JP2009108377A - 溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備 - Google Patents
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Abstract
【課題】鋼板表面の外観を損なわず必要な酸化膜を安定して形成する、実用化に容易な溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備を提案する。
【解決手段】溶融亜鉛メッキ装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設され、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置される。さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられている。例えば、前記ライン上に、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段を設けることで、溶融亜鉛めっき鋼板表面に酸化膜を確実に形成させることができる。
【選択図】図４
【解決手段】溶融亜鉛メッキ装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設され、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置される。さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられている。例えば、前記ライン上に、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段を設けることで、溶融亜鉛めっき鋼板表面に酸化膜を確実に形成させることができる。
【選択図】図４
Description
本発明は、溶融亜鉛めっき鋼板を安定して製造する設備に関するものである。
溶融亜鉛めっき鋼板は溶接性および塗装性に優れることから、自動車車体用途を中心に広範な分野で広く利用されている。そのような用途での溶融亜鉛めっき鋼板は、プレス成形を施されて使用に供される。しかし、溶融亜鉛めっき鋼板は、冷延鋼板に比べてプレス成形性が劣るという欠点を有する。これはプレス金型での溶融めっき鋼板の摺動抵抗が冷延鋼板に比べて大きいことが原因である。すなわち、金型とビードでの摺動抵抗が大きい部分で溶融亜鉛めっき鋼板がプレス金型に流入しにくくなり、鋼板の破断が起こりやすい。
例えば、合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、鋼板に亜鉛めっきを施した後、加熱処理を行い、鋼板中のFeとめっき層中のZnが拡散し合金化反応が生じることにより、Fe−Zn合金相を形成させたものであるが、このFe−Zn合金相は、通常、Γ相、δ１相、ζ相からなる皮膜であり、Fe濃度が低くなるに従い、すなわち、Γ相→δ1相→ζ相の順で、硬度ならびに融点が低下する傾向がある。このため、摺動性の観点からは、高硬度で、融点が高く凝着の起こりにくい高Fe濃度の皮膜が有効であり、プレス成形性を重視する合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、皮膜中の平均Fe濃度を高めに製造されている。
しかしながら、高Fe濃度の皮膜では、めっき−鋼板界面に硬くて脆いΓ相が形成されやすく、加工時に界面から剥離する現象、いわゆるパウダリングが生じやすい問題を有している。
本発明者らは、上記課題に対して、鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得、特許文献１を特許出願した。
合金化溶融亜鉛めっき鋼板表面の上記平坦部は、周囲と比較すると凸部として存在する。プレス成形時に実際にプレス金型と接触するのは、この平坦部が主体となるため、この平坦部における摺動抵抗を小さくすれば、プレス成形性を改善することができる。この平坦部における摺動抵抗を小さくするには、めっき層と金型との凝着を防ぐのが有効であり、そのためには、めっき層の表面に、硬質かつ高融点の皮膜を形成することが有効である。この観点から検討を進めた結果、平坦部表層の酸化膜厚さを制御することが有効であり、こうして平坦部表層の酸化膜厚さを制御すると、めっき層と金型の凝着が生じず、良好な摺動性を示すことを見出した。また、このような酸化膜の形成には、酸性溶液と接触させてめっき表層にZn系の酸化物層を形成する方法が有効なことが明らかになった。
そして、特許文献１として、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を酸性溶液に接触させることで鋼板表面にZnを主体とする酸化物（以下、Zn系酸化物と称す）を形成させ、めっき層とプレス金型の凝着を抑制し、摺動性を向上させる技術を出願した。
合金化溶融亜鉛めっき鋼板表面の上記平坦部は、周囲と比較すると凸部として存在する。プレス成形時に実際にプレス金型と接触するのは、この平坦部が主体となるため、この平坦部における摺動抵抗を小さくすれば、プレス成形性を改善することができる。この平坦部における摺動抵抗を小さくするには、めっき層と金型との凝着を防ぐのが有効であり、そのためには、めっき層の表面に、硬質かつ高融点の皮膜を形成することが有効である。この観点から検討を進めた結果、平坦部表層の酸化膜厚さを制御することが有効であり、こうして平坦部表層の酸化膜厚さを制御すると、めっき層と金型の凝着が生じず、良好な摺動性を示すことを見出した。また、このような酸化膜の形成には、酸性溶液と接触させてめっき表層にZn系の酸化物層を形成する方法が有効なことが明らかになった。
