JP2014506300A - メッキ方法及び亜鉛メッキ工程 - Google Patents

メッキ方法及び亜鉛メッキ工程 Download PDF

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Abstract

本発明は、レーザーとプラズマのうち一つ以上をＡＨＳＳの表面に照射してＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するか又は表面を改質することにより亜鉛メッキのような後処理工程を可能にする高強度鋼の表面処理方法及び表面処理装置を提供することを目的とし、これを達成するために、高強度鋼を加熱する加熱段階と、上記加熱段階で形成された上記高強度鋼の表面に形成されたＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物及びＳｉ系酸化物のうち一つ以上を除去するように鋼板の表面にプラズマを照射する表面処理段階と、上記表面処理された高強度鋼をメッキするメッキ段階と、を含むメッキ方法を提供する。

Description

本発明は、鋼板のメッキ方法及びこれを用いた亜鉛メッキ工程に関し、より詳細には、高強度鋼の焼鈍中に表面に形成されるＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物、Ｓｉ系酸化物のうち一つ以上をプラズマ又はプラズマとレーザーにより除去するメッキ方法及びこれを用いた亜鉛メッキ工程に関する。
最近、ＴＷＩＰ鋼（ＴＷｉｎｎｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ Ｓｔｅｅｌ）やＴＲＩＰ鋼（ＴＲｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ Ｓｔｅｅｌ）等の引張強度４９０ＭＰａ以上の高強度鋼（ＡＨＳＳ：Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｓｔｅｅｌ）が開発された。
しかしながら、このようなＡＨＳＳは、焼鈍熱処理時に高強度鋼に含まれているＳｉ／Ｍｎ／Ａｌが鋼板の表面に拡散されて数十〜数百ｎｍ水準のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を形成するようになる。このようなＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物は、溶融亜鉛メッキ時に溶融亜鉛の付着を防ぐため、未メッキの原因となる。
図１、２に示されたＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルからは、ＴＷＩＰ鋼の表面に、亜鉛がＴＷＩＰ鋼に付着されることを防ぐＭｎ系酸化物とＡｌ系酸化物が存在することが確認できる。
一方、図３、４にはＴＲＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルが示されており、ＴＲＩＰ鋼の表面にＳｉ系酸化物とＭｎ系酸化物が存在することが確認できる。このようなＳｉ系及びＭｎ系酸化物によって、ＴＷＩＰ鋼と同様に、ＴＲＩＰ鋼の亜鉛メッキも困難である。
亜鉛メッキは、鋼材の電気化学的保護作用をする。したがって、亜鉛メッキが施されない場合、耐食性が低くなり外部フレーム用に適さなくなるため、高剛性・高強度鋼であるＴＷＩＰ鋼やＴＲＩＰ鋼を外部フレームに用いることができないという問題がある。
よって、ＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するための技術開発が求められている。これに関し、多様な方式でＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去したりＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の生成を防ぐための多様な試みが行われたが、未だ何の成果も出ていない。
特に、Ｓｉ／Ｍｎ／Ａｌ酸化被膜は高強度鋼の表面に島状又は網状に配置されており結合力が強いため、これを除去するのは困難である。
本発明の目的は、レーザーとプラズマのうち一つ以上をＡＨＳＳの表面に照射してＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するか又は表面を改質することにより亜鉛メッキのような後処理工程を可能にする高強度鋼のメッキ方法及びメッキ装置を提供することである。
本発明の他の目的は、短時間で効果的にＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するか又は表面を改質することによりメッキ連続工程に適用されることができる高強度鋼のメッキ方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、焼鈍後の連続工程でメッキが可能であるメッキ方法及びメッキ工程を提供することである。
本発明は、上記のような課題を達成するために、下記のようなメッキ方法及び亜鉛メッキ工程を提供する。
