び比較としての無添加鋼）を、表
２に示すスポット溶接条件により溶接し、このスポット
溶接継手について十字引張疲労試験を行った。なおこれ
らの鋼板は、熱間圧延仕上温度約９００　’Ｃ１冷延圧
下率７５〜８０％、連続焼鈍温度８２０〜８４０°Ｃで
製造したものである。また疲労試験は、ＪＩＳ　Ｚ　３
１３８　　スポット溶接継手の疲れ試験方法に準拠した
。

この十字引張疲労試験の結果を、鋼板のＯ量及びＡ　Ｉ
　（ｗ　ｔ、Ｘ）　／　Ｎ　（ｗ　Ｌ′Ｘ）と、十字引
張疲労限界値（繰返し引張荷重の繰返し数が１子方回の
ときの荷重範囲の上限（ｉりとの関係で第１図に示す。

同図かｌろ、十字引張疲労限界値は、特にＴｉ添加鋼及
びＴｉ、　Ｎｂ添加鋼及びＴｉ、　Ｎｂ、　　Ｂ添加鋼
において図中ハツチングで示される範囲すなわち０１が
０．００４５−％以下でか−）ＡＩ（ｗｔｚ）／Ｎ（ｉ
ｙｔχ）が３０以東の範囲にあるとき、回着に（憂れて
いることが判明した。

第２し１に（２，ｔ、（−）量が約０．００３０岨％で
ある場合の、。

十字引張疲９′Ｊ限界値とＡｌ（−′り／Ｎ（１，、ｌ
ｔχ）との関係を示す。特にＴｉ添添加鋼１子 Ｂ添加鋼では、ＡＩ　（ｗｔ＄）／　Ｎ　（ｗｔ′１ン
が３０以上で高い４・字引張限界値が得られることを示
している．なお並行して行った引張せん断疲労試験では
、第３図δこ示ずように無添加鋼に対してＴｉ添加鋼及
びＴｉ。

Ｎｂ，添加鋼及びＴｉ，　Ｎｂ，　　Ｂ添加鋼の引張せ
ん断限界値（繰り返し引張荷重の繰り返し数が１子方回
の時の荷重範囲の上限値）への悪影響はなかった。

更に、熱延鋼板においても、上記と同様の結果が得られ
ることがわかった。

前記の条件により優れた疲労限界値が得られる理由は、
以下の如くであると考えられる。

すなわち十字引張疲労限界値の高い試料について、溶接
部の疲労による破壊のクラック発生位置を調査した結果
、全て熱影響部からクラックが発生し、破壊に至ってい
たわけであるが、Ｔｉ添加鋼、Ｔｉ、　Ｎｂ添加調及び
Ｔｉ、　Ｎｂ、　　Ｂ添加鋼では、固溶状態のＴｉ又は
Ｔｉ系析出物が、熱影響部のしん性向上に有利に作用し
、十字引張疲労特性を向上させたものと考えられるので
ある。

ところでＴｉ単独添加鋼ばかりでなく、Ｔｉ、■、２「
、Ｃａ、　Ｃｒ、　ＣｕＸＮｉの１種又は２種以上を適
正範囲内で添加することによって、上記同様の効果が得
られることも判明した。

更に上記成分のほか、Ｎｂ又はＢよりなる群のうちから
選んだ１種又は２種を適正範囲量添加した鋼板は、疲労
限界値が更に高くなることも見出した。

以上の知見から、この発明に至ったのである。

なお参考のためにスポット溶接継手の引張せん断疲労試
験方法及び十字引張疲労試験方法を模式的に第４図（ａ
）　、　（ｂ）にそれぞれ示す。両者では、変形モード
が大きく異なる。

つぎに、この発明における各成分組成範囲の限定理由に
ついて述べる。

Ｃ：　０．００３０％１ｔ％以下 良好な伸び、良好なｒ値を有する鋼板を得るためには、
従来の低炭素鋼よりＣ量が低い極低炭素鋼でなければな
らない。またこの発明の鋼板においては、Ｃ量が低いほ
うが耐疲労性に有利である。

