JP2019531413A - 低い液相線温度を有する改変された溶融亜鉛めっき被膜、その製造方法及び使用方法 - Google Patents

低い液相線温度を有する改変された溶融亜鉛めっき被膜、その製造方法及び使用方法 Download PDF

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Abstract

本発明は被覆された基材材料に関する。基材は合金鋼であることができ、合金鋼内のミクロ組織は低温被覆プロセスで変更することができる。本発明はまた、低温で基材を被覆する方法にも関する。本発明はまた、被膜であって、被膜の溶融温度が、ドーパントにより、ドーパントがない場合の溶融温度と比較して低下している、被膜にも関する。本発明はまた、ドーパントを含む被膜を作製する方法にも関する。【選択図】図１８

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、２０１６年８月８日に出願された米国仮特許出願第６２／３７２，１９３号の優先権を主張し、その利益を得るものであり、その出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、様々な用途において基材応答性（substrate response）を高めるための低めの液相線温度の被膜、並びにその作製方法及び使用方法に関わる。
亜鉛被膜は、防食を提供するために、バッチ処理及び連続処理の両方で鋼及び合金鋼に施される。電気めっきが使用されることもあるが、鋼基材を溶融金属浴中に浸漬することで、金属被膜の溶融温度により制御される熱履歴に鋼基材を曝露することによって被膜を適用することの方が多い。これらの熱履歴は、基材の製錬法に影響を与え、時には製品特性に有害な影響を及ぼし、例えば基材材料の炭素時効（carbon aging）を起こすことがある。更に、高温浴を必要とする亜鉛被膜は、マルテンサイト又はベイナイトの実質的な形成を阻害するため、これらのミクロ組織をその形成が可能である鋼に形成させるための追加の処理が必要となる。
場合によって、より低い浴温度が、特性を高めるための処理を可能にすることがある。本発明は、溶融めっき処理のための焼き入れ（quench）及びパーティショニング（partitioning）を高める。亜鉛浴内の焼き入れ（quenching）は、亜鉛の融点より低いクエンチ温度が必要とされるので困難である。より低い浴温度は、焼き入れ温度を制御するための資本の修正の必要性を排除することができ、またパーティショニングの異なる制御も可能になる可能性がある。
より低い浴温度はまた、より低い温度でのオーステンパー処理も可能にし得る。したがって、本発明の１つの態様は、鋼に対して以前に想定され、現在利用可能なものより低い融点を有する合金コーティングである。
より低い浴温度は、炭素時効に起因する望ましくない効果を弱めることができ、薄鋼板（sheet steel）、高強度亜鉛めっき線、及びその他の鋼を含む数多くの用途において特性を高められる可能性がある。もう１つ別の方法、バッチアニーリングした低炭素鋼を亜鉛めっきで被覆するための加熱は、耐時効性ＩＦ（interstitial free）鋼のインラインアニーリングされた連続コーティングにより置き換えられた。より低融点の合金は、コストを低減するためにそのような用途のための代わりのグレード及び処理を可能にすることができる。
複合組織薄鋼板は、通常亜鉛浴後マルテンサイトへの変態を起こす。また、浴温度は、関連する軟化のために効果的なマルテンサイト焼き戻しには高過ぎる。溶融温度の低下は、強度を過度に損なうことなく延性を高めるためのマルテンサイト焼き戻しの制御を可能にすることができる。
通例、被膜の液相線温度は、亜鉛の溶融温度（即ち４１９．５℃）より高い。（マルテンサイト又はベイナイトのような）ミクロ組織を形成するための焼き入れ温度は、個々の鋼に依存するが、マルテンサイトミクロ組織、又は従来の溶融亜鉛めっきで達成されるものより微細なベイナイトミクロ組織を形成するためには、鋼を典型的には、約４１９℃より低い低温で焼き入れしなければならない。したがって、被膜及びミクロ組織の変化を必要とする鋼は、適切な被覆鋼を達成するのに複数の工程を必要とするであろう。
本発明は、焼き入れに付される鋼が、同一の工程で基材を被覆しながらミクロ組織を形成するか、又は被覆しながら（より低い温度に起因して）より微細なミクロ組織を形成することを可能にする。本発明は、焼き入れ及び被覆工程が同時に起こることが可能であるように、約４１９℃より低い液相線温度を有する被膜を使用する。焼き入れ温度は、合金鋼のミクロ組織に影響を及ぼす。焼き入れ（オーステンパー処理）温度は、マルテンサイト（ベイナイト）のような特定のミクロ組織、又はマルテンサイトとベイナイトの組合せを形成するように選択することができる。被覆プロセスがミクロ組織を形成すると共に液体状態の被膜材料で基材を被覆するべく熱処理として機能するためには、本発明にとって重大な焼き入れ温度が被膜の液相線温度より高くなければならない。
本発明の１つの態様は、合金材料である。この合金材料は、被膜又は温度降下剤を含む。被膜又は温度降下剤は、金属材料及び温度降下剤を含む。温度降下剤は、Ｓｎ、Ｌｉ、Ｇａ及び／又はＩｎを含むことができる。合金材料は、広い適用性を有し、二、三の例を挙げると、被膜として、溶接において、耐食性のために、又は表面品質を維持するために使用することができる。
本発明の１つの態様は、新しい被膜組成物である。被膜は、亜鉛基合金及び、ドーパントであることができる第２の材料を含むことができる。
本発明の１つの態様は、亜鉛めっきプロセスで通例使用されるよりも低い温度でのコーティングの使用である。言い換えると、より低い液相線温度を有する被膜の使用である。
本発明の１つの態様は、金属材料の液相線温度を低下させる方法である。この方法は、金属材料を準備し、次いで金属材料を亜鉛基合金材料及びドーパントで被覆することを含む。
本発明の１つの態様は、金属材料を低温で被覆する方法である。この方法は、金属材料を準備し、次いで金属材料を亜鉛基合金被膜で被覆することを含む。亜鉛基合金材料は、ドーピング材料を含み、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料の液相線温度はドーピング材料を含まない亜鉛基合金材料の液相線温度より低い。
本発明の１つの態様は、被覆された基材合金である。被覆された基材合金は、亜鉛基合金被膜で被覆された金属材料を含む。亜鉛基合金被膜は、金属合金材料、及び少なくとも１つのドーパントを含む。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約４１９℃より低い。
本発明の１つの態様は、二元亜鉛合金である。二元亜鉛合金は、亜鉛及び第２の材料を含む。第２の材料の質量分率は多くても約７０％であり、亜鉛の質量分率は少なくとも約３０％である。
本発明の１つの態様は、亜鉛めっきするための亜鉛基合金被膜の液相線温度を低下させる方法である。この方法は、亜鉛基合金をドーパントと組み合わせることを含む。ドーパントは、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、ガリウム、インジウム、スズ、鉛、リチウム、カリウム又はこれらの組合せからなる群から選択される。
本発明の１つの態様は、被覆鋼部品を製造する方法である。この方法は液体被膜であって、被膜の液相線温度が鋼内に代わりのミクロ組織を形成するのに必要とされる焼き入れ温度より低い液体被膜を準備することを含む。この代わりのミクロ組織は鋼のマルテンサイト焼き戻し、ベイナイト焼き戻し、又は炭素時効の少なくとも１つの変化である。鋼は被膜で被覆され、被覆中に代わりのミクロ組織が鋼内に形成される。
本発明の１つの態様は、被覆鋼である。被覆鋼は、鋼基材を含む。鋼基材は、鋼基材内の第１のミクロ組織を変更することにより形成された代わりのミクロ組織を含む。代わりのミクロ組織は被覆プロセス中に形成される。被覆鋼はまた、鋼基材の少なくとも一部分上に被膜を含む。
Thermo-Calc Softwareを使用して作成された異なるモル分率における亜鉛−アルミニウム−マグネシウム系の三元グラフを示す図である。 図１との比較のために文献からのＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の三元グラフを提供する。 モル分率でのＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相線投影を示す図である。 質量分率でのＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相線投影を示す図である。 Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相面を示す図である。 約６３０ＫにおけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系に対する液体点を示す図である。 約６２０ＫにおけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系に対する液体点を示す図である。 約６１８ＫにおけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系に対する液体点を示す図である。 Ａｌ及びＭｇの質量分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＳｎに対する相図を示す図である。 Ａｌ及びＭｇの質量分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＢｉに対する相図を示す図である。 Ａｌ及びＭｇの質量分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＧａに対する相図を示す図である。 Ａｌ及びＭｇの質量分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＩｎに対する相図を示す図である。 ４つのドーピング材料のパーセントでの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−４Ａｌ−ｘＭｇ−８Ｓｎにおけるマグネシウムの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−ｘＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎ系におけるアルミニウムの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎにおけるスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎ系におけるスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−ｘＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａ系に対するアルミニウムの質量分率が約０．５％〜約１０％の間であるときの液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−４Ａｌ−ｘＭｇ−１０Ｇａにおける質量分率が約１％〜約４％の間であるときの液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−３．