本発明の一実施形態によれば、高強度鋼を加熱する加熱段階と、上記加熱段階で形成された上記高強度鋼の表面に形成されたＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物及びＳｉ系酸化物のうち一つ以上を除去するようにプラズマを照射する表面処理段階と、上記表面処理された高強度鋼をメッキするメッキ段階と、を含むメッキ方法を提供する。
この際、上記表面処理段階において、上記プラズマを高強度鋼の表面に２００〜９００℃の温度で照射することができる。
また、上記表面処理段階において、上記プラズマを２００〜８００℃の窒素雰囲気で照射し、上記雰囲気ガスをプラズマのフィーディングガスとして供給することができる。
また、上記表面処理段階において、上記高強度鋼を陰極に帯電させた後、上記プラズマと共にプラズマアークを上記高強度鋼の表面に照射することができる。
さらに、上記表面処理段階は、外部と遮断されたチャンバーで行われ、上記プラズマの照射距離を増大させるように上記チャンバーの内部のガスを吸入してチャンバーの内部の圧力を低くした後にプラズマを照射することができる。
また、上記表面処理段階は、プラズマを照射すると共に上記酸化被膜を除去するように上記高強度鋼に１０６４ｎｍ以下の波長を有するＣＷレーザーを照射することができる。
この際、上記レーザーは、１ｍｍ以下のスポットサイズを有するレーザー又は１ｍｍ以下の幅を有するレーザービームであることができる。
また、上記表面処理段階は、上記レーザーを上記プラズマと同一の地点に照射することができる。
本発明は、上述したメッキ方法で亜鉛メッキされたＴＷＩＰ又はＴＲＩＰ鋼を提供する。
本発明の他の実施形態によれば、焼鈍設備と、焼鈍中に鋼板の表面に生成されたＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物及びＳｉ系酸化物のうち一つ以上を除去するように焼鈍設備の後方に設置され内部に２００〜８００℃の窒素雰囲気が形成された雰囲気チャンバーと上記酸化被膜を除去しプラズマを鋼板に照射するように上記雰囲気チャンバーの内部に配置されたプラズマ発生装置とを含む表面処理設備と、上記表面処理設備を通過した鋼板を亜鉛メッキするメッキ設備と、を含む亜鉛メッキ工程を提供する。
また、上記雰囲気チャンバーには雰囲気ガス吸入部が備えられ、上記プラズマ発生装置のフィーディングガスとして上記雰囲気ガスを用いるように上記雰囲気ガス吸入部は上記プラズマ発生装置のフィーディングガス供給部と連結されることができる。
また、上記鋼板の出入りを許容し且つ上記雰囲気チャンバーを密封する遮断部を含み、上記雰囲気チャンバーには雰囲気ガス吸入部、雰囲気ガスを供給する連通口及び内部圧力を測定する圧力センサーが備えられ、雰囲気チャンバーの内部圧力を大気圧より低く維持させることができる。
さらに、上記遮断部はシーリングロールを含み、上記シーリングロールとシーリングロールの回転軸は導電性材質で形成され、上記回転軸が陰極に接地されて上記雰囲気チャンバーの内部を通過する鋼板を陰極に接地し、上記プラズマ発生装置はプラズマと共にプラズマアークを照射するように鋼板から離隔されることができる。
また、上記プラズマ発生装置の前方又は後方に位置し上記鋼板の表面にレーザーを照射するレーザー発生装置をさらに含み、上記レーザー発生装置は１０６４ｎｍ以下の波長を有するＣＷレーザービーム照射装置であることができる。
また、上記表面処理設備は、上記焼鈍設備と上記メッキ設備の間のスナウトの内部に配置されることができる。
本発明は、レーザーとプラズマのうち一つ以上をＡＨＳＳの表面に照射してＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するか又は表面を改質することにより亜鉛メッキのような後処理工程を可能にする高強度鋼のメッキ方法及びメッキ装置を提供する。
また、本発明は、短時間で効果的にＡＨＳＳの表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するか又は表面を改質することによりメッキ連続工程に適用されることができる高強度鋼のメッキ方法を提供する。
また、本発明は、焼鈍後の連続工程でメッキが可能であるメッキ方法及びメッキ工程を提供する。
ＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ＴＲＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ＴＲＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 プラズマ照射装置で高強度鋼の酸化被膜を除去する表面処理装置の一例を示した図である。 ３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて１秒間プラズマを照射したときのＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて１秒間プラズマを照射したときのＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて２０秒間プラズマを照射したときのＴＷＩＰ鋼の深さプロファイルを示したグラフである。 