したがってＣ量は０．００３０ｗｔ％以下とする。特に
０．００１５ｗｔ％以下が好ましい。

Ｓｉ　：　１，０ｗｔＸ以下 Ｓｔは、１．ＯｗｔＸより多く存在すると鋼板の伸びお
よび絞り性を劣化させるので、１．Ｏｗｔ％以下とする
。

Ｍｎ　：　１．０ｗｔＸ以下 ＭｎもＳｔと同様、過剰な添加は鋼板の伸びおよび絞り
性を劣化させるので、１．Ｏｗｔ％以下とする。

Ｐ　：　０．１５ｗｔ％以下 Ｐは、０．１５ｗｔ％を超えて含有させると粒界面に多
く偏析してぜい化させるので０．１５ｗｔ％以下とする
。

Ｓ　：　０．０２０ｗｔ％以下 Ｓは、その量が低すぎると脱スケール性が劣化して表面
性状を悪くするので０．００３５ｗｔ％以上含有される
ことが好ましいが、逆に０．０２０　ｗｔＸを超えて含
有させると耐食性が著しく劣化するので０．０２０−ｔ
％以下とする。

０　：　０．００４５ｗｔＸ以下 Ｏの組成範囲を制限することは、この発明において特に
重要である。固溶状態のＯ又は酸化物状態のＯが、疲労
クランクの発生および伝播に対して影響を及ぼすと考え
られる。従来の低炭素鋼板以上の疲労特性を得るために
は、Ｏ量を０．００４５ｗｔ％以下とする必要がある。

特に好ましくは０．００３５ｗｔ％以下がよい。

Ｎ　：　０．００２０ｗｔＸ以下 Ｎ量が多くなると、後述するように必要とするＡｌ量が
過剰となって表面性状を劣化させるので、０．００２０
ｗｔ％以下とする。特に０．００１７ｗｔ％以下が好ま
しい。

ＡしＡｌ（ｗｔＸ）／Ｎ（ｗｔＸ）が３０以上で、０．
１５ｗｔ％以下 ＡＩの組成範囲もこの発明において特に重要である。

固溶状態のＡＩ又はＡＩＮの析出物としての分布状態が
、溶接熱影響部の組織に影響して疲労特性を向上させて
いると考えられる。したがってＡｌ量は、Ｎ量と密接な
関係があり、スポット溶接継手の疲労特性向上のために
は、Ａｌ（ｗｔＸ）／　Ｎ　（ｗｔＸ）が３０以上であ
ることが必要である。またＡｌ量は、多すぎると表面性
状が劣化するため上限を規制して０．１５御ｔ％以下と
する。

Ｔｉ　：　０．１０ｗｔＸ以下、Ｖ　：　０．１０ｗｔ
％以下、Ｚｒ　：　０．１０ｗｔＸ以下、Ｃａ　：　０
．１０ｗｔＸ以下、Ｃｒ　：　１．０ｗｔＸ以下、Ｃｕ
　：　１．０ｗｔＸ以下及びＮｉ　：　１．０ｗｔＸ以
下Ｔｉ、　Ｖ、　Ｚｒ、　Ｃａ５Ｃｒ、　Ｃｕ及びＮｉ
の各成分は、いずれも十字引張疲労特性を向上させる成
分てあり、固溶状態、又は析出物状態で溶接熱影響部の
組織に影響してかかる疲労特性を向上させていると考え
られる。この点で上記の成分は同効成分であり、この発
明ではこれらの成分を１種または２種以上含有させる。

しかし過剰の添加は、いずれも鋼板材質を劣化させるの
でＴｉ、　Ｖ、Ｚｒ、　Ｃａはそれぞれ０．１ｗｔ２以
下、Ｃｒ、　ＣｕＳＮｉは、それぞれ１．０ｗｔ＄以下
とする。特に、その効果を顕著に現わすためには、Ｔｉ
　：　０．０１ｔ％、Ｖ　：　０．０１ｔ％、Ｚｒ　：
　０，０１ｗｔＸ　、　Ｃａ：　０．０１ｗｔＸ　、　
Ｃｒ　：　０．１ｔ％、Ｃｕ　：　０．１ｔ％及びＮｉ
：０．１−ｔ％以上が好ましい。

以上の成分の他、第２発明では、ＮｂおよびＢの１種又
は２種を含有させる。

Ｎｂ、　Ｂは疲労特性の向上に関して有効な同効成分で
あり、この疲労特性向上のためにＮｂは０．０２５ｗｔ
％以下、Ｂは０．００２０　ｗｔ％以下を含有させる。

しかしＮｂ量が０．０２５　ｗｔ％を超え、またＢｌｉ
が０．００２０＠ｔ％を超えると、いずれも鋼板の伸び
および絞り性を劣化させるのでそれぞれＮｂ　：　０．
０２５　ｗｔ％、Ｂ：　０．００２０ｗｔ％を上限とす
る。