そして、特許文献１として、合金化溶融亜鉛めっき鋼板を酸性溶液に接触させることで鋼板表面にZnを主体とする酸化物（以下、Zn系酸化物と称す）を形成させ、めっき層とプレス金型の凝着を抑制し、摺動性を向上させる技術を出願した。
さらに、上記技術に基づき、鋼板表面に短時間で確実に酸化膜を形成させることを目的に、特許文献２として、酸性処理液塗布後の鋼板に温度100度以上の水蒸気を吹き付ける製造方法を出願した。
しかしながら、特許文献２において、鋼板表面に均一に水蒸気を吹き付けることは困難であり、実際には不均一に鋼板表面に水蒸気が吹き付けられることになり鋼板表面にムラが発生し外観が損われる。
特開2003−306781号公報
特許第3608519号公報
本発明は、かかる事情に鑑み、鋼板表面の外観の損なわず必要な酸化膜を安定して形成できる実用化に容易な溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備を提案することを目的とする。
本発明の要旨は以下の通りである。
[1溶融亜鉛めっき装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
［２］溶融亜鉛メッキ装置と、合金化加熱炉と、冷却装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
［３］前記［１］または［２］において、前記絶対湿度を制御する手段は、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段とを有することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
[1溶融亜鉛めっき装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
［２］溶融亜鉛メッキ装置と、合金化加熱炉と、冷却装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
［３］前記［１］または［２］において、前記絶対湿度を制御する手段は、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段とを有することを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
なお、本発明における溶融亜鉛めっき鋼板とは、合金化処理を行わない溶融亜鉛めっき鋼板、めっき処理後合金化処理を行う合金化亜鉛めっき鋼板のいずれも対象とする。
本発明の溶融亜鉛めっきの製造設備によれば、鋼板表面の外観を損なわず、めっき鋼板表面に必要な酸化膜を確実に形成することができる。そして、例えば、水蒸気を直接吹き付けることなしに、反応工程中の水蒸気量を2000質量ppm以上に調整することができる等、実用化に容易な設備となる。
さらに、以上より、本発明の溶融亜鉛めっきの製造設備を用いることで、プレス成形時の摺動特性に優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板を工業的規模で安定して製造することが可能となり、工業的に大きな効果を奏する発明といえる。
さらに、以上より、本発明の溶融亜鉛めっきの製造設備を用いることで、プレス成形時の摺動特性に優れた合金化溶融亜鉛めっき鋼板を工業的規模で安定して製造することが可能となり、工業的に大きな効果を奏する発明といえる。
本発明は、溶融亜鉛めっきを施し、または、引き続き加熱処理により合金化し、調質圧延を施した鋼板に対して、酸性溶液に接触させ、接触終了後1〜120秒放置した後、水洗を行うことにより、亜鉛めっき鋼板表面に10nm以上のZn系酸化物層すなわち酸化膜を形成する合金化溶融亜鉛めっき鋼板の製造に関する設備である。
具体的には、本発明の溶融亜鉛メッキ鋼板の製造設備は、溶融亜鉛メッキ装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設され、溶液接触装置と洗浄装置は間隔を設けて配置されている。合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合は、前記溶融亜鉛メッキ装置と調質圧延機の間に、合金化加熱炉と冷却装置が設けてある。そして、本発明では、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間に絶対湿度を制御する手段を設けることとする。さらには、前記絶対湿度を制御する手段は、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を鋼板進行方向と平行に吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段とを有することが好ましい。このように、酸性溶液接触装置から洗浄装置までの間に絶対湿度を制御する手段を設けること、好ましくはカバーと吹き込み手段と測定手段を設けることは、本発明の特徴であり、重要な要件である。
酸性溶液に接触後の鋼板が洗浄を施されるまでの間（以下、反応工程領域と称す）に、鋼板めっき表面にはZn系酸化物が生成し鋼板のめっき表面に酸化膜が形成される。このような反応工程領域である酸性溶液接触装置から洗浄装置までの間に、絶対湿度を制御する手段を設けることで、鋼板のめっき表面に酸化膜を安定して形成することが可能となる。さらには、前記カバー、前記吹き込み手段および前記測定手段を設けることで、反応工程領域の雰囲気の制御がより厳密に行われることになり、その結果、さらに安定した酸化膜を得ることができる。