５Ａｌ−ｘＭｇ−６Ｉｎにおける約１％〜約５％の間のマグネシウムの質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−ｘＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎにおける約１％〜約６％の間のアルミニウムの質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系における幾つかのドーパントの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 四元Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す図である。 スズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系におけるアルミニウム及びマグネシウムの様々な重量パーセントでのスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系におけるアルミニウム及びマグネシウムの様々な重量百分率でのスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系におけるアルミニウムの様々な重量百分率でのスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す図である。 図２０〜２３の様々な条件に対する低い液相線温度の分布を示す図である。 Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系におけるスズの様々な質量分率、並びにアルミニウム及びマグネシウムの様々な組成に対する液体温度を示す図である。 文献からの、４５０〜４８０℃の範囲にわたるＺｎ浴温度の関数としての、幾つかの溶融亜鉛めっき被膜の耐食性を示す図である。 文献からの、４つの異なる天然環境、即ち田舎、海洋、工業及び厳しい海洋における亜鉛めっき被膜の平均の腐食損失をまとめて示す図である。
本発明は、従来の亜鉛基被膜より低い温度で基材に適用することができる亜鉛基合金被膜に関する。本発明はまた、亜鉛基合金被膜を作製する方法、及びその被膜を使用する方法にも関する。
本発明は、一定の合金化量の四元系Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘ（ここで、ｘは液相線温度を低下させるために添加される物質である）を使用して例証された。しかし、本発明から逸脱することなく各物質の量を変えることが可能である。
本発明の各態様及び実施形態において、亜鉛基合金被膜及び亜鉛基合金は本発明から逸脱することなく付随する物質又は不純物を含むことができる。
定義
「液相線温度」は、合金が完全に液体である最低温度である。合金は、この温度より低いと固体になり始める。本発明は、液相線温度より高い温度を使用することができるが、ミクロ組織の形成のような利点は、所与の被膜に対して可能な最低の液相線温度を利用することによって達成することができる。
「共晶温度」は、二元共晶混合物が融解／固化する個々の低融点の温度である。共晶温度は、関与する成分の全ての混合比で可能な最低の溶融温度である。
「溶融温度」は、融解が始まる温度を表す。
被膜は、ある「作動温度」で付けることができ、この温度は、基材をコーティング浴中に浸漬した後でさえも被膜が液体のままであるように液相線温度より高い温度であることができる。作動温度は、液相線温度より約５０度まで高い温度であることができる（例えば、液相線温度が約１２３℃であれば、作動温度は、約１２３℃〜約１７３℃の間であることができる）。幾つかの実施形態において、作動温度は、被膜に対する液相線温度より約５度〜約４５度の間熱い温度であることができる。幾つかの実施形態において、作動温度は、液相線温度より約０°、約５°、約１０°、約１５°、約２０°、約２５°、約３０°、約３５°、約４０°、約４５°、又は約５０°だけ高い（即ち熱い）温度であることができる。作動温度は、基材を被覆しながら代わりのミクロ組織を形成するという点で本発明の成功にとって重大である。作動温度が低過ぎると、被膜は、液体形態のままで残らない（即ち基材を被覆することができない）。作動温度が熱過ぎると、代わりのミクロ組織を形成するための適正な焼き入れ温度にならない。したがって、作動温度を決定するときには、幾つかの要因を考慮しなければならない。また、作動温度は、特定の被膜及び特定の基材材料の両方を考慮して選択されることが明らかとなる。
「焼き入れ温度」は、個々の合金に対する、ミクロ組織が形成されるか又は変更される温度である。ミクロ組織は、例えば、マルテンサイト、ベイナイト、フェライト又はこれらの組合せであることができる。マルテンサイトは冷却するとすぐに形成するが、ベイナイトは時間と共に生じる。焼き入れ温度及びその後の被覆プロセスはまた、ベイナイトが形成することができる「オーステンパー処理」温度にも関連する。焼き入れ温度は、個々の被膜の液相線温度より高く、基材の焼き入れ温度への曝露の結果少なくとも１つの焼き入れされたミクロ組織の形成、及び鋼の被覆の両方が起こる。基材において代りの焼き入れされたミクロ組織が所望であれば、作動温度が焼き入れ温度であることができる。焼き入れ温度は、ミクロ組織を形成するのに必要とされる温度の＋／−約２０度であることができる。幾つかの実施形態において、焼き入れ温度は、ミクロ組織を形成するのに必要とされる温度から約１°、約５°、約８°、約１０°、約１２°、約１５°、又は約２０°以内の温度であることができる。幾つかの実施形態において、焼き入れ温度は、ミクロ組織を形成するのに必要とされる温度の約５°〜約１０°以内であることができる。幾つかの実施形態において、基材は、ミクロ組織又は代わりのミクロ組織を形成するのに充分な時間焼き入れ温度に曝露することができる。幾つかの実施形態において、時間は、永続反応を始めるのに充分である。幾つかの実施形態において、基材は、部分が平衡温度に到達するのに充分な時間温度に曝露される。当業者には理解されるように、曝露時間は、反応により所望のミクロ組織又は代わりのミクロ組織が生じるのに必要とされる温度及び時間に依存する。幾つかの実施形態において、焼き入れ温度は、ミクロ組織が従来の亜鉛めっき法により必要とされる高い温度に付されることがないので、ミクロ組織に対する損傷を防ぐのに十分なほど充分に低い温度であることができる。
「代わりのミクロ組織」又は「代わりの焼き入れされたミクロ組織」は、フェライトを含有する鋼のミクロ組織を炭素時効する際の変化、例えば、マルテンサイトの焼き戻し若しくは形成、オーステンパー処理したベイナイトの改変、又はこれらの組合せに関連している。炭素時効及びマルテンサイト又はベイナイトミクロ組織への改変は各々、それぞれフェライト、マルテンサイト、又はベイナイトを含有する基材の焼き入れ温度に依存する。したがって、これらのミクロ組織の１つ以上を有する基材を所望のミクロ組織（即ち代わりのミクロ組織）に対応する１つ以上の焼き入れ温度に曝すことによってフェライト、マルテンサイト又はベイナイト内のミクロ組織を変更することができる。
本発明の１つの態様はある作動温度で金属材料を被覆する方法である。この方法は、金属材料を準備し、次いで金属材料を亜鉛基合金被膜で被覆することを含む。亜鉛基合金被膜は、亜鉛基合金材料及びドーピング材料を含む。この亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）の液相線温度は、ドーピング材料を含まない亜鉛基合金材料の液相線温度より低い。
ドーパントを含まない亜鉛基合金材料の溶融温度又は液相線温度は、不要な実験又は文献調査のいずれかによって決定することができる。例えば、純粋な亜鉛の溶融温度は、約４１９．５℃である。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の液相線温度は、約３４４．５℃であり、これは下記実施例３で説明するように、実験で、若しくはソフトウェアプログラムを使用して、又は文献を調査して作成した三元相図を用いて決定することができる。先に述べた物質は、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇである。この物質の液相線温度は、３４４．５℃である。個々の亜鉛基合金被膜の溶融温度及び液相線温度は、被膜の組成に依存する。
亜鉛基合金材料は、純粋な亜鉛、二元組成物、三元組成物、四元組成物、又は「ｎ元」組成物であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又は他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。幾つかの実施形態においては、ドーピング材料を亜鉛基材料と組み合わせて亜鉛基合金被膜を形成するが、これは三元、四元、又は「ｐ」元（ここで、「ｐ」は２〜「ｎ」＋２の間であることができる）材料であることができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す。実施例３は、ドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、適切な亜鉛基合金被膜（即ちドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）は、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度より低くなるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７であることができる。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜１０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントを使用するとき、幾つかの実施形態において、特定のドーパントに先行する係数の各々は、０〜４０の間、１〜２０の間、又は１〜１０の間であることができる。
亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約６０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。本発明の幾つかの実施形態において、ドーパントの質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。１種より多くのドーパントを亜鉛基合金被膜内に使用するとき、低下した温度の被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は、約０％〜約６０％の間であることができる。幾つかの実施形態において、追加のドーパントの合計質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。
得られた亜鉛基合金被膜は、亜鉛の溶融温度（即ち約４１９℃）より低い温度であることができる液相線温度を有することができる。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７５℃〜約４１９℃の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７９℃〜約３６５℃の間であることができる。