つぎにこの発明の加工用薄鋼板の好ましい製造条件につ
いて述べる。

まず製鋼法については、常法に従って行えばよく、それ
らの条件の限定は特に必要としない。

熱間圧延においては、熱延鋼板を製造する場合にはその
仕上温度が８００℃未満であると深絞り性が劣化するの
で８００℃以上が好ましく、また冷延鋼板を製造する場
合には仕上温度が６００°Ｃ未満であると深絞り性が劣
化するので６００°Ｃ以上が好ましい。

冷間圧延においては、圧下率を６０％以上にしないと十
分な加工性が得られないので６０％以上が好ましい。

冷間圧延後の連続焼鈍の焼鈍温度は、通常行われている
ように再結晶温度以上であればよいが、望ましくは（再
結晶温度＋３０℃）以上で焼鈍するのがよい。また焼鈍
温度がＡｃ、変態点を超えると粗大な結晶粒となるので
Ａｃ２変態点以下で焼鈍する必要がある。ここに焼鈍法
としては、箱焼鈍法を用いてもよい。

さらにこれらの薄鋼板に、板形状矯正などの目的で調質
圧延を、通常常識の範囲、すなわち板厚（ａｍ）に等し
い圧下率（％）程度行なってかまわない。

また疲労試験における破壊が、熱影響部から発生するこ
とから、これらの薄鋼板に対して、ひき続き溶融亜鉛メ
ツキなどの表面処理をしてもよい。

更に溶接方法として、スポット溶接以外のＭＩＧ、ＴＩ
Ｇ法・などでも熱影響部の疲労強度を問題とすることか
ら、この発明の加工用薄鋼板は、これらの溶接法におい
ても、溶接部の疲労強度の向上に有効である。

（実施例） 表３に示す種々の成分になる鋼を溶製してスラブとした
。

これらのスラブについて、次の処理を施して、熱延鋼板
、冷延鋼板を得た。

熱延鋼板については、仕上温度８３０〜９００°Ｃにて
熱間圧延を行ない、ついで５５０〜６５０℃の温度で巻
取り、板厚２．６　ｗａの鋼板とした。

冷延鋼板については、仕上温度８３０〜９２０°Ｃにて
熱間圧延を行ない、ついで５５０〜６５０°Ｃ（７）ｉ
度で巻取り、板厚３．２　ｍの母板とた。この母板に、
圧下率７８％の冷間圧延を施して板厚０．７　ｍとし、
ついで７５０〜８８０°Ｃの温度で焼鈍を施し、さらに
圧下率０．７％の調質圧延を施し鋼板とした。

また熱延鋼板および冷延鋼板の一部については。

さらに溶融亜鉛めっき又は電気亜鉛めっきを施した。

表中Ｎｏ、　　１〜２０及びＮｏ、３２〜４７は、この
発明に適合する鋼であり、またＮｏ、　２１〜３０及び
Ｎｏ、４８〜５４は、比較鋼であり、この発明の成分範
囲を逸脱した鋼である。またＮｏ、３１及びＮｏ、５５
は、従来例としての低炭素アルミキルド鋼であって、Ｎ
ｏ、３１は箱焼鈍によって製造したものである。

これらの薄鋼板の機械的性質及びスポット溶接継手の十
字引張疲労限界値（１子方回）を表４に示す。

なお引張試験は、ＪＩＳ　Ｚ　２２０１の５号試験片を
用いた。またスポット溶接条件ついて、冷延鋼板は前出
の表２に従い、また熱延鋼板は表５に従った。

十字引張疲労試験条件については、荷重は片振りで行な
い、サイクルは１０Ｈｚとした。

表４から明らかなように、この発明にしたがう適合例は
、いずれも良好な機械的性質及び十字引張疲労限界値を
示すが、成分がこの発明から外れた比較例及び従来例は
、機械的性質または十字引張疲労限界値の少なくとも一
方が低い特性を示している。