プラズマとアークを共に照射するプラズマ発生装置の一例を示した図である。 プラズマとアークを共に照射するプラズマ発生装置の一例を示した図である。 大気圧プラズマ照射装置でプラズマとアークを共に照射したときのＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 大気圧プラズマ照射装置でプラズマとアークを共に照射したときのＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 大気圧プラズマ照射装置でプラズマとアークを共に照射したときのＴＲＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 大気圧プラズマ照射装置でプラズマとアークを共に照射したときのＴＲＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 レーザー照射装置で高強度鋼の酸化被膜を除去する表面処理装置の概略図である。 ２５ＷのＣＷレーザーでＴＷＩＰ鋼の表面を照射した後のＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 ２５ＷのＣＷレーザーでＴＷＩＰ鋼の表面を照射した後のＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。 空気雰囲気でパルスレーザーを照射したときの表面写真である。 窒素雰囲気でパルスレーザーを照射したときの表面写真である。 従来の亜鉛メッキ工程の概略図である。 本発明による亜鉛メッキ工程の概略図である。 本発明による亜鉛メッキ工程におけるシーリングロールの部分断面図である。
従来、レーザーを用いて鋼板の表面のＦｅ酸化物層を除去する技術が提示されていた。しかしながら、鋼板の表面のＦｅ酸化物層とは異なり、焼鈍過程で高強度鋼の表面に発生する酸化層は、数十〜数百ｎｍ程度の薄い層で島状（ＴＷＩＰ鋼）や網状（ＴＲＩＰ）に形成される。また、Ｓｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物は、Ｆｅ酸化物層より結合力が１０倍以上であるため、酸化物を除去するのに新たな方式が必要である。
よって、プラズマ、レーザー又はプラズマとレーザーを共に用いてＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去する方法を発明した。以下では、添付の図面及び分析資料を参照して本発明について詳細に説明する。
本発明において、Ｓｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物、酸化被膜、酸化物層は、Ｓｉ系酸化物、Ｍｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物のうち一つ以上を含む酸化物、酸化被膜、酸化物層を意味する。
プラズマを用いたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の除去
図５には、本発明で用いた表面処理装置が示されている。プラズマ発生器２０は支持部２５の母材Ｓの上方に配置され、プラズマ発生器２０からのプラズマＰが母材の表面に照射されるように構成した。
プラズマ発生器２０からの距離ｌが遠くなるほど、プラズマＰの温度は下がり、プラズマＰの温度が下がると、プラズマＰから母材Ｓに提供されるエネルギーが減少する。本発明では、このような点を利用してプラズマ発生器２０と母材Ｓとの距離ｌを異ならせて同一の出力（３５０Ｗ）のプラズマ発生器２０からプラズマＰを照射し、その照射結果を下記表１に示した。この際、母材ＳとしてはＴＷＩＰ鋼を用いた。
Figure 2014506300
上記表１において、プラズマ照射後のメッキ品質の改善の有無は、プラズマ照射前と対比して、プラズマを照射した試片を亜鉛メッキしたときに亜鉛メッキ品質が改善されたか否かを意味し、「○」は顕著に改善されたことを、「△」はわずかに改善されたことを、「×」は改善されなかったことを意味する。
表１からは、同一の出力のプラズマを照射しても、プラズマＰと母材Ｓとの距離ｌが近ければプラズマＰが照射された後にメッキ性が改善されたことが確認できた。
しかしながら、母材Ｓとの距離ｌが遠ければ、プラズマＰが照射されてもメッキ性が改善されなかった。本実験で用いたプラズマ発生器２０と母材Ｓとの距離が６ｍｍ以上のときにプラズマＰの温度が２００℃以下であるため、母材の表面におけるプラズマの温度が少なくとも２００℃のときにプラズマＰで母材のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去することができることが分かる。
但し、プラズマの温度が９００℃を超えると、プラズマによって母材が損傷されるため、母材の表面におけるプラズマの温度は９００℃以下であることが好ましい。