金属材料は、鋼又は合金鋼であることができる。適切な合金鋼材料は、限定されることはないが、薄鋼板（steel sheet）、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板（plate）、金物類（例えばファスナー）、及びこれらの組合せを含む。特に、本発明は、広範な種類の薄鋼板合金と共に使用することができる。
亜鉛基合金被膜は、浸漬又は噴霧することによって金属材料に付けることができる。亜鉛基合金被膜は、付けるのに先立って溶融温度又は液相線温度より高い作動温度に加熱して亜鉛基合金被膜を液化することができる。亜鉛基合金被膜は、例えばASTM A123/A123MのようなＡＳＴＭに記載の個々の用途に適した任意の厚さで付けることができる。幾つかの実施形態において、被膜の厚さは、約５ミクロン〜約２００ミクロンの間で適用することができる。
金属材料の表面は、被膜の基材への接着力を増大するために処理することができる。表面処理は、例えば、クリーニング、エッチング、機械的磨耗、又は化学エッチングを含むことができる。表面処理は、基材の表面積を増大することができる。
本発明の１つの態様は、被覆された基材合金である。被覆された基材合金は、亜鉛基合金被膜で被覆された金属材料を含む。亜鉛基合金被膜は、亜鉛基合金材料、及び少なくとも１種のドーパントを含む。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、４１９℃より低い。
基材は金属材料である。金属材料は、鋼又は合金鋼であることができる。適切な合金鋼材料は、限定されることはないが、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、金物類（例えばファスナー）を含む。特に、本発明は、広範な種類の薄鋼板合金と共に使用することができる。
ドーパントを含まない亜鉛基合金材料の溶融温度又は液相線温度は、不要な実験又は文献調査のいずれかにより決定することができる。例えば、純粋な亜鉛の溶融温度は、約４１９．５℃である。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の液相線温度は、約３４４．５℃であり、これは下記実施例３で説明するように、実験で、若しくはソフトウェアプログラムを使用して、又は文献を調査して作成された三元相図を用いて決定することができる。先に述べた材料は、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇである。この材料の液相線温度は、３４４．５℃である。個々の亜鉛基合金被膜の溶融温度及び液相線温度は、被膜の組成に依存する。
亜鉛基合金材料は、純粋な亜鉛、二元組成物、三元組成物、四元組成物、又は「ｎ元」組成物であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又は他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。幾つかの実施形態においては、ドーピング材料を亜鉛基材料と組み合わせて亜鉛基合金被膜を形成し、これは三元、四元、又は「ｐ」元（ここで、「ｐ」は２〜「ｎ」＋２の間であることができる）材料であることができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す。実施例３はドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、適切な亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）はＺｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度より低くなるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７であることができる。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜１０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントが使用されるとき、幾つかの実施形態において、具体的なドーパントに先行する各々の係数は、０〜４０の間、１〜２０の間、又は１〜１０の間であることができる。
亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約６０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。本発明の幾つかの実施形態において、ドーパントの質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。１種より多くのドーパントを亜鉛基合金被膜内に使用するとき、低下した温度の被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は、約０％〜約６０％の間であることができる。幾つかの実施形態において、追加のドーパントの合計質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。
得られた亜鉛基合金被膜は、亜鉛の溶融温度（即ち約４１９℃）未満であることができる液相線温度を有することができる。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７５℃〜約４１９℃の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７９℃〜約３６５℃の間であることができる。
亜鉛基合金被膜は、例えばASTM A123/A123MのようなＡＳＴＭに記載の個々の用途に適した任意の厚さで付けることができる。幾つかの実施形態において、被膜の厚さは、約５ミクロン〜約２００ミクロンの間で適用することができる。
被覆された基材合金は、有利には、従来通り高温（即ち４２０℃超）で被覆された基材と比較して（例えば引張試験により）炭素時効されない。被覆された基材合金はまた、従来通り被覆された基材と比較して改良された耐食性を有することもできる。本発明の被覆された基材の耐食性は、基材に対して充分な保護を提供することができる。
本発明の１つの態様は、二元亜鉛合金である。二元亜鉛合金は、亜鉛及び第２の材料を含む。第２の材料の質量分率は、最大で約７０％であり、亜鉛の質量分率は、少なくとも約３０％である。二元亜鉛合金は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。
第２の材料は、アルミニウム、マグネシウム又はスズであることができる。二元亜鉛合金の液相線温度は、約３９０℃未満であることができる。幾つかの実施形態において、二元亜鉛合金の液相線温度は、約３７５℃〜約３９０℃の間であることができる。
本発明の１つの態様は、亜鉛めっきのための亜鉛基合金被膜の液相線温度を低下させる方法である。この方法は、亜鉛基合金をドーパントと組み合わせることを含む。ドーパントは、アルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、ガリウム、インジウム、スズ、鉛、リチウム、カリウム又はこれらの組合せからなる群から選択される。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、亜鉛の溶融温度より低い。
亜鉛基合金材料は、純粋な亜鉛、二元組成物、三元組成物、四元組成物、又は「ｎ元」組成物であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又はその他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。幾つかの実施形態においては、ドーピング材料を亜鉛基材料と組み合わせて亜鉛基合金被膜を形成し、これは三元、四元、又は「ｐ」元（ここで、「ｐ」は２〜「ｎ」＋２の間であることができる）材料であることができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す。実施例３は、ドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、適切な亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）はＺｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度より低くなるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７である。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜１０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントが使用されるとき、幾つかの実施形態において、具体的なドーパントに先行する各々の係数は、０〜４０の間、１〜２０の間、又は１〜１０の間であることができる。
亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約６０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。本発明の幾つかの実施形態において、ドーパントの質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。１種より多くのドーパントを亜鉛基合金被膜内に使用するとき、低下した温度の被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は約０％〜約６０％の間であることができる。幾つかの実施形態において、追加のドーパントの合計質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。
ドーパントを含まない亜鉛基合金材料の溶融温度又は液相線温度は、不要な実験又は文献の調査のいずれかにより決定することができる。例えば、純粋な亜鉛の溶融温度は、約４１９．５℃である。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の液相線温度は、約３４４．５℃であり、これは下記実施例３で説明するように、実験で、若しくはソフトウェアプログラムを使用して、又は文献を調査して作成された三元相図を用いて決定することができる。先に述べた材料はＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇである。この材料の液相線温度は、３４４．５℃である。個々の亜鉛基合金被膜の溶融温度及び液相線温度は、被膜の組成に依存する。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約４２０℃未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛合金の液相線温度は、約２７９℃〜約４１９℃の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７９℃〜約３６５℃の間であることができる。