具体的には、本発明の溶融亜鉛メッキ鋼板の製造設備は、溶融亜鉛メッキ装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設され、溶液接触装置と洗浄装置は間隔を設けて配置されている。合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合は、前記溶融亜鉛メッキ装置と調質圧延機の間に、合金化加熱炉と冷却装置が設けてある。そして、本発明では、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間に絶対湿度を制御する手段を設けることとする。さらには、前記絶対湿度を制御する手段は、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を鋼板進行方向と平行に吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段とを有することが好ましい。このように、酸性溶液接触装置から洗浄装置までの間に絶対湿度を制御する手段を設けること、好ましくはカバーと吹き込み手段と測定手段を設けることは、本発明の特徴であり、重要な要件である。
酸性溶液に接触後の鋼板が洗浄を施されるまでの間（以下、反応工程領域と称す）に、鋼板めっき表面にはZn系酸化物が生成し鋼板のめっき表面に酸化膜が形成される。このような反応工程領域である酸性溶液接触装置から洗浄装置までの間に、絶対湿度を制御する手段を設けることで、鋼板のめっき表面に酸化膜を安定して形成することが可能となる。さらには、前記カバー、前記吹き込み手段および前記測定手段を設けることで、反応工程領域の雰囲気の制御がより厳密に行われることになり、その結果、さらに安定した酸化膜を得ることができる。
以下に、本発明を完成するに至った経緯について説明する。
図１は、溶融亜鉛めっき鋼板の表面に酸性溶液を塗布し一定時間放置することで酸化膜を形成させる溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法概略を示す図である。図1において、液接触工程と洗浄工程の間は、酸化膜を形成させる反応工程領域であり、図1によれば、この反応工程領域において、いかに安定して酸化膜をめっき表面に形成させるかが重要となる。
ここで、酸化膜の形成メカニズムを図２に示す。図2によれば、液膜量が十分なうちは液膜中のpHが上昇して反応が進み、液膜量が減少してくると亜鉛イオン濃度が高くなり反応が進む。液膜が完全に乾燥すると酸化反応も完全に停止することがわかる。
図１は、溶融亜鉛めっき鋼板の表面に酸性溶液を塗布し一定時間放置することで酸化膜を形成させる溶融亜鉛めっき鋼板の製造方法概略を示す図である。図1において、液接触工程と洗浄工程の間は、酸化膜を形成させる反応工程領域であり、図1によれば、この反応工程領域において、いかに安定して酸化膜をめっき表面に形成させるかが重要となる。
ここで、酸化膜の形成メカニズムを図２に示す。図2によれば、液膜量が十分なうちは液膜中のpHが上昇して反応が進み、液膜量が減少してくると亜鉛イオン濃度が高くなり反応が進む。液膜が完全に乾燥すると酸化反応も完全に停止することがわかる。
図3は、液膜変化量への影響因子を整理した模式図である。図3によれば、液膜の変化量は乾燥による減少Q1と酸化反応による減少Q2の二つに分けられ、特に乾燥による減少量Q1は反応工程中の雰囲気温度および雰囲気湿度の低下、酸性処理液液温上昇、ライン速度上昇により増加することがわかる。そして、図３より、酸化膜生成量は液膜の体積変化量と相関があると考えられ、以下の関係式が推定される。
酸化膜厚量＝F（T・P・Ts・V・Q2）
Ｔ：雰囲気温度
Ｐ：雰囲気湿度
Ts：酸性処理液の温度
Ｖ：ライン速度
Q2：酸化反応による減少量
これより、上記式のうち雰囲気温度Tと雰囲気湿度Pを調整可能とすることで液膜減少量Q1を削減して酸化膜量の安定化が図れることがわかる。
この結果を踏まえて、さらに検討を進めたところ、反応工程領域において表層の酸性溶液が乾燥して酸化膜の形成を妨げないように、例えば、反応工程領域の雰囲気中の水蒸気量（露点）を制御することが可能な加湿設備を設けて湿度を制御することにより安定した酸化膜を得ることが可能となることがわかった。すなわち、本発明では上記検討結果を基に、反応工程領域である酸性溶液接触装置と洗浄装置の間に絶対湿度を制御する手段を設けることとする。なお、上記絶対温度とは、大気中に含まれる水分量を示すものであり、飽和蒸気圧と相対湿度の積である。
酸化膜厚量＝F（T・P・Ts・V・Q2）
Ｔ：雰囲気温度
Ｐ：雰囲気湿度
Ts：酸性処理液の温度
Ｖ：ライン速度
Q2：酸化反応による減少量
これより、上記式のうち雰囲気温度Tと雰囲気湿度Pを調整可能とすることで液膜減少量Q1を削減して酸化膜量の安定化が図れることがわかる。
この結果を踏まえて、さらに検討を進めたところ、反応工程領域において表層の酸性溶液が乾燥して酸化膜の形成を妨げないように、例えば、反応工程領域の雰囲気中の水蒸気量（露点）を制御することが可能な加湿設備を設けて湿度を制御することにより安定した酸化膜を得ることが可能となることがわかった。すなわち、本発明では上記検討結果を基に、反応工程領域である酸性溶液接触装置と洗浄装置の間に絶対湿度を制御する手段を設けることとする。なお、上記絶対温度とは、大気中に含まれる水分量を示すものであり、飽和蒸気圧と相対湿度の積である。
