JP2859729B2 - 蒸着複層めっき鋼板 - Google Patents

蒸着複層めっき鋼板

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JP2859729B2 JP27830690A JP27830690A JP2859729B2 JP 2859729 B2 JP2859729 B2 JP 2859729B2 JP 27830690 A JP27830690 A JP 27830690A JP 27830690 A JP27830690 A JP 27830690A JP 2859729 B2 JP2859729 B2 JP 2859729B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、耐食性、耐熱性および加工性に優れた蒸着
複層めっき鋼板に関する。
(従来技術) 従来よりAlめっき鋼板が多量に使用されているが、こ
の一般的なものは、鋼板に直接Alを溶融めっき法により
めっきした単層めっき鋼板である。
このAlめっき鋼板は、めっき層の厚みが8μm以上の
ものであれば、耐食性、耐熱性に優れているので、従来
より自動車の排ガス系部材、燃焼機器部材、家庭用機器
部材などに広く使用されている。しかし、最近、用途に
よっては、部材の製造費を低減するため、薄めっきもの
が要求されたり、塩害腐食の影響を受ける用途にまで使
用の拡大が検討されたりしている。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、Alめっき鋼板を塩害腐食を受けるよう
なハロゲンイオンの存在する環境で使用すると、耐食性
を有する表面の酸化被膜が溶解されるため、Al(OH)3
を主成分とする白錆が表面に発生したり、鋼素地に達す
る孔食が発生したりする。
そこで、塩害を受ける用途に使用する場合は、めっき
層の厚みを40μm程度と厚くして、孔食が短時間に達し
ないようにしていたが、このようにめっきを厚くする
と、高価になるという問題があった。また、めっき層表
面には、めっき鋼板の一般的な後処理であるクロメート
処理などの化成処理を施しているが、この効果は一時的
なものであり、耐食性を本質的に改善するものではな
い。
溶融Alめっき鋼板では、めっき層にSiを通常8〜12%
含有させて、素地鋼板とめっき層との界面に生成する加
工性の劣るAl−Fe合金層の発達を抑制しているが、この
場合、素地鋼板が従来一般に使用されている低炭素リム
ド鋼やAlキルド鋼であると、600℃以上に加熱した場
合、めっき層と素地鋼板との界面が優先酸化され、700
℃以上に加熱すると、めっき層が合金化して、剥離する
ことがあり、耐熱性の点で必ずしも十分とは言えない。
この耐熱性の問題は、素地鋼板に650℃以上の繰り返し
加熱に耐える低炭素−Ti添加鋼や極低炭素−0.2Ti添加
鋼を使用すれば改善されるが、このようなTi添加鋼を使
用すると、Alキルド鋼などに比べてかなり製品価格が割
高になり、好ましくない。また、素地鋼板にTi添加鋼を
用いても、素地鋼板とめっき層との界面に脆いAl−Fe−
Si合金層が生成されるため、満足のいく成形加工性は得
られない。
一方、非水溶液による電気Alめっきや通常の真空蒸着
Alめっきによれば、素地鋼板とめっき層との界面にAl−
Fe合金層の生成しないAlめっき鋼板を製造できるが、こ
のような方法で製造したものは、高温に加熱すると、め
っき層のAlが素地鋼板中に拡散し、素地鋼板が酸化され
るので、耐熱性が劣る。また、めっき層には素地鋼板に
まで達するピンホールが存在するため、厳しい腐食環境
のもとでは耐食性に問題がある。
以上のように、従来のAlめっき鋼板は、耐食性、耐熱
性、加工性の点で必ずしも満足できるものではなかっ
た。