本発明の亜鉛めっき被膜の１つの利点は、合金鋼基材における炭素時効を防止又は低減することができることである。本発明の亜鉛基合金被膜の別の利点は、この新しい被膜材料の耐食性が、ドーパントを含まない従来の亜鉛合金材料より良好ではないとしても、同程度に良好であることができるということである。したがって、本発明の実施形態は、耐食性が従来の亜鉛被膜（即ち、例えば本発明のドーパントを含まない亜鉛被膜を含む、従来の亜鉛被膜）の耐食性より良好である、本発明の亜鉛基合金被膜を含む被覆された合金鋼基材に関する。もう１つ別の利点は、被覆された材料の（焼き入れ及びパーティショニングにおいて重大であるような）マルテンサイト形成及びオーステンパー処理がより低い温度で起こることができるということである。この温度は、約２７９℃〜約４１９℃の間であることができる。本発明のもう１つ別の利点は、マルテンサイト焼き戻しが制限又は制御されることである。マルテンサイトは冷却の際に形成する硬い相である。焼き戻しは、マルテンサイトを軟化して、その靭性又は成形性を増大する熱的処理である。（冷却工程をプロセスに組み入れるように設計し、次いで被覆する前に再加熱することにより、又はより低いコーティング浴温度を使用することにより）被覆前にマルテンサイトが形成される場合、焼き入れ温度はより低い焼き戻し温度を提供する。
本発明のもう１つ別の態様は、鋼基材内に代わりのミクロ組織を形成するための低温被覆プロセスである。従来技術の方法と比較して、コーティング浴への浸漬中のマルテンサイトへの変態がより低い浴温度で促進され、より低い（ベイナイトを形成する）オーステンパー処理温度が可能であり、高強度の形成可能なミクロ組織及び／又は代わりのミクロ組織の形成が可能になる。
被膜は、亜鉛の溶融温度（即ち約４１９℃）未満であることができる液相線温度を有することができる。被膜の液相線温度は、約２７５℃〜約４１９℃の間であることができる。幾つかの実施形態において、被膜の液相線温度は、約２７９℃〜約３６５℃の間であることができる。
幾つかの実施形態において、被膜は、亜鉛基材料であることができ、かつドーピング材料を含むことができ、これは三元、四元、又は「ｐ」元材料であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又はその他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。亜鉛基材料をドーパントと組み合わせて被膜を形成することができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するのに使用される三元状態図を示す。実施例３は、ドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、適切な亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）は、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度未満であるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７であることができる。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｘ」は１〜１０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントを使用するとき、幾つかの実施形態において、具体的なドーパントに先行する各々の係数は、０〜４０の間、１〜２０の間、又は１〜１０の間であることができる。
被膜内のアルミニウムの質量分率は、約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。被膜内のドーパントの質量分率は、約１２％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。１種より多くのドーパントを被膜内に使用するとき、被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は、約０％〜約３０％の間であることができる。
本発明のもう１つ別の態様は、従来のプロセスを使用して可能なミクロ組織ではなく代わりのミクロ組織を形成しながら鋼基材を被覆する方法である。例えば、従来のプロセス中に形成されるミクロ組織は、ベイナイトの形成、プロセスのその工程における未変態オーステナイトの保持、又は鋼内においてフェライト、パーライト若しくはマルテンサイトのような別のミクロ組織のいずれかをもたらすことができる。この方法は、合金鋼材料を準備し、その合金鋼材料を亜鉛基合金被膜で被覆することを含む。亜鉛基合金被膜を付ける作動温度は、少なくとも１種の代わりのミクロ組織を形成する合金鋼材料の焼き入れ温度である。代わりのミクロ組織は、鋼基材において従来のプロセス中に形成するミクロ組織とは異なる。
適切な合金鋼材料は、限定されることはないが、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、金物類（例えばファスナー）を含む。特に、本発明は、広範な種類の薄鋼板合金と共に使用することができる。
亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。亜鉛基合金材料は、純粋な亜鉛、二元組成物、三元組成物、四元組成物、又は「ｎ元」組成物であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又は他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。
幾つかの実施形態においては、ドーピング材料を亜鉛基材料と組み合わせて被膜を形成し、これは三元、四元、又は「ｐ」元（ここで、「ｐ」は２〜「ｎ」＋２の間であることができる）材料であることができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す。実施例３は、ドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）である適切な被膜は、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度より低くなるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７であることができる。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントが使用されるとき、幾つかの実施形態において、具体的なドーパントに先行する各々の係数は、０〜４０の間であることができる。
被膜内のアルミニウムの質量分率は、約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。被膜内のドーパントの質量分率は、約１２％未満であることができる。幾つかの実施形態において、被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。１種より多くのドーパントが被膜内に使用されるとき、被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は、約０％〜約３０％の間であることができる。
ドーパントを含まない亜鉛基合金材料の溶融温度又は液相線温度は、不要な実験又は文献調査のいずれかにより決定することができる。例えば、純粋な亜鉛の溶融温度は、約４１９．５℃である。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の液相線温度は、約３４４．５℃であり、これは下記実施例３で説明するように、実験で、若しくはソフトウェアプログラムを使用して、又は文献を調査して作成した三元相図を用いて決定することができる。先に述べた材料はＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇである。この材料の液相線温度は、３４４．５℃である。個々の被膜の溶融温度及び液相線温度は、被膜の組成に依存する。液相線温度は、室温（即ち２５℃）より高いが、４１９℃より低い温度である。したがって、基材を液相線温度に曝露すると、基材の被覆が可能になるばかりでなく、少なくとも１種の代わりのミクロ組織を形成する基材材料の熱処理も提供される。この代わりのミクロ組織は、鋼基材の従来の処理の間に形成されるミクロ組織とは異なる。
代わりのミクロ組織は、例えば、マルテンサイト、ベイナイト、個々の鋼基材に対する炭素時効に関連するミクロ組織、及びこれらの組合せからなる群から選択されることができる。他の状況において、代わりのミクロ組織の特徴は、より微細な規模で、炭素時効又はマルテンサイト焼き戻しにおける差に関連する。幾つかの実施形態において、被覆された基材を第２の焼き入れ温度に曝露して、合金鋼内に第２のミクロ組織を形成することができる。例えば、従来の処理中に形成されるミクロ組織は、ベイナイトの形成、プロセス内のその工程における未変態オーステナイトの保持、又は鋼内におけるフェライト、パーライト若しくはマルテンサイトのような別のミクロ組織のいずれかをもたらすことができる。
被膜は、浸漬又は噴霧することによって金属材料に付けることができる。被膜は、付ける前に、溶融温度又は液相線温度より高い作動温度に加熱して被膜を液化することができる。被膜は、例えばASTM A123/A123MのようなＡＳＴＭに記載の個々の用途に適した任意の厚さで付けることができる。幾つかの実施形態において、被膜の厚さは、約５ミクロン〜約２００ミクロンの間で適用することができる。
金属材料の表面は、被膜の基材への接着力を増大するように処理することができる。表面処理は、例えば、クリーニング、エッチング、機械的磨耗、又は化学エッチングを含むことができる。表面処理は、基材の表面積を増大することができる。
本発明のもう１つ別の態様は、代わりのミクロ組織を有する被覆された合金鋼である。被覆された合金鋼は、亜鉛基合金被膜及び合金鋼基材を含む。鋼基材を鋼の焼き入れ温度で（液体としての）被膜に曝露して、被覆鋼内に代わりのミクロ組織を形成させる。
適切な合金鋼材料は、限定されることはないが、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、金物類（例えばファスナー）を含む。特に、本発明は広範な種類の薄鋼板合金と共に使用することができる。