図６、７は、３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて１秒間プラズマを照射したとき（上記表１の発明例２）のＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。照射前のＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイル（図１、２参照）と大きな差異はないが、表面におけるＭｎ及びＡｌ酸化物の量が減少したことが確認できる。
具体的には、図６を参照すると、図１よりもＭｎ１とＡｌ２の振幅が減少したが、Ｆｅ３の振幅が成長したため、大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて１秒間プラズマを照射したとき、Ｍｎ／Ａｌ系酸化物が減少し、その代わりにＦｅが表面に露出したことが確認できる。
また、深さプロファイルである図７と２を対比すると、大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて１秒間プラズマを照射したとき、スパッタ時間の初期（表面）のＭｎ１とＡｌ２の分率が減少したことから、母材の表面のＭｎ／Ａｌ系酸化物が減少したことが分かる。即ち、Ｆｅ分率と比べてＭｎ／Ａｌの分率が相対的に減少したことから、母材の表面のＭｎ／Ａｌ系酸化物が減少したことが分かる。
なお、本発明の表面分析及び深さプロファイルでは２０μｍ×２０μｍの試片を分析した。深さプロファイルにおけるスパッタ率は０〜１５分では１．５ｎｍ／分であり、１５〜３０分では４．５ｎｍ／分であり、本発明はすべての表面分析及び深さプロファイルにおいて同一である。
また、図８は、３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置で母材と３ｍｍの距離をおいて２０秒間プラズマを照射したとき（上記表１の発明例３）のＴＷＩＰ鋼の深さプロファイルを示したグラフである。図８のグラフを参照すると、上記図７と比べてＭｎ／Ａｌ系酸化物が減少したことが確認できる。
即ち、図８と図２を比較すると、Ｍｎ／Ａｌ系酸化物が減少したことが明確に分かる。図８から分かるように、表面におけるＡｌ酸化物とＭｎ酸化物が大きく減少した。これに対し、表面におけるＦｅの分率は大きく上昇した（図２の場合はＦｅが表面にほぼなく、図８の場合はＦｅが１５％以上ある）。これは、プラズマの照射によって、Ｍｎ／Ａｌ系酸化物が蒸発して表面から除去されて内部のＦｅが露出したためである。
本発明では、プラズマ照射時に炭化を防ぐために、プラズマ発生器のフィーディングガスとして窒素ガスを用いた。また、別途の雰囲気を造成せず、大気雰囲気で実験を行った。
プラズマとプラズマアークを用いたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の除去
本実験では、プラズマを生成する過程でノズルの周囲にプラズマアークが発生した。一般に、プラズマアークは、母材の表面に損傷を与え、プラズマノズルの周囲のみに生成されるため、プラズマ発生器に非常に隣接した場合のみにプラズマアークを照射することができ、通常、プラズマと共に用いられない。
高強度鋼の表面のＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物は表面に島状又は網状に形成され、これは、酸化物層が母材の表面と比べて相対的に高い位置にあることを意味する。プラズマアークは稲妻のように高い位置に供給されるため、このような点を考慮してプラズマアークエネルギーをＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の除去に用いた。
また、実験したプラズマ発生装置（出力：３５０Ｗ）の場合、プラズマアークはプラズマノズルの周囲のみに生成されるため、母材を陰極接地させることにより、イオンを加速させてイオン衝撃効果を極大化させる上、プラズマアークを母材の表面に引き下げる。
図９にはプラズマを照射するための表面処理装置が示されており、図１０にはプラズマと共にプラズマアークを照射するための表面処理装置が示されている。
図９から分かるように、プラズマアークＡは、一般のプラズマ発生器２０から、プラズマ照射距離と比べて短い距離ｌ１で照射される。しかしながら、図１０では、母材Ｓを陰極３０に接地することにより、プラズマＰが加速すると共に、プラズマアークが照射される距離ｌ２が増大する。
この際、プラズマ発生器２０のフィーディングガスとしては、母材の表面における酸化を防ぐために、窒素ガスを用いた。
図１１、１２は、３５０Ｗ大気圧プラズマ照射装置でプラズマとアークを共に１０秒間照射したときのＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。
図１１、１２の結果を照射前のＴＷＩＰ鋼の表面分析結果である図１、２と対比すると、１０秒間照射することにより、Ｍｎは約６６％程度減少し、Ａｌは約９０％程度減少したことが確認できる。また、図１２では、表面におけるＭｎとＡｌの原子分率が大幅減少し、Ｆｅの原子分率が増大したことが確認できる。