図４は、本発明の一実施形態を示す図である。図4では、鋼板表面にめっき処理を施す溶融亜鉛めっき装置７と、めっき表面の粗度を調整する調質圧延機８と、表面にめっき処理を施された後、調質圧延を施された鋼板に、酸性溶液を塗布するための酸性溶液接触装置１と、めっき表面に酸化膜を形成させた後に余分な酸性溶液を洗浄するための洗浄装置２とが連設しており、前記酸性溶液接触装置１と前記洗浄装置２は間隔を設けて配置されている。図４においては、さらに、前記酸性溶液接触装置１と前記洗浄装置２の間３には、絶対湿度を制御する手段として、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバー４と、前記カバー内に水蒸気を吹き込む吹き込み手段５と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段６が設けられている。
以下に、図4の本装置を用いて、めっき表面に酸化膜を形成する方法の一例を示す。
溶融亜鉛めっき処理
通常、溶融亜鉛めっき鋼板を製造するに際しては、鋼板Ｓは溶融亜鉛めっき設備の前に設けられている連続焼鈍炉１１で焼鈍され、溶融亜鉛めっき装置７でめっきされる。
溶融亜鉛めっき装置７としては、例えば、亜鉛めっき浴温度近傍まで加熱された鋼板Sを連続的に亜鉛めっき浴へ導き、めっき浴から引き出された後に、ガスワイピングによりめっき付着量を20〜120g/m2に制御される。合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合は、このようにして溶融亜鉛めっきを施された鋼板に対して、さらに合金化加熱炉（図示せず）に導かれ、熱拡散によりめっき層中へFeが6〜15質量%程度含有せしめた合金化溶融亜鉛めっき鋼板となる。この際、所定温度に加熱でき、めっき層中へ所定量のFeを拡散させることができれば、その加熱方式に制限はないが、高周波誘導加熱方式の加熱炉を用いると有利である。これは、高周波誘導加熱方式を用いることにより、鋼板自体を瞬時に加熱できるため、短時間で均一な合金化が可能であり、また、鋼板幅方向、長さ方向でバラツキが少ないためである。
上記のように、溶融亜鉛めっき、さらには合金化処理を施された鋼板Sは、高温であるため、例えば送風機などを用いた冷却装置により、常温程度まで冷却するのが好ましい。
通常、溶融亜鉛めっき鋼板を製造するに際しては、鋼板Ｓは溶融亜鉛めっき設備の前に設けられている連続焼鈍炉１１で焼鈍され、溶融亜鉛めっき装置７でめっきされる。
溶融亜鉛めっき装置７としては、例えば、亜鉛めっき浴温度近傍まで加熱された鋼板Sを連続的に亜鉛めっき浴へ導き、めっき浴から引き出された後に、ガスワイピングによりめっき付着量を20〜120g/m2に制御される。合金化溶融亜鉛めっき鋼板を製造する場合は、このようにして溶融亜鉛めっきを施された鋼板に対して、さらに合金化加熱炉（図示せず）に導かれ、熱拡散によりめっき層中へFeが6〜15質量%程度含有せしめた合金化溶融亜鉛めっき鋼板となる。この際、所定温度に加熱でき、めっき層中へ所定量のFeを拡散させることができれば、その加熱方式に制限はないが、高周波誘導加熱方式の加熱炉を用いると有利である。これは、高周波誘導加熱方式を用いることにより、鋼板自体を瞬時に加熱できるため、短時間で均一な合金化が可能であり、また、鋼板幅方向、長さ方向でバラツキが少ないためである。
上記のように、溶融亜鉛めっき、さらには合金化処理を施された鋼板Sは、高温であるため、例えば送風機などを用いた冷却装置により、常温程度まで冷却するのが好ましい。
調質圧延
その後、材質の制御、めっき表面の粗度を調整するため、めっき鋼板Sは調質圧延機８に導かれる。この調質圧延時には、めっきの凹凸が緩和され、めっき表面には平坦部が形成される。この凹凸の緩和により溶融亜鉛めっき鋼板の摺動性は向上するため、めっき表面に平坦部を存在させることは重要である。一方、平坦化されない部分（凹部）は、潤滑油を保持し、プレス成形時の油切れを防止する役割があることから、凹部の存在も重要である。この観点から、めっき表面の平坦部の面積率は20〜80%の範囲にあることが有効であり、調質圧延時の圧下率は、前記平坦部の面積率となるように調整することが好ましい。
その後、材質の制御、めっき表面の粗度を調整するため、めっき鋼板Sは調質圧延機８に導かれる。この調質圧延時には、めっきの凹凸が緩和され、めっき表面には平坦部が形成される。この凹凸の緩和により溶融亜鉛めっき鋼板の摺動性は向上するため、めっき表面に平坦部を存在させることは重要である。一方、平坦化されない部分（凹部）は、潤滑油を保持し、プレス成形時の油切れを防止する役割があることから、凹部の存在も重要である。この観点から、めっき表面の平坦部の面積率は20〜80%の範囲にあることが有効であり、調質圧延時の圧下率は、前記平坦部の面積率となるように調整することが好ましい。
酸性溶液処理
引き続き、調質圧延後のめっき鋼板Sは、酸性溶液接触装置１に導かれ、めっき表面平坦部にZn系酸化物を形成する処理が施される。これは、めっき鋼板Sに酸性溶液を接触させると、めっき成分であるZnが溶解し、これに伴う水素発生反応により液のpHが上昇するため、Znの水酸化物がめっき表面へ沈殿し、その結果、Zn系酸化物が形成されるためであると考えられる。しかしながら、単に酸性溶液と接触させただけでは、Znの溶解が生じるのみで、Zn系酸化物は形成されない。Zn系酸化物を形成するためには、酸性溶液と接触後一定時間放置することが必要である。そこで、本発明では、酸性溶液接触装置１から洗浄装置２までの間３を反応工程領域とし、この領域３で一定時間放置することとする。
引き続き、調質圧延後のめっき鋼板Sは、酸性溶液接触装置１に導かれ、めっき表面平坦部にZn系酸化物を形成する処理が施される。これは、めっき鋼板Sに酸性溶液を接触させると、めっき成分であるZnが溶解し、これに伴う水素発生反応により液のpHが上昇するため、Znの水酸化物がめっき表面へ沈殿し、その結果、Zn系酸化物が形成されるためであると考えられる。しかしながら、単に酸性溶液と接触させただけでは、Znの溶解が生じるのみで、Zn系酸化物は形成されない。Zn系酸化物を形成するためには、酸性溶液と接触後一定時間放置することが必要である。そこで、本発明では、酸性溶液接触装置１から洗浄装置２までの間３を反応工程領域とし、この領域３で一定時間放置することとする。