亜鉛基合金材料は、被膜として使用することができる。亜鉛基合金材料は、純粋な亜鉛、二元組成物、三元組成物、四元組成物、又は「ｎ元」組成物であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金材料は、限定されることはないが、亜鉛−アルミニウム、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム、亜鉛−マグネシウム、亜鉛−元素（複数可）、又は他の亜鉛基合金材料を含むことができる。本発明に有用な亜鉛基材料は、亜鉛の溶融温度より低い液相線温度を有する。幾つかの実施形態においては、ドーピング材料を亜鉛基材料と組み合わせて亜鉛基合金被膜を形成し、これは三元、四元、又は「ｐ」元（ここで、「ｐ」は２〜「ｎ」＋２の間であることができる）材料であることができる。ドーピング材料（温度降下剤とも呼ばれる）は、マグネシウム、スズ、リチウム、ガリウム、インジウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、鉛、又はカリウムであることができる。ドーパントの質量分率は、液相線温度を低下させるように選択することができる。図１９は、四元のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するために使用される三元状態図を示す。実施例３は、ドーパントの適当な質量分率を決定する方法を提供する。非限定例として、適切な亜鉛基合金被膜（即ち、ドーピング材料を含む亜鉛基合金材料）はＺｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２を含むことができる。各々の係数（即ち、「ａ」、「ｂ」、「ｘ」、又は「ｙ」）は、液相線温度が亜鉛の溶融温度より低くなるように選択することができる。幾つかの実施形態において、アルミニウムを含む亜鉛基合金被膜の一般式で、「ａ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．３５〜３０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は３．９〜１６．７５の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は６．７〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ａ」は０、１、２、３、３．３５、３．９、４、６、６．７、７、８、１０、１０．０５、１２、１３．４、１５、１６．７５、又は２０であることができる。マグネシウムの場合、幾つかの実施形態において、「ｂ」は０〜２０の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は約０〜６．７の間であることができる。幾つかの実施形態において、「ｂ」は０、１、２、２．５、３、３．３５、４、又は６．７であることができる。ドーパントについては、幾つかの実施形態において、「ｘ」は０〜４０の間であることができる。同様に、第２又は追加のドーパントが使用されるとき、幾つかの実施形態において、具体的なドーパントに先行する各々の係数は、０〜４０の間であることができる。
亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約２０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約３．３５％〜約１３．４％の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のアルミニウムの質量分率は、約６．７％より大きく、約２０％未満であることができる。亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約１０．０５％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のマグネシウムの質量分率は、約０％〜約２０％の間であることができる。亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約６０％未満であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜内のドーパントの質量分率は、約７．５％〜約１２％の間であることができる。本発明の幾つかの実施形態において、ドーパントの質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。１種より多くのドーパントが亜鉛基合金被膜内に使用されるとき、低下した温度の被膜内の第２〜追加のｎ番目のドーパントの合計質量分率は、約０％〜約６０％の間であることができる。幾つかの実施形態において、追加のドーパントの合計質量分率は、約１％〜約３０％の間であることができる。
得られる亜鉛基合金被膜は、亜鉛の溶融温度（即ち約４１９℃）未満であることができる液相線温度を有することができる。亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７５℃〜約４１９℃の間であることができる。幾つかの実施形態において、亜鉛基合金被膜の液相線温度は、約２７９℃〜約３６５℃の間であることができる。ドーパントを含まない亜鉛基合金材料の溶融温度又は液相線温度は、不要な実験又は文献調査のいずれかにより決定することができる。例えば、純粋な亜鉛の溶融温度は、約４１９．５℃である。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金の液相線温度は、約３４４．５℃であり、これは下記実施例３で説明するように、実験で、若しくはソフトウェアプログラムを使用して、又は文献を調査して作成された三元相図を用いて決定することができる。先に述べた材料はＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇである。この材料の液相線温度は、３４４．５℃である。個々の亜鉛基合金被膜の溶融温度及び液相線温度は、被膜の組成に依存する。
亜鉛基合金被膜は、浸漬又は噴霧することによって金属材料に付けることができる。亜鉛基合金被膜は、付けるのに先立って、溶融温度又は液相線温度より高い作動温度に加熱して亜鉛基合金被膜を液化することができる。亜鉛基合金被膜は、例えばASTM A123/A123MのようなＡＳＴＭに記載の個々の用途に適した任意の厚さで付けることができる。幾つかの実施形態において、被膜の厚さは、約５ミクロン〜約２００ミクロンで適用することができる。
代わりのミクロ組織は、例えば、マルテンサイト、ベイナイト、個々の鋼基材に対する炭素時効に関連するミクロ組織、及びこれらの組合せからなる群から選択されることができる。他の状況において、代わりのミクロ組織の特徴は、より微細な規模で、炭素時効又はマルテンサイト焼き戻しにおける差に関連する。幾つかの実施形態において、被覆された基材を第２の焼き入れ温度に曝露して、合金鋼内に第２のミクロ組織を形成することができる。例えば、従来の処理中に形成されるミクロ組織は、ベイナイトの形成、プロセスのその工程における未変態オーステナイトの保持、又は鋼内におけるフェライト、パーライト若しくはマルテンサイトのような別のミクロ組織をもたらすことができる。
［実施例］
［実施例１］
図１は、Thermo-Calc Softwareを使用して作成した異なるモル分率における亜鉛−アルミニウム−マグネシウム系の三元グラフを示す。グラフ中の温度は、Ｋｅｌｖｉｎである。共晶温度は、６３０Ｋより低い。図２は、図１と比較するための文献（P.LiangらThermochimica Acta,314 (1998) 87~110）からのＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の三元グラフを提供する。図２の温度は、セ氏である。図３Ａは、モル分率におけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相線投影を示し、一方、図３Ｂは、質量分率におけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相線投影を示す。図４Ａ〜４Ｄは、異なる温度における等温断面図（質量分率）を示す。図４Ａは、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相面を示す。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の共晶点は、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇに対して約３４４．５℃（約６１７．５Ｋ）である。約３５７℃（約６３０Ｋ）におけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇに対する液体点は、図４Ｂのグラフに示されている。図４Ｃは、約３４７℃（約６２０Ｋ）におけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇに対する液体点を示す。図４Ｄは、約３４５℃（約６１８Ｋ）におけるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇに対する液体点を示す。図４Ｂ〜４Ｄに示されているように、液体状態の面積は、この材料に対する温度が低下するにつれて低下する。
Scheil式を使用してＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の液相線温度を決定することができる。この式で計算されたＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇの液相線温度は、約３４４．５℃である。Ｚｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎに対する液相線温度は、Scheil式を使用して約３３０℃と計算された。
［実施例２］
潜在的な四元系に対する液相線温度は、出発点として三元の結果を使用して評価することができる。幾つかのドーパントがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇとの組合せのために考察された。ドーパントは銅、チタン、アンチモン、スズ、ビスマス、ガリウム、及びインジウムを含む。Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｔｉに対する液相線温度は、約３５０℃より高い可能性があり、したがって、被膜の液相線温度を低下させる利益を提供しない。
図５〜８は各々、個々の元素（即ちＳｎ、Ｂｉ、Ｇａ、Ｃｕ又はＩｎ）について様々な質量百分率に対する液体相及び個々の組成物に対する溶融温度を示す。図５は、Ａｌ及びＭｇの分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＳｎに対する相図を示す。図６は、Ａｌ及びＭｇの分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＢｉに対する相図を示す。図７は、Ａｌ及びＭｇの分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＧａに対する相図を示す。図８は、Ａｌ及びＭｇの分率を一定に保ったＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ｘＩｎに対する相図を示す。