また、表面処理を施した鋼も、疲労試験における破壊が
、溶接熱影響部より発生することから、従来例、比較例
より優れた特性を示している。

さらに、ＮｂまたはＢの一方又はこの両者を添加したＮ
ｏ、１０〜１４及びＮｏ、４０〜４２は、溶接熱影響部
の耐疲労性が更に改善され、この発明の適合例の中でも
高い十字引張疲労限界値を示している。

（発明の効果） この発明の加工用薄鋼板は、Ｏ３ｌを低減し、またＡｔ
量、Ｎ量を適正範囲に規制し、さらに’ｒ、ｔ、ｖ、Ｚ
ｒ、　Ｃａ、　Ｃｒ、　Ｃｕ及びＮｉの１種又は２種以
上を含有させることによって底形の際の加工性に影響を
与えることなしに、加工用薄鋼板の溶接部耐久性なかで
もスポット溶接継手の十字引張疲労特性が格段に向上す
る。したがってかかる薄鋼板を使用した自動車、構造物
などの寿命の延長また安全性の向上を図ることができる
。

また第２発明では、上記した第１発明の成分に加えてＮ
ｂ、　Ｂの１種又は２種を含有させることによって、十
字引張疲労特性がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、スポット溶接継手の十字引張疲労限界値に及
ぼすＯ量およびＡｌ／Ｎの影響を示すグラフ、 第２図は、０量が約０．００３０ｅｔ％である場合の、
スポット溶接継手の十字引張疲労限界値に及ぼすＡｌ／
Ｎの影響を示すグラフ、 第３図は、Ｏ量が約０．００３０ｗｔ％である場合の、
スポット溶接継手の引張せん断疲労限界値に及ぼすＡｌ
／Ｎの影響を示すグラフ、 第４図は、 スポラ ト溶接継手の引張せん断疲労 試験方法及び十字引張疲労試験方法の模式的説明図であ
る。 口焦涜７）Ｄａ ○　丁ｌ刃翫カロａ Ａノｔｗｒ％ノ　／１〜’（ｗｒ’ｌ）第１図 数字は十字ダ１県疲労ポット儂（ｋグＦ）口　；？添刀
口膚日 ＯＴｉ　ｚｎａａ 　ＴｉＪｂ４月口／＆日 ＡＩ　（ｗｒ’ｌ）／　　Ｎ（ｗｒ’ｌ）＠３図 ロ青１謂５刀ロ４目 ○Ｔｉ’ｔ；刀ＤＡ宅肖 丁ノ、Ｎｂ　Ｌ　７ＩＯｇ１ ＡＩ　（ｗｒ幻　／　Ｎ（ｗｒ’１〕 図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：０．００３０ｗｔ％以下、 Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、 Ｐ：０．１５ｗｔ％以下、 Ｓ：０．０２０ｗｔ％以下、 ０：０．００４５ｗｔ％以下、 Ｎ：０．００２０ｗｔ％以下及び Ａｌ：Ａｌ（ｗｔ％）／Ｎ（ｗｔ％）が３０以上で、０
   ．１５ｗｔ％以下 を含み、さらに Ｔｉ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｖ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｚｒ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｃａ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｃｒ：１．０ｗｔ％以下、 Ｃｕ：１．０ｗｔ％以下及び Ｎｉ：１．０ｗｔ％以下 の１種又は２種以上を含有し、残部はＦｅ及び不可避的
   不純物よりなる、溶接部耐久性に優れる加工用薄鋼板。 ２、Ｃ：０．００３０ｗｔ％以下、 Ｓｉ：１．０ｗｔ％以下、 Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下、 Ｐ：０．１５ｗｔ％以下、 Ｓ：０．０２０ｗｔ％以下、 Ｏ：０．００４５ｗｔ％以下、 Ｎ：０．００２０ｗｔ％以下及び Ａｌ：Ａｌ（ｗｔ％）／Ｎ（ｗｔ％）が３０以上で、０
   ．１５ｗｔ％以下 を含み、さらに Ｔｉ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｖ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｚｒ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｃａ：０．１０ｗｔ％以下、 Ｃｒ：１．０ｗｔ％以下、 Ｃｕ：１．０ｗｔ％以下及び Ｎｉ：１．０ｗｔ％以下 の１種又は２種以上と、 Ｎｂ：０．００１〜０．０２５ｗｔ％及び Ｂ：０．０００２〜０．００２０ｔ％ の１種又は２種とを含有し、残部はＦｅ及び不可避的不
   純物よりなる、溶接部耐久性に優れる加工用薄鋼板。