特表 2023-550430 Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-01

(54)【発明の名称】Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/322 20140101AFI20231124BHJP

   C23C 2/12 20060101ALI20231124BHJP

   B23K 9/23 20060101ALN20231124BHJP

【ＦＩ】

B23K26/322

C23C2/12

B23K9/23 K

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023530234

(86)(22)【出願日】2021-12-17

(85)【翻訳文提出日】2023-05-18

(86)【国際出願番号】 KR2021019308

(87)【国際公開番号】W WO2022131862

(87)【国際公開日】2022-06-23

(31)【優先権主張番号】10-2020-0179041

(32)【優先日】2020-12-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522492576

【氏名又は名称】ポスコ カンパニー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】オム， サン－ホ

(72)【発明者】

【氏名】オ， ジン－クン

【テーマコード（参考）】

4E001

4E168

4K027

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB07

4E001BB08

4E001BB09

4E001CA02

4E168AD00

4E168BA85

4E168BA88

4E168DA23

4E168DA32

4E168DA43

4E168FB03

4K027AA05

4K027AA22

4K027AB13

4K027AB28

4K027AB32

4K027AB48

4K027AC73

(57)【要約】

【課題】溶接された部品内で破断発生の根源となるフェライトの形成を防止できることを目的とする。
【解決手段】本発明は、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法に係り、詳しくは素地鋼板及び上記素地鋼板の一面又は両面に形成されたアルミニウム系めっき層を有するめっき鋼板を準備する段階と、上記アルミニウム系めっき層がＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となるように前記めっき鋼板を熱処理する段階と、上記熱処理されためっき鋼板を突合せ溶接する段階と、を含み、上記溶接前、溶接が行われる領域に位置するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部又は全部を除去することを特徴とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

素地鋼板及び前記素地鋼板の一面又は両面に形成されたアルミニウム系めっき層を有するめっき鋼板を準備する段階と、
前記アルミニウム系めっき層がＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となるように前記めっき鋼板を熱処理する段階と、
前記熱処理されためっき鋼板を突合せ溶接する段階と、を含み、
前記溶接前、溶接が行われる領域に位置するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部又は全部を除去することを特徴とするＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項2】

前記アルミニウム系めっき層はＳｉをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項3】

前記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層は第１層及び第２層からなり、
前記第１層はＦｅＡｌ及びＦｅ_３Ａｌのうち１種以上を含み、
前記第２層はＦｅ_２Ａｌ_５を含むことを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項4】

前記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層は第１層及び第２層からなり、
前記第１層はＦｅＡｌ及びＦｅ_３Ａｌのうち１種以上を含み、
前記第２層はＦｅ_２Ａｌ_５及びＡｌ_２Ｆｅ_３Ｓｉ_３のうち１種以上を含むことを特徴とする請求項２に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項5】

前記熱処理時の温度はＡｃ１未満であることを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項6】

前記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部を除去した後、残存するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層は１０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【請求項7】

前記除去されるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の幅はＷｂ／２～Ｗｂ（ｍｍ）であることを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。
（但し、前記Ｗｂは、溶接後に得られるテーラーウェルデッドブランクの溶接金属部の平均幅を意味する。）

【請求項8】

前記突合せ溶接の後、熱間成形工程（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ）をさらに行うことを特徴とする請求項１に記載のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法に係り、より詳しくは、溶接された部品内で破断発生の根源となるフェライトの形成を防止できるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車の衝突時、侵入防止（ａｎｔｉ－ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ）のような衝突安全性を確保するために、バンパー、ドア強化部、Ｂ－ｐｉｌｌａｒ強化部又はループ強化部などには、マルテンサイト又はベイナイト－マルテンサイトの微細組織を有することにより高い機械的強度を有する鋼材の使用が求められている。

【0003】

特許文献１は、アルミニウム又はアルミニウム合金でコーティングされた熱間又は冷間圧延された鋼プレートについて開示している。このようなアルミニウム又はアルミニウム合金がコーティングされた鋼プレートは、Ａｃ１温度以上で熱処理を行い、必要とされる形態の部品のための成形と共に１５００ＭＰａを超える引張強度を有することができるように特定の条件で冷却される。このとき、上記コーティングは炉（ｆｕｒｎａｃｅ）で熱処理を行う間、鋼とアルミニウム間の相互拡散により表面合金を形成して金属の脱炭と酸化を防止し、最終部品の製造時に行われるショットブラストのような作業を省略可能にする。

【0004】

一方、このようなアルミニウム又はアルミニウム合金でコーティングされた鋼プレートを用いた部品を製造するための熱処理において、適切に設計された加熱条件でないと、例えば、急速加熱を適用する場合、表面にコーティングされたアルミニウムの溶融により移送設備などにおいて汚染及び焼着といった問題が発生する可能性がある。