図９は、４種のドーピング材料についてパーセントで表した様々な質量分率に対する液相線温度を示す。スズは様々な質量分率に対して最も低い液相線温度を示した。図１０〜１７は、本発明と共に使用することができる他のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系を示す。図１０は、Ｚｎ−４Ａｌ−ｘＭｇ−８Ｓｎにおけるマグネシウムの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。液相線温度はマグネシウムの質量分率がおよそ１０となったとき約５００℃に近付く。図１１は、Ｚｎ−ｘＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎ系におけるアルミニウムの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。Ｚｎ−ｘＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎ系の液相線温度は、アルミニウムの質量分率が約０．５％〜約１５．５％の間であるとき、約３５０℃より低い。図１２は、Ｚｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎにおけるスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。液相線温度は、スズの質量分率が約０．５％〜約１２％の間であったとき、約３６０℃より低かった。図１３は、Ｚｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎ系におけるＳｎの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。液相線温度は、質量分率が約０．５％〜約１９％の間であるとき、約３５０℃より低い。図１４は、Ｚｎ−ｘＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａ系について、アルミニウムの質量分率が約０．５％〜約１０％の間であるとき、約４１５℃より低い液相線温度を示す。図１５は、Ｚｎ−４Ａｌ−ｘＭｇ−１０Ｇａにおいて質量分率が約１％〜約４％の間であるとき、液相線温度が約４２０℃より低いことを示す。図１６は、Ｚｎ−３．５Ａｌ−ｘＭｇ−６Ｉｎにおいて約１％〜約５％の間のマグネシウムの質量分率に対して、液相線温度が約４７５℃より低いことを示す。図１７は、Ｚｎ−ｘＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎにおいて約１％〜約６％の間のアルミニウムの質量分率に対して、液相線温度が約３７５℃より低いことを示す。
表１は、異なる組成（ｗｔ．％）のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系に対する様々な液相線温度が約３００℃程度に低い液相線温度を有することができることを示しており、これは亜鉛めっきに使用することができる。表１の温度は近似値である。
Figure 2019531413
図１８は、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系における幾つかのドーパントについて様々な質量分率に対する液相線温度を示す。また、図１８には、純粋な亜鉛に対する溶融温度及びＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇに対する液相線温度も含まれている。Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系について、鉛、銀、アンチモン、カリウム及びビスマスを添加したら、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系の液体温度が上昇した。ガリウム、インジウム、スズ又はリチウムを添加すると、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系で特定の組成において液相線温度が低下した。スズ又はリチウムの添加は、ガリウム又はインジウムと比較して、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を低下させる上でより効果的であった。
［実施例３］
以下の方法を利用して、様々なＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系に対する液相線温度を決定した。図１９は、四元Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパント系の液相線温度を決定するのに使用した三元状態図を示す。最初に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ三元状態図をより小さい正三角形により分割した後、ドーパント（例えばドーパントとしてのスズ）を添加した四元合金の液相線温度を計算するための点を選択した。次に、各四元合金の液体の計算された体積分率が１００％であった温度をその四元合金の液相線温度として決定した。計算は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の共晶温度付近の点から始めた。四元合金の温度が約３４４．５℃より低いとき、この温度付近の追加の点を計算する。例えば、Thermo Calcのようなソフトウェアをこれらの計算に使用することができる。
高次の合金系（例えば四元系）に対して、計算の良好な出発点は、多成分系における相平衡を見出すのに効果的であることができる。例えば、四元のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎの計算のために良好な出発点はより低次の系（即ちＺｎ−Ａｌ−Ｓｎの三元共晶）に属する不動点に近い平衡である。四元合金の最低の液相線温度がより低次の系の共晶点付近で起こらなければならないということは保証されない。
［実施例４］
本発明の発明を例証するために様々なＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系について実験を実施し、計算した。当業者には理解されるように、スズに加えて他のドーパントを使用することができ、不要な実験をすることなく液相線温度を計算することができる。
図２０〜２３は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系でアルミニウム及びマグネシウムの様々な重量百分率についてスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。例えば、［０、２０］という表現は、Ｚｎ−０Ａｌ−２０Ｍｇ−ｘＳｎ系に対応する。図２１は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系でアルミニウム及びマグネシウムの様々な重量パーセントについてスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示し、ここでマグネシウムの量は、６．７ｗｔ．％である。図２２は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系でアルミニウム及びマグネシウムの様々な重量百分率についてスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示し、ここでマグネシウムの量は、３．３５ｗｔ．％である。図２３は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ系（即ちマグネシウムは０ｗｔ．％である）でアルミニウム及びマグネシウムのスズの様々な質量分率に対する液相線温度を示す。
マグネシウムのより高い分率は、図２０に示されているように約１％〜約３０％の範囲のスズ質量分率でＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金のより高い液体温度となる。一定のＭｇ（図２１に示されている６．６７ｗｔ．％）を含むＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金の場合、合金がＺｎ−２０Ａｌ−６．７Ｍｇでない限り、アルミニウムの分率を増大させると、合金の液相線温度を低下させることができる。図２０及び２１は、特にＳｎの質量分率が約１２％未満であるとき、スズがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金の液相線温度を低下させることに有利であることを示している。
一定のＭｇ分率（３．３５ｗｔ．％）を有するＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金の場合、図２２に示されているように、アルミニウムの分率を低減すると、合金の液相線温度を大きく低下させることができる。マグネシウムを含まないＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金の場合、図２３に示されているように、アルミニウムの分率を増大させると、合金の液体温度を低下させることができる。
図２０〜２３から、マグネシウムのより低い分率は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ合金の液相線温度を低下させることに有利であることを理解することができる。図２４は、図２０〜２３からの様々な条件に対する低い液体温度の分布を示す。図２４のボックス（ａ）は図２０に対応し、ボックス（ｂ）は図２１に対応し、ボックス（ｃ）は図２２に対応し、ボックス（ｄ）は図２３に対応する。スズを添加することにより、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎの液相線温度を低下させることができる。四元合金のより低い液相線温度は、特に残りの組成を考えたとき、より少ないＭｇ又はより多いＡｌである点で起こることができる。
図２５は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｎ系における、スズの様々な質量分率、並びにアルミニウム及びマグネシウムの様々な組成に対する液体温度を示す。低い液相線温度は、合金内にマグネシウムが存在せず、かつ約１６．７５ｗｔ．％〜約２０ｗｔ．％の間のアルミニウムが系内に含まれるときに達成することができる。
［実施例５］
本発明の合金により耐食性を増大することができる。耐食性は、設計されるいずれの亜鉛めっき被膜でも依然として重大な必須要件である。図２６〜２７は、被膜の作動温度（即ち亜鉛浴温度）と腐食電位と５％錆までの時間との関係を示す。本研究により、特定の合金元素の添加はＺｎ浴温度を有意に低下させることができるということが確認された。合金元素の添加が亜鉛めっき被膜の耐食性に及ぼす影響は二重である、（１）Ｚｎ浴温度の影響、及び（２）合金の影響。図２６（文献-Bakhtiari, A.ら, The effect of zinc bath temperature on the morphology, texture and corrosion behavior of industrially produced hot-dip galvanized coatings. Metall. Mater. Eng. 20,41~52 (2014)）は、幾つかの溶融亜鉛めっき被膜の報告された耐食性を、４５０〜４８０℃の範囲に及ぶＺｎ浴温度の関数として示す（被膜は全て同一の組成を有することに注意）。腐食電位（より高い負の値は増大した電気防食に関連する）及び５％錆までの時間（より高い値は改良された耐食性に関連する）に関して。試験した範囲において、Ｚｎ浴温度が低下すると、高い腐食性能がもたらされた。図２７（文献-Aoki, T.ら, Results of 10-year atmospheric corrosion testing of hot dip Zn-5 mass% Al alloy coated sheet steel. Galvatech'95,Chicago,1995; Shimizu, T.ら,Corrosion products of hot-dip Zn-6%Al-3%Mg coated steel subjected to atmospheric exposure. ISIJ 89,166~173 (2003); Shimoda, N.ら,Atmospheric corrosion resistance of Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si coated steel. Galvatech'11,Genova,Italy,2011;及びArcelorMitall Steel Specification, Magnelis(登録商標) ,2014）は、４種の異なる天然環境、即ち、田舎、海洋、工業及び厳しい海洋における亜鉛めっき被膜の平均腐食損失をまとめて示す。純粋な亜鉛被膜の性能と比較して、亜鉛合金被膜（この場合はＡｌ及び／又はＭｇを添加）は、全ての天然環境で曝露年数にわたってずっと低い腐食（厚さ）損失、即ち、より良好な耐食性を有する。文献からの結果は、特定の合金の添加が適切な耐電食性を提供することができることを示唆し、本発明の合金の利点を支持している。
