JP2005163138A - Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】 Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の硬質化を抑え、加工性が改善されたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を得る。
【構成】 鋼帯を溶融めっき浴に導入してＡｌ：５０〜６０質量％を含むＡｌ−Ｚｎ合金めっき層を鋼帯表面に形成した後、１５０〜３５０℃に０.５時間以上加熱し冷却速度：０.８℃／分以下で常温まで冷却するポスト加熱処理を施し、次いで伸び率：０.２〜３.０％でスキンパス圧延する。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層は、更にＳｉ：３質量％以下を含むことができる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、降伏点を下げ、加工性を改善したＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の製造方法に関する。

内装建材，外装建材等では、耐食性の良好な溶融亜鉛めっき鋼板等が塗装原板として従来から使用されている。しかし、大気汚染の進行に伴ってイオウ酸化物，窒素酸化物等による大気や雨水の酸性化が著しい昨今、塗装鋼板の平坦部，切断端面，塗膜疵付き部等の塗膜下で溶融亜鉛溶融めっき層の腐食が促進されることから内装建材，外装建材等としての耐久性が懸念される状況になってきている。たとえば、平坦部の腐食は、Ｃｌイオン等の腐食性イオンが塗膜を透過して溶融亜鉛溶融めっき層の腐食を促進させ、体積膨張した亜鉛系腐食生成物によって塗膜が押し上げられ、塗膜フクレとして観察される。

環境悪化に対応するため、溶融亜鉛めっき鋼板よりも優れた耐食性を呈する塗装原板として、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板の使用が進められている。溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板は、Ｚｎ−Ａｌ合金溶融めっき層のＡｌ含有量が増加するに従って平坦部や塗膜疵付き部の耐食性が向上する。しかし、Ａｌ含有量の増加に伴い溶融めっき層の加工性が低下する。たとえば、塗装溶融Ｚｎ−５５％Ａｌ合金めっき鋼板の折り曲げ加工部では溶融めっき層に大きな加工割れが発生し、加工割れは溶融めっき層上の塗膜にも伝播する。目視観察でも検出できる程度に塗膜割れが大きくなると、成形加工品の意匠性が低下する。

溶融めっき層，塗膜に生じた加工割れは、腐食性イオンの侵入を促進させる。腐食性イオンが溶融めっき層中のＺｎと選択的に反応してＺｎの犠牲防食作用によって下地鋼が防食されるが、腐食反応にＺｎが消尽されると下地鋼の腐食が開始される。下地鋼の腐食は、赤錆となって現れ、成形加工品の外観を著しく劣化させる。
溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき鋼板の加工性を改善するため、約９３〜４２７℃のポスト加熱処理で溶融めっき層を軟質化する方法が特許文献１に紹介されている。ポスト加熱処理によりＡｌ−Ｚｎ合金めっき層が軟質化され、曲げ加工部等におけるＡｌ−Ｚｎ合金めっき層の亀裂や剥離が抑制される。
特開昭５６−８７６５４号公報

ポスト加熱処理でＡｌ−Ｚｎ合金めっき層が軟質化するものの、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯は逆に硬質化しやすく、長期間放置しておくと更に硬くなる。硬質化したＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を所定形状に成形加工するためには、多大な加工圧力を必要とし、プレス機，曲げ加工機等にかかる負荷が大きくなる。しかも、下地鋼とめっき層との間で機械的特性の差が拡大する結果、依然としてＡｌ−Ｚｎ合金めっき層やその上に形成された塗膜に亀裂や剥離が生じる場合がある。
亀裂，剥離の発生傾向は、生産性の向上を狙ってポスト加熱処理の条件を高温，短時間加熱にするほど顕著になる。そのため、従来のポスト加熱処理ではＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の加工性改善に限界があり、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層の優れた耐食性を十分に活用できていない。

本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ポスト加熱処理後のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯が時効硬化で硬質化するとの前提に立って、時効硬化を抑制又は緩和するスキンパス圧延を組み込むことにより硬質化を抑制し、加工性が確保されたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を提供することを目的とする。

本発明の製造方法は、その目的を達成するため、鋼帯を溶融めっき浴に導入してＡｌ：５０〜６０質量％を含むＡｌ−Ｚｎ合金めっき層を鋼帯表面に形成した後、１５０〜３５０℃に０.５時間以上加熱し冷却速度：０.８℃／分以下で常温まで冷却するポスト加熱処理を施し、次いで伸び率：０.２〜３.０％でスキンパス圧延することを特徴とする。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層は、更にＳｉ：３質量％以下を含むことができる。