酸性溶液接触装置１では、めっき鋼板Sと酸性溶液の接触が行われればよく、酸性溶液への浸漬処理を行う装置、酸性溶液のスプレー装置、酸性溶液をロールなどを用いて塗布する装置等があげられる。最終的に薄い液膜状で鋼板表面に存在することが望ましい。これは、鋼板表面に存在する酸性溶液の量が多いと、亜鉛の溶解が生じても溶液のpHが上昇せず、次々と亜鉛の溶解が生じるのみであり、酸化物層を形成するまでに長時間を有するだけでなく、めっき層の損傷も激しく、本来の防錆鋼板としての役割も失うことが考えられるためである。この観点から、鋼板表面に形成する酸性溶液膜の付着量を50g/m2以下に調製することが好ましく有効である。なお、溶液膜量の調整は、絞りロール、エアワイピング等で行うことができる。
また、使用する酸性溶液は、めっき層中のZnを溶解する必要があるため、pHは1.0〜4.0程度に制御する必要がある。pHがこの範囲にあれば、その他に制限はなく、塩酸、硫酸、硝酸などを用いることができ、また塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの化合物類を添加した溶液を用いてもよい。
酸性溶液の温度は、20〜70℃の範囲であることが好ましい。20℃未満では、酸化物層の生成反応に長時間を有し、生産性の低下を招く場合がある。一方、温度が高い場合には、反応は比較的すばやく進行するが、逆に鋼板表面に処理ムラを発生しやすくなる。
また、使用する酸性溶液は、めっき層中のZnを溶解する必要があるため、pHは1.0〜4.0程度に制御する必要がある。pHがこの範囲にあれば、その他に制限はなく、塩酸、硫酸、硝酸などを用いることができ、また塩化物、硫酸塩、硝酸塩などの化合物類を添加した溶液を用いてもよい。
酸性溶液の温度は、20〜70℃の範囲であることが好ましい。20℃未満では、酸化物層の生成反応に長時間を有し、生産性の低下を招く場合がある。一方、温度が高い場合には、反応は比較的すばやく進行するが、逆に鋼板表面に処理ムラを発生しやすくなる。
酸化膜形成処理
めっき鋼板Sと酸性溶液の接触後、酸性溶液接触装置１から洗浄装置２までの間３では、溶融亜鉛めっき鋼板を一定時間放置することで酸化膜を形成する。そのため、本発明では、前述した通り、この領域３上には絶対湿度を制御する手段を設ける。
めっき鋼板Sと酸性溶液の接触後、酸性溶液接触装置１から洗浄装置２までの間３では、溶融亜鉛めっき鋼板を一定時間放置することで酸化膜を形成する。そのため、本発明では、前述した通り、この領域３上には絶対湿度を制御する手段を設ける。
ここで、図４によれば、絶対湿度を制御する手段として、カバー４、吹き込み手段５および測定手段６を設けることで、Zn系酸化物を形成する反応工程領域の雰囲気を制御することが可能となっている。
まず、測定手段６により、温度と相対湿度、又は露点を所定時間毎に、または、常時測定する。そして、前記測定手段６の結果に基づき、酸化膜がより安定して形成されるように前記吹き込み手段５から水蒸気をカバー４内に吹き込むことで反応工程領域（カバー内）の水蒸気量を調整する。その結果、より安定して酸化膜を形成することができる。なお、水蒸気は鋼板に直接当てる必要はなく、鋼板進行方向と略平行に吹き込むことが好ましい。
まず、測定手段６により、温度と相対湿度、又は露点を所定時間毎に、または、常時測定する。そして、前記測定手段６の結果に基づき、酸化膜がより安定して形成されるように前記吹き込み手段５から水蒸気をカバー４内に吹き込むことで反応工程領域（カバー内）の水蒸気量を調整する。その結果、より安定して酸化膜を形成することができる。なお、水蒸気は鋼板に直接当てる必要はなく、鋼板進行方向と略平行に吹き込むことが好ましい。
以上のように、本発明における前記絶対湿度制御手段とは、酸化膜形成反応が安定して確実に進行するように、反応工程領域の雰囲気に応じて、絶対湿度を調整する機能を有するものであり、例えば加湿機能を有する手段、除湿機能を有する手段が挙げられる。また、その制御方法としては、例えば、温度と相対湿度、又は露点を測定し、この結果に基づき、加湿や除湿を行うものである。
また、前記カバー４とは、前述したとおり、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能となっていれば、大きさ、材質等は特に限定されない。また、前記カバー４の鋼板の進行方向の断面形状も特に限定されず、円状であっても矩形であってもよい。
設置するにあたっては、例えば加湿機能を有する設備の場合は、酸性溶液接触装置と洗浄装置の間３で最も乾燥すると思われる領域に設置することが好ましい。反応工程中の温度・相対湿度・通板速度に乾燥状態は依存するものの、通常の操業条件にて行った場合、酸性処理液接触装置１直後から14m以内である。ゆえに加湿設備はこの位置に設置することが好ましい。
設置するにあたっては、例えば加湿機能を有する設備の場合は、酸性溶液接触装置と洗浄装置の間３で最も乾燥すると思われる領域に設置することが好ましい。反応工程中の温度・相対湿度・通板速度に乾燥状態は依存するものの、通常の操業条件にて行った場合、酸性処理液接触装置１直後から14m以内である。ゆえに加湿設備はこの位置に設置することが好ましい。
前記吹き込み手段５とは、前記カバー４内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込むものであり、例えば、鋼板の進行方向に一定区間毎に蒸気配管を設置し、蒸気配管に複数の吹き出し口を配置することもできる。この場合の配管長さや吹き出し口の数などは、前記カバー４の設備長に応じて適宜設定される。なお、水蒸気又は乾燥空気は鋼板の進行方向と略平行に吹き込むことが好ましい。