上記の説明では範囲を議論し、使用した。当業者には理解されるように、述べた範囲内のいかなる部分範囲も、本発明から逸脱することなく、広い範囲内の任意の数と同様に適切であろう。
本発明に関する上記の記載は、例示及び説明の目的で挙げたものである。また、記載は本発明を本明細書に開示された形態に制限することを意図していない。したがって、上記の教示、及び関連分野の技能又は知識と釣り合う変更及び修正は本発明の範囲内である。更に、上記に記載した実施形態は、本発明を実施する上での知る限りの最良の形態を説明し、当業者がそのような、又は他の実施形態の、そして本発明の特定の適用又は使用で必要とされる様々な修正を加えて本発明を利用できるようにすることを意図したものである。添付の特許請求の範囲は、従来技術により許容される範囲で代わりの実施形態を包含すると解釈されるべきである。

Claims (110)

  1. 低下した液相線温度で金属材料を被覆する方法であって、
    金属材料を準備する工程と、
    金属材料を亜鉛基合金被膜で被覆して被覆された金属材料を形成する工程であって、亜鉛基合金被膜の液相線温度がドーピング材料を含まない亜鉛基合金材料の液相線温度より低い工程と、
    金属材料を亜鉛基被膜で被覆するとき金属材料内の第１のミクロ組織を変更する工程と
    を備える、方法。
  2. 亜鉛基合金被膜が亜鉛−マグネシウム−アルミニウム被膜である、請求項１に記載の方法。
  3. ドーピング材料が、スズ、リチウム、ガリウム、マグネシウム、インジウム、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  4. 亜鉛基合金被膜の液相線温度が４１９℃より低い、請求項１に記載の方法。
  5. 亜鉛基合金被膜の液相線温度が約３００℃〜約３６５℃の間である、請求項１に記載の方法。
  6. 亜鉛基合金被膜の組成式が、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、又はＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  7. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−ドーパントであり、ドーパントがスズ、ガリウム、ビスマス、又はインジウムからなる群から選択され、ドーパントの質量分率が１〜１５の間である、請求項６に記載の方法。
  8. ドーパントの質量分率が１〜９の間である、請求項７に記載の方法。
  9. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−４Ａｌ−ｂＭｇ−８Ｓｎであり、ｂが１〜６の間である、請求項６に記載の方法。
  10. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎであり、ａが１〜１５の間である、請求項６に記載の方法。
  11. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜１２の間である、請求項６に記載の方法。
  12. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜２０の間である、請求項６に記載の方法。
  13. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａであり、ａが１〜１０の間である、請求項６に記載の方法。
  14. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−３．５−ｂＭｇ−６Ｉｎであり、ｂが１〜４の間である、請求項６に記載の方法。
  15. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎであり、ａが１〜６の間である、請求項６に記載の方法。
  16. 第１のミクロ組織が、マルテンサイト、フェライト、ベイナイト及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
  17. 代わりのミクロ組織が、焼き戻しマルテンサイト、オーステンパー処理したベイナイト、及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１６に記載の方法。
  18. 代わりのミクロ組織が炭素時効を欠く、請求項１６に記載の方法。
  19. 亜鉛基合金被膜で被覆された金属材料を含む、被覆された基材合金であって、亜鉛基合金被膜が、
    亜鉛基合金、及び
    少なくとも１種のドーパント
    を含み、亜鉛基合金被膜の液相線温度が４１９℃より低い、被覆された基材合金。
  20. 少なくとも１種のドーパントが、スズ、リチウム、ガリウム、及びインジウムからなる群から選択される、請求項１９に記載の合金材料。
  21. 少なくとも１種のドーパントが、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、ガリウム、インジウム、スズ、鉛、リチウム、及びカリウムからなる群から選択される、請求項１９に記載の合金材料。
  22. 亜鉛基被膜がＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ−ドーパントの組成式を有する、請求項１９に記載の合金材料。
  23. 亜鉛基被膜がＺｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパントの組成式を有する、請求項１９に記載の合金材料。
  24. マグネシウムの質量分率が約１０．０５％未満である、請求項１９に記載の合金材料。
  25. アルミニウムの質量分率が約０％より大きく、約２０％未満である、請求項１９に記載の合金材料。
  26. アルミニウムの質量分率が約３．３５％〜約１３．４％の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  27. 少なくとも１種のドーパントの質量分率が約０％より大きく、約１２％未満である、請求項１９に記載の合金材料。
  28. 亜鉛基合金がＺｎ−Ａｌ及びＺｎ−Ａｌ−Ｍｇからなる群から選択される、請求項１９に記載の合金材料。
  29. 亜鉛基合金がＺｎ−Ａｌであり、ドーパントがマグネシウムである、請求項２８に記載の合金材料。
  30. 金属材料が、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、金物類、及びこれらの組合せからなる群から選択される合金鋼である、請求項１９に記載の合金材料。
  31. 合金が炭素時効されない、請求項１９に記載の合金材料。
  32. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−ドーパントであり、ドーパントがスズ、ガリウム、ビスマス、又はインジウムからなる群から選択され、ドーパントの質量分率が１〜１５の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  33. ドーパントの質量分率が１〜９の間である、請求項３２に記載の合金材料。
  34. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−４Ａｌ−ｂＭｇ−８Ｓｎであり、ｂが１〜６の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  35. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎであり、ａが１〜１５の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  36. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜１２の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  37. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜２０の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  38. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａであり、ａが１〜１０の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  39. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−３．５−ｂＭｇ−６Ｉｎであり、ｂが１〜４の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  40. 亜鉛基合金被膜の組成式がＺｎ−ａＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎであり、ａが１〜６の間である、請求項１９に記載の合金材料。
  41. 金属材料がマルテンサイトを含む、請求項１９に記載の合金材料。
  42. 被覆鋼が焼き戻しマルテンサイトを更に含む、請求項４１に記載の合金材料。
  43. 金属材料がフェライトを含む、請求項１９に記載の合金材料。
  44. 被覆鋼が炭素時効されない、請求項４３に記載の合金材料。
  45. 被覆鋼がベイナイトを含む、請求項１９に記載の合金材料。
  46. 亜鉛めっきのための亜鉛基合金被膜の液相線温度を低下させる方法であって、
    亜鉛基合金をドーパントと組み合わせる工程を含み、
    ドーパントがアルミニウム、マグネシウム、銅、チタン、アンチモン、ケイ素、ビスマス、ガリウム、インジウム、スズ、鉛、リチウム、カリウム又はこれらの組合せからなる群から選択される、方法。
  47. ドーパントを含む亜鉛基合金の液相線温度が、ドーパントを含まない亜鉛基合金の液相線温度より低い、請求項４６に記載の方法。