【0005】

このような問題を解決するために、急速加熱が可能であり、最終部品の性能は従来と同様であるものの、表面めっき層が金属間合金層のみで構成されたアルミニウムめっき層を有する熱間又は冷間圧延された鋼プレートに関する技術が提案された。これによって部品の製造時に急速加熱が可能となり、製造生産性の向上及びコスト削減が可能となった。

【0006】

一方、自動車の重量を減らすために、他の合金組成又は他の厚さを有する鋼材が突合せ溶接されたブランクのような部品が開発されてきた。このように溶接された部品は、「カスタム溶接ブランク」又は「テーラーウェルデッドブランク（Ｔａｉｌｏｒ ｗｅｌｄｅｄ ｂｌａｎｋ）」と呼ばれている。このような部品を製造するための好ましい方法としては、工程の柔軟性、品質及び生産性の観点から有利なレーザビーム溶接が使用されてきた。上記製造されたブランクは、冷間プレスされた後、部品自体内で変化する機械的強度、プレス能力、衝撃吸収性を有するパーツを得る。したがって、高いコストをかけることなく適切な部位に必要な特性を提供することができる。

【0007】

上述したアルミニウム－鉄の金属間合金層のみで構成されたアルミニウムコーティング鋼プレートも、このようなテーラーウェルデッドブランクで製造され、加熱と共に熱間プレスされ、焼入れされることによって局所的な荷重要件に理想的に応える様々な厚さ及び固有の機械的特性を有する一つの部品として提供されることができる。

【0008】

しかし、上記アルミニウム－鉄の金属間合金層のみで構成されたコーティング層を有する鋼プレートをレーザ溶接する際、上記コーティング層が溶接中に形成される溶融領域内に混入し、特にフェライトの形成を助長するＡｌ成分が液体金属の対流によって集中し、凝固中に最高濃度を有する液体分が位置する樹枝状間に偏析する。したがって、溶接されたブランクを焼入れする目的でオーステナイト処理（加熱）が行われると、上記Ａｌ濃厚領域はその後冷却時にフェライトに変態する。すなわち、レーザ溶接により形成される溶接金属部（溶融部）は、意図していた高い硬度及び強度を有するマルテンサイトと意図していなかった軟質のフェライトとが混合された構成を有するようになる。これにより、最終部品の使用中に衝突状況のような外力が加わる場合、溶接部の破断が発生し、部品の意図された機能が失われる。

【0009】

したがって、溶接された部品内で破断発生の根源となるフェライトの形成を防止できる技術が必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】欧州特許出願公開第０９７１０４４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、溶接された部品内で破断発生の根源となるフェライトの形成を防止できるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、素地鋼板及び上記素地鋼板の一面又は両面に形成されたアルミニウム系めっき層を有するめっき鋼板を準備する段階と、上記アルミニウム系めっき層がＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となるように上記めっき鋼板を熱処理する段階と、上記熱処理されためっき鋼板を突合せ溶接する段階と、を含み、上記溶接前、溶接が行われる領域に位置するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部又は全部を除去することを特徴とする、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法を提供する。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】素地鋼板に形成されたアルミニウム系めっき層が熱処理によりＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となることを示す模式図である。

【図2】素地鋼板に形成されたＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部領域が除去されたことを示す模式図である。

【図3】Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部領域が除去された素地鋼板を突合せ溶接した後の模式図である。

【図4】本発明の一実施例により製造されたＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成されためっき鋼板の微細組織を光学顕微鏡で観察した写真である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が形成された熱間プレス用鋼板を用いたテーラーウェルデッドブランクの製造方法について説明する。

【0016】

まず、素地鋼板及び上記素地鋼板の一面又は両面に形成されたアルミニウム系めっき層を有するめっき鋼板を準備する。上記めっき鋼板は、上記素地鋼板をアルミニウム系めっき浴に浸漬する方法によって得られる。本発明では、上記素地鋼板の種類について特に限定しておらず、当該技術分野において使用されるあらゆる種類の鋼板を用いることができる。但し、好ましくは、熱間成形後１５００ＭＰａ以上の高強度を有する鋼板を用いることができる。また、本発明では、上記アルミニウム系めっき層の組成についても特に限定しておらず、当該技術分野において使用されるあらゆる種類のアルミニウム系めっき層を用いることができる。

【0017】

一方、上記素地鋼板をアルミニウム系めっき浴に浸漬すると、非常に速い反応により数μｍの金属間化合物が上記素地鋼板の表面に晶出される。しかしながら、このような金属間化合物は相対的に脆いため、金属間化合物の成長を抑制するために、上記アルミニウム系めっき浴は、抑制剤としてＳｉをさらに含むことができる。すなわち、上記アルミニウム系めっき層はＳｉをさらに含むことができ、このとき、上記Ｓｉの含有量は８～１２重量％とすることができる。