めっき原板には、普通鋼，低合金鋼等があり、複雑形状の加工が予定される用途では極低炭素Ｔｉ，Ｎｂ添加鋼等の深絞り用鋼が好ましい。めっき原板は、常法に従って還元焼鈍で表面が活性化された後、Ａｌ−Ｚｎ合金の溶融めっき浴に導入される。溶融めっき浴は、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層の組成に対応する割合でＡｌ，Ｚｎを含み、約６００℃に保持される。溶融めっき浴には、更に３質量％以下のＳｉを添加しても良い。溶融めっき浴からめっき原板を引き上げた後、鋼板表面に不活性ガスを吹き付けることによりめっき付着量が調整され、冷却凝固後に所定組成のＡｌ−Ｚｎ合金めっき層が鋼板表面に形成される。

形成されたＡｌ−Ｚｎ合金めっき層は、過飽和状態でＺｎが固溶しているＡｌリッチの硬質デンドライト相がＺｎリッチの軟質マトリックスに分散した混晶になっている。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層は、Ａｌ：５０〜６０質量％，必要に応じＳｉ：３質量％以下を含み残部が実質的にＺｎの組成をもっている。めっき層のＡｌ含有量は耐食性に有効な混晶組織を確保するため５０〜６０質量％の範囲で選定される。必要に応じて添加されるＳｉは、硬質で脆弱なＡｌ−Ｆｅ系中間層が下地鋼／めっき層の界面に形成されることを抑制する上で有効であるが、３質量％を超える過剰添加はＡｌ−Ｚｎ合金めっき層を硬質化させる晶出Ｓｉが点在し始めるので好ましくない。

硬質デンドライト相と軟質マトリックスとの間に大きな硬度差があるため、折り曲げ加工等によって導入された応力がデンドライト相／マトリックスの界面に集中し、デンドライト相／マトリックスの界面を起点として亀裂が発生・伝播する。デンドライト相の硬さにはデンドライト相に固溶しているＺｎ濃度が大きく影響しており、固溶Ｚｎが少ないほどデンドライト相が軟質になる。

そこで、デンドライト相から固溶Ｚｎの溶出を促進させるため、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を１５０〜３５０℃の温度域に０.５時間以上保持した後、冷却速度：０.８℃／分以下で常温まで冷却する。熱処理温度が３５０℃を超えると相変化によって固溶Ｚｎが却って増加し、１５０℃を下回る熱処理温度では長時間の保持が必要とされるので実用的でない。また、０.５時間に達しない短時間保持では固溶Ｚｎの溶出が十分確保されず、０.８℃／秒を超える急速冷却では固溶Ｚｎの溶出が十分促進されない。

ポスト加熱処理でＡｌ−Ｚｎ合金めっき層が軟質化しても、下地鋼が硬質化していると下地鋼とめっき層との間にある大きな硬度差が加工，曲げ等の際に生じる加工欠陥の原因になる。下地鋼は、特に高温，短時間でポスト加熱処理するほど硬質化する傾向が強い。本発明者等は、下地鋼の硬質化に関し、ポスト加熱処理で持ち込まれた熱応力や熱歪みに起因する時効硬化によるものと予想した。かかる予想の下で時効硬化の影響を可能な限り抑える方法を調査・検討した結果、ポスト加熱処理後のスキンパス圧延が有効であることを見出した。

スキンパス圧延が時効硬化を抑制する原因は明らかではないが、次のように推察され、後述の実施例でも支持される。
ポスト加熱処理したままのＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯では、局部的に集中した分布で熱応力や熱歪みが残留しており、応力，歪みのエネルギーレベルが局部的に高くなっている。この状態のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯に何らかの外力が加わると準安定状態が崩れ、時効硬化の核となる元素，化合物，転位等がマトリックスに現出し、核を中心とした時効硬化が進行する。

これに対し、ポスト加熱処理後にスキンパス圧延すると、更に機械的な応力や歪みがＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯に導入され、応力，歪みのエネルギー分布が全体として平均化される。ポスト加熱処理で導入されている熱的な応力や歪みもスキンパス圧延で分散され、エネルギーレベルのピークも減少する。その結果、時効硬化の原因となる核の生成が抑えられ、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の加工性が確保される。

硬質化抑制に及ぼすスキンパス圧延の影響を調査した結果、伸び率：０.２％以上のスキンパス圧延によって加工性を確保できる程度にＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の硬質化が抑制されることが判った。しかし、伸び率：３.０％を超えるスキンパス圧延では、スキンパス圧延によって導入される応力や歪みが大きくなりすぎ、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の加工性が却って低下する。

板厚０.３５ｍｍの普通鋼をめっき原板に使用し、Ｈ₂−５０体積％Ｎ₂の還元雰囲気で７００℃に加熱する還元焼鈍を施した後、６００℃に保持した５５質量％Ａｌ−Ｚｎ合金めっき浴にラインスピード１２０ｍ／分で導入した。浸漬時間２秒で溶融めっき浴から引き上げ、不活性ガス吹付けによって余剰めっき金属を除去した後、冷却速度：２０℃／分で冷却し片面当りめっき付着量：８０ｇ／ｍ²のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を製造した。