これは、上記プラズマのみを２０秒間照射したときの結果と類似した水準であり、プラズマとプラズマアークを共に用いる場合に照射時間を大幅減少させることができることが分かる。これは、プラズマとプラズマアークを共に照射する場合、短時間の照射のみでも十分なＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の除去が可能であるため、連続工程中のストリップにプラズマとプラズマアークを共に照射する装置を設置して亜鉛メッキまで連続的に行われることができることを意味する。具体的な亜鉛メッキ工程については後述する。
図１１、１２と同様に、ＴＲＩＰにプラズマと共にプラズマアークを照射した結果が図１３、１４に示されている。
図１３、１４の結果を照射前のＴＲＩＰ鋼の表面分析結果である図３、４と対比すると、プラズマとプラズマアークを共に１０秒間照射することにより、Ｓｉ、Ｍｎはグラフから確認できないほどに減少したことが確認できる。また、図１４では、表面におけるＭｎとＳｉの原子分率が大幅減少し、Ｆｅの原子分率が増大したことが分かる。また、Ｆｅが表面に露出することにより、照射後のＴＲＩＰ鋼のメッキ性が増大した。
母材を陰極に接地するために、母材を直接接地することも可能であるが、母材を支持する支持部を導電性部材で構成して支持部を接地する方式を用いるのがより好ましい。このように支持部が接地されることにより、母材の移動又は配置が自由になることができる。
レーザーを用いたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物の除去
本発明では、Ｓｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物を除去するために、母材にレーザーを照射した。図１５には、本発明によるレーザー照射装置を含む表面処理装置が示されている。
図１５に示されているように、表面処理装置では、レーザー発生器１０を支持部２５の母材Ｓの上側に配置した後、母材の表面にレーザーを照射し、レーザー発生器１０を移動しながら母材の表面の所定面積に対して一定の速度でレーザーＬを照射した。レーザーが照射された後、照射された試片の表面を分析し、亜鉛メッキを行った。
下記表２及び図１６、１７に実験結果を示した。
Figure 2014506300
レーザーとしてはＮｄ ＹＡＧ １０６４ｎｍパルスレーザー（Ｐｕｌｓｅ）とＣＷレーザー（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖe ｌａｓｅｒ）を交互に用いて実験し、出力及び照射速度を異ならせて実験を行った。
上記表２において、レーザー照射後のメッキ品質の改善の有無は、レーザー照射前と対比して、レーザーを照射した試片を亜鉛メッキしたときに亜鉛メッキ品質が改善されたか否かを意味し、「○」は顕著に改善されたことを、「×」は改善されなかったことを意味する。
表２からは、衝撃量を与えてＦｅ酸化物の除去に用いられるパルスレーザーでは、出力が高くて照射速度が遅い場合に酸化物を除去し、ＣＷレーザーでは、出力が低くて照射速度が速い場合にもメッキ性が改善されたことが確認できた。
したがって、高出力の１０６４ｎｍ Ｎｄ ＹＡＧパルスレーザーと１０６４ｎｍ Ｎｄ ＹＡＧ ＣＷレーザーでＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ酸化物を除去することができることが確認できる。
特に、同一の出力のレーザーを用いた場合、パルスレーザー（比較例２）と比べ、ＣＷレーザー（発明例５）を用いたときのメッキ性が顕著に改善された。したがって、ＣＷレーザーを用いることがＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ酸化物の除去に有利である。
また、ＣＷレーザーの場合、レーザービームとしてレーザーを照射することができるため、広幅を一回に照射することができるという長所がある。したがって、ＣＷレーザーを用いて連続工程中のストリップに表面処理を施すことができる。
図１６、１７は、２５ＷのＣＷレーザーでＴＷＩＰ鋼の表面を照射した後のＴＷＩＰ鋼の表面分析及び深さプロファイルを示したグラフである。
図１６、１７の結果を照射前のＴＷＩＰ鋼の表面分析結果である図１、２と対比すると、Ａｌ酸化物層は表面からほぼ除去され、Ｍｎも大幅減少したことが確認できる（図１６参照）。また、図１７からは、照射前に５％の水準にとどまった原子分率が１０％を超え、これにより、ＣＷレーザーの照射によりＴＷＩＰ鋼の表面にＦｅ層が露出することが確認できる。
図１８には、レーザーを常温大気中で照射したときの鋼板の表面が示されている。図１８からは、レーザーを大気雰囲気で照射すると、炭化によって鋼板の表面に炭化層が発生し、これは、以後の亜鉛メッキ時のメッキ性能に悪影響を及ぼすことが分かる。
図１９には、レーザーを窒素雰囲気で照射したときの鋼板の表面が示されている。図１９からは、レーザーを窒素雰囲気で照射したとき、炭化が発生せず、滑らかな表面を示したため、亜鉛メッキに有利であることが分かる。
また、レーザーのスポットサイズが１ｍｍ以下であるか又はレーザービームの幅が１ｍｍ以下であることが好ましい。同一の雰囲気、即ち、大気雰囲気でレーザーのスポットサイズを異ならせて鋼板に照射したとき、１ｍｍ以下のレーザーのスポットサイズでは、大気雰囲気であるにもかかわらず炭化が発生しなかった。したがって、窒素雰囲気でなくても、スポットサイズが１ｍｍ以下の場合は炭化を防ぐことができると考えられる。