また、鋼板の表裏面のいずれか、もしくは、両方の面に設置することが可能である。さらに、水蒸気等が鋼板に直接あたらないように、鋼板表面から鉛直方向に500mm以上離れたところに設置するのが好ましい。設備底面に設置することも可能である。
水蒸気又は乾燥空気の吹出方向は好ましくは鋼板進行方向と略平行とし、水蒸気ノズル条件は、前記カバー４内の拡散が十分に行われる目安として、蒸気圧0.5kgf/cm2以下で行うことが好ましい。このような条件で行うことで、吹き出された水蒸気が前記カバー４内に十分に拡散される。
また、鋼板の表裏面のいずれか、もしくは、両方の面に設置することが可能である。さらに、水蒸気等が鋼板に直接あたらないように、鋼板表面から鉛直方向に500mm以上離れたところに設置するのが好ましい。設備底面に設置することも可能である。
水蒸気又は乾燥空気の吹出方向は好ましくは鋼板進行方向と略平行とし、水蒸気ノズル条件は、前記カバー４内の拡散が十分に行われる目安として、蒸気圧0.5kgf/cm2以下で行うことが好ましい。このような条件で行うことで、吹き出された水蒸気が前記カバー４内に十分に拡散される。
前記測定手段６とは、温度と相対湿度、又は露点を測定するものであり、鋼板表面に対し鉛直方向に500mm以内の範囲に設置するのが好ましい。また、水蒸気又は乾燥空気の影響を受けないように吹出口から1m以上離して設置するのが好ましい。さらに、測定手段は、吹出口と反対側に取り付けるのが好ましい。
なお、前述したように、本発明では絶対湿度を制御することで、めっき表面に安定して酸化膜を形成するものであり、本発明において、絶対湿度とは、飽和蒸気圧×相対湿度＝大気中に含まれる水分量を示すものである。図5によると、絶対湿度が高くなると酸化膜厚も増加することが示されている。図5によれば、絶対湿度が同じであればライン速度（反応時間）に影響を受けるため、ライン速度を考慮にいれると、例えば、必要膜厚を確保するには2000質量ppm以上の絶対湿度が必要となることがわかる。そのため、鋼板表層の酸性溶液の乾燥を防止し必要膜厚以上の酸化膜厚を確保するためには、上記図4におけるカバー７と吹き込み手段８および測定手段９を用いて水蒸気量を2000質量ppm以上（露点−12.7℃以上）に保持することとなる。また、絶対湿度が高くなりすぎると酸化膜厚が厚くなりすぎ、塗装性へ悪影響を与える。従って、要求される塗装性に応じて絶対湿度の上限値を決定すればよい。
洗浄処理
こうして反応工程領域を通過した鋼板は、洗浄装置２にて、表面に残存した酸性溶液成分を洗い流す処理が施される。この洗浄処理が不十分であると、酸性溶液成分がめっき表面に残存し、実際の製品となった場合に腐食を促進する恐れがある。このため、鋼板を水洗するかわりに、中和処理装置に導くことにより、めっき表面に残存した酸性溶液成分を中和する処理を施すことも効果的である。中和処理に使用する溶液は、アルカリ性の溶液であれば特に制限はなく、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウムなどの水溶液を使用することができる。
こうして反応工程領域を通過した鋼板は、洗浄装置２にて、表面に残存した酸性溶液成分を洗い流す処理が施される。この洗浄処理が不十分であると、酸性溶液成分がめっき表面に残存し、実際の製品となった場合に腐食を促進する恐れがある。このため、鋼板を水洗するかわりに、中和処理装置に導くことにより、めっき表面に残存した酸性溶液成分を中和する処理を施すことも効果的である。中和処理に使用する溶液は、アルカリ性の溶液であれば特に制限はなく、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウムなどの水溶液を使用することができる。
なお、本発明におけるZn系酸化物層とは、Znを必須として含んだ酸化物及び／又は水酸化物などからなる層のことである。このようなZnを必須成分として含む酸化物層の平均厚さが調圧部表層および未調圧部表層において、10nm以上であることが必要である。酸化物層の平均厚さが調圧部および未調圧部において、10nm未満に薄くなると摺動抵抗を低下させる効果が不十分となる。一方、Znを必須成分として含む酸化物層の平均厚さが調圧部および未調圧部で100nmを越えると、プレス成形中に皮膜が破壊し摺動抵抗が上昇し、また溶接性が低下する傾向にあるため好ましくない。
また、本発明に係るめっき鋼板を製造するに関しては、Znめっき浴中にAlが添加されていることが必要であるが、Al以外の添加元素成分は特に限定されない。すなわち、Alの他にPb、Sb、Si、Sn、Mg、Mn、Ni、Ti、Li、Cuなどが含有または添加されていても、本発明の効果が損なわれるものではない。
さらに、酸化処理などに使用する処理液中に不純物が含まれることによりS、N、Pb、Cl、Na、Mn、Ca、Mg、Ba、Sr、Siなどが酸化物層中に取り込まれても、本発明の効果が損なわれるものではない。
以上、本発明のめっき鋼板の製造設備によれば、調質圧延が施されためっき鋼板表面に、必要な酸化膜を確実に形成する処理を施すことで良好な摺動性を安定的に得ることができるようになる。
さらに、プレス成形時の荷重が高くなる場合では、鋼板表面の未調圧部も調圧部と併せて金型との直接接触が起こることが予想される。よって、溶融亜鉛めっき鋼板表面の調圧部および未調圧部には、金型との凝着を防止する硬質かつ高融点の物質が存在することが、摺動性の向上には重要である。この点で、鋼板表面に酸化物層を存在させることは、酸化物層が金型との凝着を防止するため、摺動特性の向上に有効である。