【0018】

その後、上記アルミニウム系めっき層がＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となるように上記めっき鋼板を熱処理する。図１は、素地鋼板に形成されたアルミニウム系めっき層が熱処理によりＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層となることを示す模式図である。図１に示すように、素地鋼板１０上に形成されたアルミニウム系めっき層２０は、熱処理により素地鋼板からＦｅが拡散するにつれて、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層３０に変わる。一方、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層は時々第１層及び第２層からなることができ、このとき、上記第１層はＦｅＡｌ及びＦｅ_３Ａｌのうち１種以上を含み、上記第２層はＦｅ_２Ａｌ_５を含むことができる。上記第２層は、層（ｌａｙｅｒ）や島（ｉｓｌａｎｄ）状に存在することができる。また、アルミニウム系めっき層にＳｉが含まれ、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層もＳｉを含む場合、上記第２層はＡｌ_２Ｆｅ_３Ｓｉ_３をさらに含むことができる。

【0019】

上記第１層及び第２層の組成が異なる理由は、素地鋼板から拡散するＦｅの量の差のためである。すなわち、素地鋼板と近い第１層は、相対的に素地鋼板と遠い第２層よりもＦｅの拡散がよく起こり、第２層よりもＦｅの含有量が多くなる。上記第１層及び第２層の厚さや構成は、熱処理温度と時間によって異なり得るが、本発明では、具体的な条件について特に限定しない。但し、上記熱処理時の温度はＡｃ１未満であることが好ましいが、上記熱処理時の温度がＡｃ１以上である場合には、鋼板の微細組織の変化によりコイル状態での加工等において問題が発生することがある。

【0020】

一方、上記熱処理によって形成されるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層は、熱処理を行わずに、単にめっきによってのみ形成されるアルミニウム系めっき層に比べて、後工程の熱間成形時に急速加熱を可能にする利点がある。また、本発明は、上記熱処理によりＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層を形成させるため、全体的なめっき層の厚さが増加し、上記アルミニウム系めっき層の厚さを減少させることができる。すなわち、Ａｌめっき量を減少させることができ、これにより、既存のＡｌ－Ｓｉめっき層に比べてＡｌの含有量が少なく、溶接不良などの問題を改善することが可能である。さらに、既存のＡｌ－Ｓｉめっき層の金属間合金層はＦｅＡｌ_３であり、上記ＦｅＡｌ_３の融点は１１６０℃であるのに対し、本発明のＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の第１層はＦｅＡｌ及びＦｅ_３Ａｌのうち１種以上であって、溶融点が１３１０℃とさらに高く、溶接時の溶接熱影響部の耐食性がより優れるという利点がある。

【0021】

図２は、素地鋼板に形成されたＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部領域が除去されたことを示す模式図であり、図３は、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部領域が除去された素地鋼板を突合せ溶接した後の模式図である。図２及び図３に示すように、本発明は、上記溶接前、溶接が行われる領域に位置するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層３０の一部又は全部を除去することを特徴とする。これにより、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層に含まれるＡｌが、溶接時に溶融領域に混入することを防止することにより、最終製品の微細組織がフェライトを含まないようにし、これにより、高い強度を確保することができる。上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層は全て除去されることが好ましいが、一部を除去することによって上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層が残存しても最終製品の物性確保には大きな影響を及ぼさない。但し、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部を除去した後、残存するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層は１０μｍ以下の厚さを有することが好ましいが、もし１０μｍを超える場合には、溶接中に溶接金属部にＡｌ成分が多量に混入するため、熱間成形及び焼入れ後に最終部品の溶接部の機械的性質が低下することがある。

【0022】

本発明では、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去方法について特に限定せず、例えば、ブラッシング、グラインディング、研削、レーザ照射、化学溶液浸漬などのような方法を用いることができる。上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去は、溶接工程前の事前作業によって行われてもよいが、溶接を行う際に、上記溶接直前に先行して行われてもよい。一方、上記除去されるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の幅Ｗは、Ｗｂ／２～Ｗｂ（ｍｍ）であってもよい。ここで、上記Ｗｂは、溶接後に得られるテーラーウェルデッドブランクの溶接金属部４０の平均幅を意味する。上記除去されるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の幅がＷｂ／２よりも小さい場合には、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層内のＡｌ成分が溶接金属部に混入する可能性があり、Ｗｂより大きい場合にはＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の過度な除去により耐食性を十分に確保できないおそれがある。さらに、互いに異なる厚さの鋼板を溶接する場合、上記鋼板の溶融領域は互いに異なることがあり、これにより、上記鋼板の除去されるＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層の幅も互いに異なることがある。