また、レーザーの波長を１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍに異ならせて実験したところ、１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍのいずれでもＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ酸化物を除去することが確認できた。しかしながら、エネルギー効率の面において、レーザー波長は１０６４ｎｍであることが好ましい。
亜鉛メッキ工程への適用
図２０には、従来の亜鉛メッキ工程が示されている。
冷間圧延されたコイルの鋼板１００はペイオフリール（図示せず）と溶接器（図示せず）によって連続通板され、残留応力を除去するように最高温度７００℃〜８００℃まで上がる焼鈍設備１１０で熱処理され、加熱された鋼板１００は亜鉛メッキに適した温度に維持される状態で、メッキ液、即ち、溶融亜鉛１３０ａが充填されたメッキ槽１３０に引き込まれる。
この際、焼鈍設備１１０と亜鉛メッキ設備のメッキ槽１３０の間に連結される設備は、高温で熱処理された鋼板が大気に露出することによる表面酸化を防止するために提供されるスナウト１２０（ｓｎｏｕｔ）である。このような公知のスナウト１２０の内部には、表面酸化による鋼板のメッキ不良を防止するために、不活性ガスが充填される。
そして、加熱炉１１０、スナウト１２０及び、メッキ槽１３０のシンクロール１３２とスタビライジングロール１３４を通過したメッキ鋼板１００は、メッキ槽の直上部に配置されるエアナイフ１４０でユーザーの所望のメッキ量に調整される。
その後、メッキ量の調整作業が終わったメッキ鋼板は、調質圧延機（図示せず）を経て適正な表面粗度が付与され形状が矯正されて切断機（図示せず）で切断された後、テンションリール（図示せず）で巻取されて最終のメッキコイル製品として生産される。
Ｓｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化被膜は焼鈍過程で熱処理されて高強度鋼の表面に形成され、図２１には焼鈍設備と亜鉛メッキ設備の間の上記スナウトに表面処理装置を配置した本発明の高強度鋼用亜鉛メッキ工程が示されている。本発明の亜鉛メッキ工程では表面処理装置がスナウトに配置されるため、従来の設備のうちスナウトのみを変更するだけで活用度高く適用されることができる。
高強度鋼（例えば、ＴＷＩＰ、ＴＲＩＰ）コイルの鋼板２００はペイオフリール（図示せず）と溶接器（図示せず）を通して連続通板され、焼鈍設備２１０で熱処理されてＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化被膜が形成され、酸化被膜が形成された鋼板２００はスナウト２２０の内部に配置された表面処理設備を経た後、亜鉛メッキ設備の溶融亜鉛２３０ａが充填されたメッキ槽２３０に引き込まれる。
表面処理設備３００は、連続的に供給される鋼板２００の表面を連続的に表面処理しなければならないため、短時間で高強度鋼板の表面に形成されたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化被膜を除去するようにプラズマ発生装置３１０、３１１とレーザー発生装置３２０、３２１が両面にそれぞれ配置される。レーザー光を照射するレーザー発生装置３２０、３２１の間にはウィンドウ３２２、３２３が設置され、プラズマ発生装置３１０、３１１にはフィーディングガスを供給するポンプ３３６が連結される。
ＴＲＩＰ鋼の場合、Ｍｎ／Ａｌ酸化被膜の厚さが１５０〜２００ｎｍ程度のＴＷＩＰ鋼とは異なり、Ｓｉ／Ｍｎ酸化被膜の厚さが５０ｎｍ以下であるため、鋼種と酸化物の程度によってレーザー発生装置３２０、３２１が装着されなくても良い。
表面処理設備３００の両側にシーリングロール３４２及びこれを固定する遮断部３４０が形成されることにより、表面処理設備３００の内側と外側の空間を分離し、メッキ槽２３０から上がる亜鉛蒸気及び異物の流入を遮断する。
表面処理設備３００の外壁には窒素ガス連通口３３０が形成され、窒素ガス連通口３３０にはポンプ３３２及び窒素ガス貯蔵部３３３が連結される。ポンプ３３２は、窒素ガス貯蔵部３３３からの窒素を表面処理設備３００の内部に供給することにより、初期に窒素雰囲気を形成するようにすることができる。
一方、遮断部３４０又は表面処理設備３００の外壁には内部の窒素ガスを吸入する吸入口３３５が形成され、この吸入口３３５は窒素ガス連通口から供給される窒素が高温の鋼板２００によって加熱された高温の窒素ガスを吸入する。吸入口３３５にポンプ３３６が連結されることにより窒素ガスを吸入することができ、吸入された窒素ガスがプラズマ発生装置３１０、３１１のフィーディングガスとして供給されるか外部に吐出されることができる。
また、吸入されたガスは、鋼板２００の表面から蒸発されたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化物ガスを含んでいるため、集塵を経た後にプラズマ発生装置３１０、３１１に供給される。必要に応じて、吸入されたガスが処理設備に送られ、プラズマ発生装置に窒素ガス貯蔵部３３３からの窒素ガスが供給されることができる。