そこで、本発明は、これらの特性を改善した複層めっ
き鋼板を提供するものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、鋼板表面に第1層として、Zrめっき層が形
成され、その上に第2層として、Zrを1〜50wt%含有す
るAl−Zr合金めっき層が形成され、さらにその上に第3
層として、Alめっき層が形成されていて、これらの各め
っき層が蒸着めっき層で、Zrめっき層およびAl−Zr合金
めっき層の膜厚がそれぞれ0.05μm以上、Alめっき層の
膜厚が0.5μm以上であり、かつ、全膜厚が0.6〜20μm
である蒸着複層めっき鋼板とした。
(作用) Alめっき鋼板の耐食性、耐熱性および加工性を改善す
るには、めっき層と素地鋼板との間に生じるガルバニッ
ク電流をなくすとともに、両者の境界にAl−Fe合金層が
生成しないようにすることが必須条件である。
すなわち、Alめっき鋼板の腐食は、孔食であるが、こ
の孔食は、ピンホールを介して素地鋼板とめっき層との
間に局部電池が形成されて、その間にガルバニック電流
が流れ、めっき層が電位的に卑になって優先的に溶解す
ることにより生じるものである。このガルバニック電流
は、かなり大きいため、めっき層には局所的な溶解が急
速に生じ、周囲にまで溶解が拡大されてしまう。そし
て、めっき層の溶解が素地鋼板に対するAlの犠牲防食作
用の及ばない範囲にまで拡大した時点で素地鋼板の腐食
が開始され、赤錆が発生するのである。従って耐食性を
改善するには、めっき層と素地鋼板との間にガルバニッ
ク電流が生じないようにすることが必要である。
また、Al−Fe合金層は、脆く、加熱により成長するの
で、耐熱性、加工性を改善するにはこの合金層が生成し
ないようにする必要がある。
しかし、本発明の複層めっき鋼板のように、蒸着めっ
きで鋼板表面に第1層として、Zrめっき層を形成し、そ
の上に第2層として、Al−Zr合金めっき層を形成し、さ
らにその上に第3層として、Alめっき層を形成しておく
と、次のように耐食性、耐熱性および加工性が改善され
る。
(1)第3層のAlめっき層は、第2層のAl−Zr合金めっ
き層より電位的に卑であるため、Alめっき層にピンホー
ルが存在した場合、孔食が発生する。しかし、第2層の
Al−Zr合金めっき層や第1層のZrめっき層は腐食されに
くいので、孔食が容易に進行せず、素地鋼板に達するま
で長期間を要する。
(2)第3層のAlめっき層と第2層のAl−Zr合金めっき
層とは、電位的に近似しているため、両者の間のガルバ
ニック電流は小さく、周囲への孔食の拡大がAl単層めっ
きの場合より小さい。
(3)孔食が第1層のZrめっき層にまで進行し、その進
行部分にピンホールが存在しても、第3層のAlめっき層
が素地鋼板に対して犠牲防食作用を発揮するため、素地
鋼板は、Zrめっき層より電位的に卑であるにも拘わら
ず、腐食されない。また、露出している素地鋼板は、面
積が非常に小さいので、第3層のAlめっき層との間に形
成される局部電池のガルバニック電流は非常に小さく、
第3層の腐食速度は非常に小さい。
(4)孔食による腐食が拡大し、第3層のAlめっき層の
犠牲防食作用が第1層のZrめっき層にまで及ばない範囲
にまで拡大しても、第1層のZrめっき層のピンホールを
第2層や第3層の腐食生成物[例えばAl(OH)3など]
が封じ込めるので、素地鋼板の腐食は防止される。
なお、めっき層の構造がAl/Zrの2層めっきの場合
は、前記(1)(2)および(4)の効果が小さいた
め、本発明の複層めっき鋼板より耐食性が劣る。
(5)第1層のZrめっき層は、加熱しても素地鋼板と合
金層を形成しない。Al−Zr合金めっき層が素地鋼板と接
触していると、このようなバリヤー効果はなく、Alが素
地鋼板に拡散して、Al−Fe合金層を生成してしまう。