【0023】

その後、上記熱処理されためっき鋼板を突合せ溶接してテーラーウェルデッドブランクを製造することができる。本発明では、上記溶接方法について特に限定しておらず、生産性と品質条件に符合できるものであれば、如何なる方法を用いても構わない。例えば、レーザビーム溶接、ＧＴＡＷ、プラズマ溶接、ＧＭＡＷなどを用いることができる。本発明によれば、上記溶接時に溶接が行われる領域に存在するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層が予め除去されることによって、Ａｌ成分が溶融部に混入しないため、後工程の熱間成形（オーステナイト化熱処理、成形／焼入れ）により得られる最終製品の溶接金属部の物性に優れるという利点がある。
一方、上記突合せ溶接の後、得られるテーラーウェルデッドブランクに対しては、熱間成形工程（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ）をさらに行うことができ、これにより、得られる最終製品は自動車用部品等に好ましく適用することができる。

【0024】

以下、実施例を挙げて本発明についてより詳細に説明する。但し、下記の実施例は、本発明をより詳細に説明するための例示であり、本発明の権利範囲を限定するものではない。

【0025】

（実施例）
車体の衝突部材として広く適用されている引張強度１５００ＭＰａ級のボロン鋼である２２ＭｎＢ５鋼に１０％Ｓｉ－Ａｌめっきを行い、冷延めっき鋼板を得た。この冷延めっき鋼板を５００℃で熱処理して、図４のようにＦｅＡｌ、Ｆｅ_３Ａｌ、Ｆｅ_２Ａｌ_５、Ａｌ_２Ｆｅ_３Ｓｉ_３を含むＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層を形成させた。このとき、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の厚さは片面を基準に約４０μｍであった。その後、上記冷延めっき鋼板を５００×１２０ｍｍサイズの長方形の形状を有するブランクに切断した後、以下に記載されたそれぞれの方法により上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の一部を除去し、レーザビーム溶接を用いて突合せ溶接することで、テーラーウェルデッドブランクを製造した。
その後、上記テーラーウェルデッドブランクを９２０℃まで加熱した後、４分間保持し、熱間成形及び焼入れを行った。このように製造されたテーラーウェルデッドブランクの溶接部について、引張強度、伸び率及び破断率を測定した後、下記表１に記載した。一方、上記製造されたテーラーウェルデッドブランクは、素地鋼板に該当する領域の引張強度が平均１４７０ＭＰａであった。
引張強度及び伸び率は、溶接部領域を採取してＫＳ規格に従った引張試験片で各５個ずつ作製した後、引張試験により測定して平均値で示した。この時の引張試験速度は１０ｍｍ／ｍｉｎであった。
溶接部の破断率は、引張試験時の引張試験片の数に対して破断が発生した試験片の割合を％で示した。

【0026】

発明例１は、Ｑ－Ｓｗｉｔｃｈ ｐｕｌｓｅレーザを用いて溶接が行われる部位に存在するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層を両面ともに除去し、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去幅は１ｍｍであった。その後、レーザビーム溶接を用いて突合せ溶接を行った。
発明例２は、Ｑ－Ｓｗｉｔｃｈ ｐｕｌｓｅレーザを用いて溶接が行われる部位に存在するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層を両面ともに一部除去し、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去幅は１ｍｍであり、残存厚さは５μｍであった。その後、レーザビーム溶接を用いて突合せ溶接を行った。
発明例３は、研削設備を用いて溶接が行われる部位に存在するＡｌ－Ｆｅ系金属間合金層を両面ともに除去し、上記Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去幅は１ｍｍであった。その後、レーザビーム溶接を用いて突合せ溶接を行った。

【0027】

比較例１は、Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層の除去なしに、レーザビーム溶接を用いて突合せ溶接を行った。
上記レーザビームの溶接時に、焦点距離でのビーム径が約０．４ｍｍであるＣＯ_２レーザ溶接機を使用し、シールドガスとしてＨｅガスを分当たり２０リットル使用し、レーザ出力は６ｋＷ、溶接速度は６ｍ／分に設定した。

【0028】

【表1】

上記表１から分かるように、本発明の条件に符合するように製造された発明例１～３の場合には、素地鋼板と類似のレベルの強度及び高い伸び率を有しているのに対し、本発明の条件に符合していない比較例１の場合には、強度及び伸び率ともに劣ることが分かる。

【符号の説明】

【0029】

１０、１０’：素地鋼板
２０：アルミニウム系めっき層
３０、３０’：Ａｌ－Ｆｅ系金属間合金層
４０：溶接金属部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】