製造されたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯に２００℃×５時間のコイル焼鈍を施した後、冷却速度：０.１℃／分で常温まで冷却した。冷却後のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯から切り出した試験片を機械試験したところ、降伏点が３９３Ｎ／ｍｍ²であった。該測定値は、ポスト加熱処理していないめっき鋼板の降伏点：２７９Ｎ／ｍｍ²と比較してかなり高い値であり、溶融めっき→ポスト加熱処理の過程で下地鋼の硬質化が進んでいることを示す。

次いで、ポスト加熱処理されたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯をスキンパス圧延し、スキンパス圧延が機械的性質に及ぼす影響を調査した。表１の調査結果にみられるように、スキンパス圧延による伸び率を０.２〜３.０％の範囲に設定すると、降伏点が最高でも３２３Ｎ／ｍｍ²に留まっていた。降伏伸びは、スキンパス圧延なしが５.０〜１２.０％であったのに対し、スキンパス圧延により０〜１.０％に低下していた。なお、引張強さ，全伸びには、スキンパス圧延の有無による差異が生じていなかった。

しかし、０.２％未満の伸び率でスキンパス圧延したＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯は、降伏点が依然として３５０Ｎ／ｍｍ²と高い値を示し、硬質化を抑制するスキンパス圧延の効果が不十分であった。逆に３.０％を超える伸び率でスキンパス圧延したＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯は、スキンパス圧延前とほぼ同じレベルの降伏点を示し、スキンパス圧延時に導入された応力や歪みで却って硬質化していることが窺われる。

更に、スキンパス圧延したＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯を塗装原板に使用し、クロメート処理等の塗装前処理を経て、膜厚１５μｍのエポキシ系下塗り塗膜，膜厚１５μｍのポリエステル系上塗り塗膜を鋼板表面に形成した。下塗りには、クロム酸ストロンチウム（防錆顔料），酸化チタン（着色顔料），硫酸バリウム，シリカ（体質顔料）を配合したエポキシ系塗料を使用した。

得られた塗装鋼板から切り出した試験片を折曲げ加工試験，促進腐食試験に供した。
折曲げ加工試験では、４０×５０ｍｍの試験片を１００個用意し、２０℃に調整された室内で加工試験片と同じ塗装鋼板を４枚間に挟んで試験片を１８０度折り曲げした。曲げ変形に必要な力を測定すると共に、曲げ部外側の塗膜表面を目視観察し、塗膜に亀裂が発生した試験片の個数で加工性を評価した。

促進腐食試験では、１２５サイクルの酸性雨複合腐食試験［１サイクル：０.１％ＮａＣｌ腐食液噴霧（３５℃×１時間，硫酸でｐＨ４に調整）→乾燥（５０℃×４時間）→湿潤（５０℃×３時間，相対湿度９８％）］後に、４ｔ加工部の表面を観察し、試験対象部の面積１００に対する白さび発生率（％）で加工部耐食性を評価した。

表２の試験結果にみられるように、降伏点を３００Ｎ／ｍｍ²以下にすることにより曲げ変形に要する力が少なく、折曲げ加工部のめっき層や塗膜に発生する擦れ疵が大幅に減少した。その結果、Ｚｎ−Ａｌ合金溶融めっき層が健全な状態に保たれ、塗膜の外観も曲げ加工前の塗膜表面とほとんど変わらない良好な状態に維持されており、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層本来の優れた耐食性が発揮されることが確認された。他方、降伏点が高い試験片では、曲げ部外側にある塗膜に擦れ疵が散見され、促進腐食試験後に塗膜欠陥を起点とする白錆が検出された。また、ポスト加熱のみを施した試験片の曲げ加工応力を基準値：１.０とすると、ポスト加熱及びスキンパス圧延した試験片では０.７〜０.７８の曲げ加工応力で加工できた。

以上に説明したように、めっき層を軟質化するポスト加熱処理に引き続いてＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯をスキンパス圧延するとき、下地鋼の硬質化が抑制され、加工性が改善され、加工欠陥の発生も少なくなる。加工欠陥の抑制力は、めっき層上の塗膜に対しても有効に寄与する。そのため、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき層本来の優れた耐食性が活用され、大気汚染が進行している環境においても耐久性に優れた外装建材，外置き式家電機器表装材，内装建材等として使用される。

Claims (2)

1. 鋼帯を溶融めっき浴に導入してＡｌ：５０〜６０質量％を含むＡｌ−Ｚｎ合金めっき層を鋼帯表面に形成した後、１５０〜３５０℃に０.５時間以上加熱し冷却速度：０.８℃／分以下で常温まで冷却するポスト加熱処理を施し、次いで伸び率：０.２〜３.０％でスキンパス圧延することを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼帯の製造方法。
2. 更にＳｉ：３質量％以下を含むＡｌ−Ｚｎ合金めっき層を鋼板表面に形成する請求項１記載の製造方法。