  48. ドーパントを含む亜鉛基合金の液相線温度が約４２０℃より低い、請求項４７に記載の方法。
  49. ドーパントを含む亜鉛基合金の組成式が、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２からなる群から選択される、請求項４６に記載の方法。
  50. 組成式がアルミニウムを含み、「ａ」が０〜２０の間である、請求項５０に記載の方法。
  51. 組成式がマグネシウムを含み、「ｂ」が０〜２０の間である、請求項５０に記載の方法。
  52. 組成式が第１のドーパントを含み、「ｘ」が０〜４０の間である、請求項５０に記載の方法。
  53. 組成式が第２のドーパントを含み、「ｙ」が０〜４０の間である、請求項５０に記載の方法。
  54. ドーパントを含む亜鉛基合金の液相線温度が２７５℃〜約４１９℃の間である、請求項４７に記載の方法。
  55. ドーパントを含む亜鉛基合金の液相線温度が２７９℃〜約３６５℃の間である、請求項４７に記載の方法。
  56. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−ドーパントであり、ドーパントがスズ、ガリウム、ビスマス、又はインジウムからなる群から選択され、ドーパントの質量分率が１〜１５の間である、請求項５０に記載の方法。
  57. ドーパントの質量分率が１〜９の間である、請求項５６に記載の方法。
  58. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−ｂＭｇ−８Ｓｎであり、ｂが１〜６の間である、請求項５０に記載の方法。
  59. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎであり、ａが１〜１５の間である、請求項５０に記載の方法。
  60. 組成式がＺｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜１２の間である、請求項５０に記載の方法。
  61. 組成式がＺｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜２０の間である、請求項５０に記載の方法。
  62. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａであり、ａが１〜１０の間である、請求項５０に記載の方法。
  63. 組成式がＺｎ−３．５−ｂＭｇ−６Ｉｎであり、ｂが１〜４の間である、請求項５０に記載の方法。
  64. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎであり、ａが１〜６の間である、請求項５０に記載の方法。
  65. 被覆鋼を製造する方法であって、
    液体被膜を準備する工程であって、
    被膜の液相線温度が鋼内に代わりのミクロ組織を形成する焼き入れ温度より低く、代わりのミクロ組織が鋼のマルテンサイト焼き戻し、ベイナイトオーステンパー処理、又は炭素時効の少なくとも１つにおける変化である、工程と、
    鋼を被膜で被覆する工程と、
    被覆中鋼内に代わりのミクロ組織を形成する工程と
    を備える、方法。
  66. 鋼が、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、及び金物類からなる群から選択される、請求項６５に記載の方法。
  67. 液相線温度が約４２０℃より低い、請求項６５に記載の方法。
  68. 焼き入れ温度が液相線温度より高く４２０℃より低い、請求項６５に記載の方法。
  69. 液体被膜の組成式が、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２からなる群から選択される、請求項６５に記載の方法。
  70. 組成式がアルミニウムを含み、「ａ」が０〜２０の間である、請求項６９に記載の方法。
  71. 組成式がマグネシウムを含み、「ｂ」が０〜２０の間である、請求項６９に記載の方法。
  72. 組成式が第１のドーパントを含み、「ｘ」が０〜４０の間である、請求項６９に記載の方法。
  73. 組成式が第２のドーパントを含み、「ｙ」が０〜４０の間である、請求項６９に記載の方法。
  74. 被膜が、浸漬又は噴霧の少なくとも１つによって付けられる、請求項６５に記載の方法。
  75. 鋼がマルテンサイトを含む、請求項６５に記載の方法。
  76. 被覆鋼が焼き戻しマルテンサイトを更に含む、請求項６９に記載の方法。
  77. 鋼がフェライトを含む、請求項６５に記載の方法。
  78. 被覆鋼が炭素時効されない、請求項７７に記載の方法。
  79. 被覆鋼がオーステンパー処理したベイナイトを更に含む、請求項６５に記載の方法。
  80. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−ドーパントであり、ドーパントがスズ、ガリウム、ビスマス、又はインジウムからなる群から選択され、ドーパントの質量分率が１〜１５の間である、請求項６９に記載の方法。
  81. ドーパントの質量分率が１〜９の間である、請求項８０に記載の方法。
  82. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−ｂＭｇ−８Ｓｎであり、ｂが１〜６の間である、請求項６９に記載の方法。
  83. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎであり、ａが１〜１５の間である、請求項６９に記載の方法。
  84. 組成式がＺｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜１２の間である、請求項６９に記載の方法。
  85. 組成式がＺｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜２０の間である、請求項６９に記載の方法。
  86. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａであり、ａが１〜１０の間である、請求項６９に記載の方法。
  87. 組成式がＺｎ−３．５−ｂＭｇ−６Ｉｎであり、ｂが１〜４の間である、請求項６９に記載の方法。
  88. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎであり、ａが１〜６の間である、請求項６９に記載の方法。
  89. 鋼基材と、
    鋼基材内の第１のミクロ組織を変更することにより形成した鋼基材内の代わりのミクロ組織と、
    鋼基材の少なくとも一部分上の被膜とを
    備え、
    代わりのミクロ組織が被覆プロセス中に形成される、被覆鋼。
  90. 代わりのミクロ組織が被覆プロセス中のコーティング浴の作動温度範囲に依存し、鋼基材が作動温度範囲で焼き入れされて鋼基材内に代わりのミクロ組織を形成する、請求項８９に記載の被覆鋼。
  91. 鋼基材が、薄鋼板、帯鋼、棒鋼、鋼棒、鋼管、鋼線、強化棒鋼、鋼板、及び金物類からなる群から選択される、請求項８９に記載の被覆鋼。
  92. 第１のミクロ組織がマルテンサイトである、請求項８９に記載の被覆鋼。
  93. 代わりのミクロ組織が焼き戻しマルテンサイトである、請求項８９に記載の被覆鋼。
  94. 第１のミクロ組織がフェライトである、請求項８９に記載の被覆鋼。
  95. 代わりのミクロ組織が炭素時効されない、請求項８９に記載の被覆鋼。
  96. 代わりのミクロ組織がオーステンパー処理したベイナイトである、請求項８９に記載の被覆鋼。
  97. 被膜の組成式が、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−ドーパント、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−ａＡｌ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ｂＭｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−ａＡｌ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント、Ｚｎ−３．９Ａｌ−２．４５Ｍｇ−（ｘ）ドーパント１−（ｙ）ドーパント２からなる群から選択される、請求項８９に記載の被覆鋼。
  98. 組成式がアルミニウムを含み、「ａ」が０〜２０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  99. 組成式がマグネシウムを含み、「ｂ」が０〜２０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  100. 組成式が第１のドーパントを含み、「ｘ」が０〜４０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  101. 組成式が第２のドーパントを含み、「ｙ」が０〜４０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  102. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−３Ｍｇ−ドーパントであり、ドーパントがスズ、ガリウム、ビスマス、又はインジウムからなる群から選択され、ドーパントの質量分率が１〜１５の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  103. ドーパントの質量分率が１〜９の間である、請求項１０２に記載の被覆鋼。
  104. 組成式がＺｎ−４Ａｌ−ｂＭｇ−８Ｓｎであり、ｂが１〜６の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  105. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−８Ｓｎであり、ａが１〜１５の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  106. 組成式がＺｎ−７Ａｌ−３Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜１２の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  107. 組成式がＺｎ−１５Ａｌ−１Ｍｇ−ｘＳｎであり、ｘが１〜２０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  108. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−３Ｍｇ−１０Ｇａであり、ａが１〜１０の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  109. 組成式がＺｎ−３．５−ｂＭｇ−６Ｉｎであり、ｂが１〜４の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
  110. 組成式がＺｎ−ａＡｌ−２．５Ｍｇ−６Ｉｎであり、ａが１〜６の間である、請求項９７に記載の被覆鋼。
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