吸入口３３５に連結されたポンプ３３６はプラズマ発生装置３１０、３１１に高温の窒素ガスを供給するため、プラズマ発生装置３１０、３１１は常温の窒素ガスをフィーディングガスとして供給したときよりも高エネルギーのプラズマを照射することができる。したがって、低出力のプラズマ発生装置から高出力のプラズマ発生装置の性能が得られる。
吸入口３３５は、プラズマ発生装置３１０、３１１のフィーディングガスを供給すると共に、表面処理設備３００の内部の圧力を大気圧より低く維持する役割を行うことができる。表面処理設備３００の内部の圧力が大気圧より低く維持されることにより、プラズマ発生装置３１０、３１１のプラズマ照射距離及びプラズマアーク照射距離が増大し、鋼板２００の揺れによってプラズマ発生装置３１０、３１１と鋼板２００が衝突又は摩擦することを防止する。
また、表面処理設備３００の内部に内部圧力を測定するセンサー３６０が配置されることにより、内部圧力を実時間で測定して内部圧力値を制御部３９０に提供する。
制御部３９０は、上記プラズマ発生装置３１０、３１１、レーザー発生装置３２０、３２１、ポンプ３３２、３３６及びセンサー３６０に連結されており、センサー３６０及び鋼種についての入力情報及びユーザーの操作により、各プラズマ発生装置３１０、３１１、レーザー発生装置３２０、３２１、ポンプ３３２、３３６を制御する。
また、シーリングロール３４２は帯電性素材で製作され、シーリングロール３４２のロール軸３４１に接地端子３４３を装着し（図２２参照）、接地端子を陰極に接地させる。これにより、シーリングロール３４０及びシーリングロール３４０に接して表面処理設備３００に入る鋼板２００は陰極接地される。
鋼板２００が陰極接地されない場合、プラズマ発生装置３１０、３１１から照射されるプラズマアークの距離は、接地される場合と比べて相対的に短くなる。したがって、鋼板２００の表面にプラズマアークを照射するためには、鋼板２００とプラズマ発生装置３１０、３１１の距離が相対的に短く維持されなければならないが、移送中の鋼板２００に揺れが発生すると、鋼板２００とプラズマ発生装置３１０、３１１との物理的な摩擦又は衝突を避けることができないため、プラズマアークを鋼板に照射することが困難になる。
本発明の実施例では、シーリングロール３４０を接地ロールとして用いたが、表面処理設備の内部に鋼板２００に接触するロールを備え、そのロールのロール軸に接地端子を装着して鋼板を接地させても良い。
本表面処理設備３００において、プラズマ発生装置３１０、３１１は、鋼板に照射されるプラズマの温度が２００〜９００℃であり、プラズマアークが共に照射されるように鋼板から離隔して配置される。鋼板２００は陰極に接地されているため、プラズマ発生装置３１０、３１１からプラズマアークがプラズマと共に鋼板に照射されることができる。したがって、鋼板２００の表面に形成された酸化被膜が速やかに除去されることができる。
プラズマ発生装置３１０、３１１は、鋼板の幅全体にプラズマとプラズマアークを一回で照射するように鋼板の幅に沿って複数個が連結されて配置されることが好ましい。
また、本発明において、レーザー発生装置３２０、３２１は、鋼板２００の幅方向に平行なレーザービームを照射する。この際、レーザービームは、鋼板の表面に形成された酸化被膜を速やかに除去するように１０６４ｎｍ Ｎｄ‐ＹＡＧ ＣＷレーザーで照射される。また、炭化を防止するために、レーザービームの幅は１ｍｍ以下であることが好ましい。
また、本発明では、レーザー発生装置３２０、３２１におけるレーザーが照射される部分とプラズマ発生装置３１０、３１１におけるプラズマが発生する部分を整列して配置する。したがって、レーザービーム及びプラズマ、プラズマアークが鋼板２００の特定地点の酸化被膜に照射されることにより、速やかに通過する鋼板の表面に形成された酸化被膜を連続的に除去することが可能となる。
本発明では、表面処理設備３００の内部が８００℃以下に維持されることが好ましい。これは、焼鈍設備において最高温度である８００℃以上に維持する場合は更なる加熱装置が必要とされるためである。また、本発明では、表面処理設備３００の内部が２００℃以上の温度に維持されることが好ましい。これは、亜鉛槽２３０に引き込まれる鋼板２００の温度を４６０℃程度にしなければならず、表面処理設備３００の内部の温度が低い場合は更なる昇温装置を用いて亜鉛槽２３０に引き込まれる鋼板２００の温度を昇温させなければならないためである。
本発明の亜鉛メッキ工程の手順は、下記の通りである。
まず、コイルから巻き出された鋼板２００は、焼鈍設備２１０を通過した後、表面処理設備３００に流入する。鋼板２００は、表面処理設備３００の内外を分離するシーリングロール３４２を通過しながらシーリングロール３４２によって陰極に接地される。表面処理設備３００の内部は、吸入口３３５と窒素ガス連通口３３０及びセンサー３６０によるフィードバック制御により低圧（大気圧以下）の窒素雰囲気に維持される。