さらに、プレス成形時の荷重が高くなる場合では、鋼板表面の未調圧部も調圧部と併せて金型との直接接触が起こることが予想される。よって、溶融亜鉛めっき鋼板表面の調圧部および未調圧部には、金型との凝着を防止する硬質かつ高融点の物質が存在することが、摺動性の向上には重要である。この点で、鋼板表面に酸化物層を存在させることは、酸化物層が金型との凝着を防止するため、摺動特性の向上に有効である。
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
図６は、本発明の溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備の他の実施形態を示す概略説明図である。なお、図６において、図４の構成と同一の部分には同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。図６では、酸性溶液接触装置１と洗浄装置２の間３には、反応工程領域の雰囲気を制御するための、加湿設備９が設けてある。また、前記加湿設備９内には、吹き込み手段５と、温度と相対湿度、又は露点を測定するための測定手段６が設けてある。各設備の詳細は以下の通りである。
図６は、本発明の溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備の他の実施形態を示す概略説明図である。なお、図６において、図４の構成と同一の部分には同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。図６では、酸性溶液接触装置１と洗浄装置２の間３には、反応工程領域の雰囲気を制御するための、加湿設備９が設けてある。また、前記加湿設備９内には、吹き込み手段５と、温度と相対湿度、又は露点を測定するための測定手段６が設けてある。各設備の詳細は以下の通りである。
加湿設備９
酸性溶液接触装置１と洗浄装置２の間３で最も乾燥すると思われる領域は、反応工程中の温度・相対湿度・通板速度に依存するものの、通常の操業条件にて行った場合、酸性溶液接触装置１の直後から14m以内である。ゆえに加湿設備９はこの位置に設置することが好ましく、図６では酸性溶液接触装置１の直後１ｍに設置した。鋼板進行方向断面形状は四角であり、材質は塩化ビニルを用いた。酸性溶液接触装置１から洗浄装置２の間の距離は30mである。
また、加湿設備９内の加湿範囲は6m以上が好ましく、図６では7ｍとした。また、鋼板が加湿設備９を通過する時間は2秒とした。
酸性溶液接触装置１と洗浄装置２の間３で最も乾燥すると思われる領域は、反応工程中の温度・相対湿度・通板速度に依存するものの、通常の操業条件にて行った場合、酸性溶液接触装置１の直後から14m以内である。ゆえに加湿設備９はこの位置に設置することが好ましく、図６では酸性溶液接触装置１の直後１ｍに設置した。鋼板進行方向断面形状は四角であり、材質は塩化ビニルを用いた。酸性溶液接触装置１から洗浄装置２の間の距離は30mである。
また、加湿設備９内の加湿範囲は6m以上が好ましく、図６では7ｍとした。また、鋼板が加湿設備９を通過する時間は2秒とした。
吹き込み手段５として
鋼板進行方向3m毎に蒸気配管を2本設置し、１本の蒸気配管あたり5箇所吹き出し口を配置した。
また、鋼板の表裏面どちらか、もしくは両方に設置することが可能であるため、図６では、鋼板の裏面側とし、鋼板下表面から鉛直方向に500mm以上離れた加湿設備９の底面に設置した。
水蒸気の吹出方向は鋼板進行方向とほぼ平行とし、水蒸気ノズル条件は、加湿設備９内の拡散が十分に行われる目安として、蒸気圧0.5kgf/cm2以下とした。
鋼板進行方向3m毎に蒸気配管を2本設置し、１本の蒸気配管あたり5箇所吹き出し口を配置した。
また、鋼板の表裏面どちらか、もしくは両方に設置することが可能であるため、図６では、鋼板の裏面側とし、鋼板下表面から鉛直方向に500mm以上離れた加湿設備９の底面に設置した。
水蒸気の吹出方向は鋼板進行方向とほぼ平行とし、水蒸気ノズル条件は、加湿設備９内の拡散が十分に行われる目安として、蒸気圧0.5kgf/cm2以下とした。
除湿設備１０
絶対湿度を制御しない状態で絶対湿度が上限値を超えている場合は、図６の加湿設備9に代えて、除湿設備10を設ける（図7）。除湿設備10は、加湿手段9の水蒸気吹き込みに代えて、乾燥空気を吹き込むことで除湿を行った。乾燥空気の絶対湿度は必要な湿度条件に応じて選択すればよい。
吹込口位置、条件等は加湿設備9と同様である。
絶対湿度を制御しない状態で絶対湿度が上限値を超えている場合は、図６の加湿設備9に代えて、除湿設備10を設ける（図7）。除湿設備10は、加湿手段9の水蒸気吹き込みに代えて、乾燥空気を吹き込むことで除湿を行った。乾燥空気の絶対湿度は必要な湿度条件に応じて選択すればよい。
吹込口位置、条件等は加湿設備9と同様である。
測定手段６
鋼板表面に対して鉛直方向に500mm以内の範囲に設置するのが好ましく、図６および図7では鋼板上表面に対して鉛直方向に300ｍ位置に設置した。また、水蒸気又は乾燥空気の影響を受けないように吹出口から1m以上離して設置した。さらに、吹出口と反対側に取り付けるのが好ましく、図６および図7では吹出口と反対側である板表面近傍に測定手段を取り付けた。なお、図６では測定手段により、露点の測定を行った。
鋼板表面に対して鉛直方向に500mm以内の範囲に設置するのが好ましく、図６および図7では鋼板上表面に対して鉛直方向に300ｍ位置に設置した。また、水蒸気又は乾燥空気の影響を受けないように吹出口から1m以上離して設置した。さらに、吹出口と反対側に取り付けるのが好ましく、図６および図7では吹出口と反対側である板表面近傍に測定手段を取り付けた。なお、図６では測定手段により、露点の測定を行った。