低圧の窒素雰囲気で鋼板２００の両面にレーザービーム及びプラズマ、プラズマアークが共に照射される。これにより、焼鈍設備２１０で鋼板２００の表面に形成されていたＳｉ／Ｍｎ／Ａｌ系酸化被膜が除去され、鋼板２００の表面が亜鉛メッキ可能状態となってシーリングロール３４２を経て表面処理設備３００を抜け出る。
その後、表面処理設備３００を通過した鋼板２００はメッキ槽２３０に引き込まれ、メッキ槽２３０のシンクロール２３２とスタビライジングロール２３４を通過したメッキ鋼板２００はメッキ槽の直上部に配置されるエアナイフ２４０でユーザーの所望のメッキ量に調整される。
次いで、メッキ量調整作業が終わったメッキ鋼板は、調質圧延機（図示せず）を経て適正な表面粗度が付与され形状が矯正されて切断機（図示せず）で切断された後、テンションリール（図示せず）で巻取されて最終のメッキコイル製品として生産される。
２００ 鋼板
２１０ 焼鈍設備
２２０ スナウト
２３０ メッキ槽
２４０ エアナイフ
３００ 表面処理設備
３１０、３１１ プラズマ発生装置
３２０、３２１ レーザー発生装置
３３０ 窒素ガス連通口
３４０ 遮断部
３４２ シーリングロール
３６０ センサー
３９０ 制御部

Claims (15)

  1. 高強度鋼を加熱する加熱段階と、
    前記加熱段階で形成された前記高強度鋼の表面に形成されたＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物及びＳｉ系酸化物のうち一つ以上を除去するようにプラズマを照射する表面処理段階と、
    前記表面処理された高強度鋼をメッキするメッキ段階と、
    を含む、メッキ方法。
  2. 前記表面処理段階において、前記プラズマを高強度鋼の表面に２００〜９００℃の温度で照射する、請求項１に記載のメッキ方法。
  3. 前記表面処理段階において、前記プラズマを２００〜８００℃の窒素雰囲気で照射し、
    前記雰囲気ガスをプラズマのフィーディングガスとして供給する、請求項１に記載のメッキ方法。
  4. 前記表面処理段階において、前記高強度鋼を陰極に帯電させた後、前記プラズマと共にプラズマアークを前記高強度鋼の表面に照射する、請求項１に記載のメッキ方法。
  5. 前記表面処理段階は、外部と遮断されたチャンバーで行われ、
    前記プラズマの照射距離を増大させるように前記チャンバーの内部のガスを吸入してチャンバーの内部の圧力を低くした後にプラズマを照射する、請求項３に記載のメッキ方法。
  6. 前記表面処理段階は、プラズマを照射すると共に前記酸化被膜を除去するように前記高強度鋼に１０６４ｎｍ以下の波長を有するＣＷレーザーを照射する、請求項４に記載の表面処理方法。
  7. 前記レーザーは、１ｍｍ以下のスポットサイズを有するレーザー又は１ｍｍ以下の幅を有するレーザービームである、請求項６に記載のメッキ方法。
  8. 前記表面処理段階は、前記レーザーを前記プラズマと同一の地点に照射する、請求項７に記載のメッキ方法。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のメッキ方法により亜鉛メッキされる、ＴＷＩＰ又はＴＲＩＰ鋼。
  10. 焼鈍設備と、
    焼鈍中に鋼板の表面に生成されたＭｎ系酸化物、Ａｌ系酸化物及びＳｉ系酸化物のうち一つ以上を除去するように焼鈍設備の後方に設置され、内部に２００〜８００℃の窒素雰囲気が形成された雰囲気チャンバーと、前記酸化被膜を除去し、プラズマを鋼板に照射するように前記雰囲気チャンバーの内部に配置されたプラズマ発生装置と、を含む表面処理設備と、
    前記表面処理設備を通過した鋼板を亜鉛メッキするメッキ設備と、
    を含む、亜鉛メッキ工程。
  11. 前記雰囲気チャンバーには雰囲気ガス吸入部が備えられ、
    前記プラズマ発生装置のフィーディングガスとして前記雰囲気ガスを用いるように前記雰囲気ガス吸入部は前記プラズマ発生装置のフィーディングガス供給部と連結される、請求項１０に記載の亜鉛メッキ工程。
  12. 前記鋼板の出入りを許容し且つ前記雰囲気チャンバーを密封する遮断部を含み、
    前記雰囲気チャンバーには雰囲気ガス吸入部、雰囲気ガスを供給する連通口及び内部圧力を測定する圧力センサーが備えられ、雰囲気チャンバーの内部圧力を大気圧より低く維持させる、請求項１０に記載の亜鉛メッキ工程。
  13. 前記遮断部はシーリングロールを含み、
    前記シーリングロールとシーリングロールの回転軸は導電性材質で形成され、前記回転軸が陰極に接地されて前記雰囲気チャンバーの内部を通過する鋼板を陰極に接地し、
    前記プラズマ発生装置はプラズマと共にプラズマアークを照射するように鋼板から離隔される、請求項１２に記載の亜鉛メッキ工程。
  14. 前記プラズマ発生装置の前方又は後方に位置し、前記鋼板の表面にレーザーを照射するレーザー発生装置をさらに含み、
    前記レーザー発生装置は１０６４ｎｍ以下の波長を有するＣＷレーザービーム照射装置である、請求項１３に記載の亜鉛メッキ工程。
  15. 前記表面処理設備は、前記焼鈍設備と前記メッキ設備の間のスナウトの内部に配置される、請求項１４に記載の亜鉛メッキ工程。
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