上記図６又は図7の溶融亜鉛めっきの製造設備を用いて、溶融亜鉛めっき鋼板を製造した。
まず、板厚0.8mmの冷延鋼板上に、常法により合金化溶融亜鉛めっき皮膜を形成し、更に調質圧延を行った。その後、50℃、pH2.0の硫酸酸性溶液を満たした酸性溶液接触装置１に導かれ、酸性溶液に浸漬しためっき鋼板Sは、領域３上を進行することでめっき鋼板Sを１３秒間大気に接触させ、洗浄装置２で水洗した後、乾燥装置（図示せず）で水分を除去することにより、めっき表面に酸化膜を形成した溶融亜鉛めっき鋼板が得られた。最終的には、簡易防錆油を塗布しコイル状に巻き取り製品とした。
なお、ライン速度は１００ｍｐｍとした。また、加湿設備9又は除湿設備10内をめっき鋼板Sが通過時に、測定手段６により、加湿設備９又は除湿設備10内の露点を測定し、この結果に基づき、吹き込み手段５により、加湿設備９又は除湿設備10内の露点が-12.7℃以上で酸化膜厚上限値から設定した露点上限値以下となるように、水蒸気又は乾燥空気を吹き込んだ。
まず、板厚0.8mmの冷延鋼板上に、常法により合金化溶融亜鉛めっき皮膜を形成し、更に調質圧延を行った。その後、50℃、pH2.0の硫酸酸性溶液を満たした酸性溶液接触装置１に導かれ、酸性溶液に浸漬しためっき鋼板Sは、領域３上を進行することでめっき鋼板Sを１３秒間大気に接触させ、洗浄装置２で水洗した後、乾燥装置（図示せず）で水分を除去することにより、めっき表面に酸化膜を形成した溶融亜鉛めっき鋼板が得られた。最終的には、簡易防錆油を塗布しコイル状に巻き取り製品とした。
なお、ライン速度は１００ｍｐｍとした。また、加湿設備9又は除湿設備10内をめっき鋼板Sが通過時に、測定手段６により、加湿設備９又は除湿設備10内の露点を測定し、この結果に基づき、吹き込み手段５により、加湿設備９又は除湿設備10内の露点が-12.7℃以上で酸化膜厚上限値から設定した露点上限値以下となるように、水蒸気又は乾燥空気を吹き込んだ。
以上により得られた溶融亜鉛めっき鋼板について、以下の方法にて、めっき表層の調圧部および未調圧部の酸化物層の膜厚を測定した。その結果、調圧部および未調圧部において摺動性を向上させるのに十分な酸化膜が形成されていることが確認できた。
酸化膜厚の測定
オージェ電子分光（AES）によりめっき表層の調圧部および未調圧部について、各元素の含有率(at.%)を測定し、引き続いて所定の深さまで、Arスパッタリングした後、AESによりめっき皮膜中の各元素の含有率の測定を行い、これを繰り返すことにより、深さ方向の各元素の組成分布を測定した。酸化物、水酸化物に起因するOの含有率が、最大値より深い位置で、最大値と一定値との和の1/2となる深さを酸化物の厚さとし、調圧部および未調圧部に対してそれぞれ２箇所づつ酸化物の厚さを測定し、これらの平均値をそれぞれ調圧部および未調圧部の酸化物の厚さとした。なお、予備処理として30秒のArスパッタリングを行って、供試材表面のコンタミネーションレイヤーを除去した。
オージェ電子分光（AES）によりめっき表層の調圧部および未調圧部について、各元素の含有率(at.%)を測定し、引き続いて所定の深さまで、Arスパッタリングした後、AESによりめっき皮膜中の各元素の含有率の測定を行い、これを繰り返すことにより、深さ方向の各元素の組成分布を測定した。酸化物、水酸化物に起因するOの含有率が、最大値より深い位置で、最大値と一定値との和の1/2となる深さを酸化物の厚さとし、調圧部および未調圧部に対してそれぞれ２箇所づつ酸化物の厚さを測定し、これらの平均値をそれぞれ調圧部および未調圧部の酸化物の厚さとした。なお、予備処理として30秒のArスパッタリングを行って、供試材表面のコンタミネーションレイヤーを除去した。
溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備によれば、鋼板表面の外観の損なわず必要な酸化膜を安定して形成できることから、自動車車体用途を中心に広範な分野で適用できる。
１ 酸性溶液接触装置
２ 洗浄装置
３ 酸性溶液接触装置と洗浄装置の間
４ カバー
５ 吹き込み手段
６ 測定手段
７ 溶融亜鉛めっき装置
８ 調質圧延機
９ 加湿設備
１０ 除湿設備
１１ 連続焼鈍炉
S 鋼板
２ 洗浄装置
３ 酸性溶液接触装置と洗浄装置の間
４ カバー
５ 吹き込み手段
６ 測定手段
７ 溶融亜鉛めっき装置
８ 調質圧延機
９ 加湿設備
１０ 除湿設備
１１ 連続焼鈍炉
S 鋼板
Claims (3)
- 溶融亜鉛めっき装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
- 溶融亜鉛メッキ装置と、合金化加熱炉と、冷却装置と、調質圧延機と、酸性溶液接触装置と、洗浄装置が連設してなる溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備であって、前記酸性溶液接触装置と前記洗浄装置は間隔を設けて配置され、さらに、前記酸性溶液接触装置から前記洗浄装置までの間には絶対湿度を制御する手段が設けられていることを特徴とする溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
- 前記絶対湿度を制御する手段は、鋼板の上下面および両側面を覆い、かつ、鋼板が貫通可能なカバーと、前記カバー内に、水蒸気又は乾燥空気を吹き込む吹き込み手段と、温度と相対湿度、又は露点を測定する測定手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶融亜鉛めっき鋼板の製造設備。
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