第1層のZrめっき層による耐食性、耐熱性改善効果
は、膜厚が0.05μm以上であれば認められるが、あまり
厚くすると、加工性の低下を招く。
第2層のAl−Zr合金めっき層の耐食性改善効果は、膜
厚が0.05μm以上で認められ、それ未満では満足できる
改善効果は得られない。この第2層は、膜厚をあまり厚
くすると、加工性が低下するので、成形加工時に割れが
生じる恐れがある。なお、蒸着や熱拡散で得られるAl−
Zr合金めっき層をX線回折してみると、加工性のあまり
良好でないAl3Zrを主成分とするものであることから、
第2層の加工性は、あまり良好でないものと推定され
る。このため、このAl−Zr合金めっき層は、Zrを1〜50
wt%以下にし、加工性を良好になるようにするのが好ま
しい。
第3層のAlめっき層の加工性は、膜厚に関係なく良好
であるが、0.5μm未満では耐食性、耐熱性が不十分で
ある。
第1層から第3層までの合計膜厚は、0.6以上、20μ
m未満にするのが好ましく、できれば3μm以上、10μ
m未満にする。0.6μm未満であると、耐食性、耐熱性
が不十分であり、20μm以上にすると、蒸着の際の蒸着
蒸気凝縮熱により鋼板温度が上昇して、鋼板の機械的性
質が損なわれる恐れがあり、しかも、製造コストも高く
なる。
前述のように、第1層と第2層は、膜厚を厚くする
と、加工性が低下し、加工後の耐食性を劣化させるの
で、第1層と第2層の合計膜厚は全膜厚の60%以下、好
ましくは30%以下にする。
本発明の複層めっき鋼板は、つぎのようにすれば製造
できる。
第1の方法は、二元同時蒸着法による方法である。す
なわち、真空槽内の鋼板の入側にZr蒸発源を、出側にAl
蒸発源を配置して、各蒸発源からZr、Alを蒸発させた場
合、Zr蒸気とAl蒸気の一部が鋼板の進行位置で重なり合
うようにする。このようにすれば、鋼板の入側からZr蒸
気、Al−Zr混合蒸気、Al蒸気が存在するので、鋼板の通
板によりZr、Al−Zr合金、Alが順次めっきされる。
全めっき層の膜厚、各めっき層の膜厚比率は、各蒸発
源への投入電力の大きさおよび比率、Zr蒸発源とAl蒸発
源の間隔、蒸発源と鋼板の距離、真空度、蒸着時間など
により調整する。
第2の方法は、第1層のZrめっき層を蒸着法により形
成した後、Alを蒸着して、鋼板温度とAl蒸気の凝縮熱と
によりAlをZrめっき層表層に熱拡散させ、Al−Zr合金化
させる方法である。この方法によれば、Alの蒸着でAl−
Zr合金めっき層とAlめっき層を形成できる。
これらの第1、2の方法での各金属の蒸着は、電子ビ
ーム、アーク放電、スパッタリングによればよい。
(実施例) 次の蒸着法により素地鋼板側からZr/Al−Zr合金/Alの
各めっき層を順次形成された3層めっき鋼板を製造し
た。
(1)蒸着法1 真空室の入側にはZrを入れた水冷銅ハースが、出側に
はAlを入れたセラミックス製るつぼがそれぞれ配置さ
れ、Zr蒸気とAl蒸気の一部が鋼帯の通板位置で混合する
ように水冷銅ハースとセラミックス製るつぼとの間隔が
調整された二元真空蒸着装置の真空室にアルカリ電解脱
脂したAlキルド冷延鋼帯(板厚0.6mm)を通板して、真
空度1×10-4〜1×10-5Torrに排気した後、イオンビー
ム発生装置からビーム状のArイオンを加速電圧5KVで鋼
帯に衝突させて、鋼帯表面の酸化物などの不純物を除去
し、表面を活性化させた。次に、同真空度で鋼帯を移動
させながら、Zr、Alを電子ビームで溶解、蒸発させて、
Zr、Al−ArおよびAlを順次蒸着した。
(2)蒸着法2 真空室内にZrを入れた水冷銅ハースと、Alを入れたセ
ラミックス製るつぼとが配置され、Zr蒸着とAl蒸着とを
切り替えできるようにされた真空蒸着装置の真空室にア
ルカリ電解脱脂したAlキルド冷延鋼板(板厚0.6mm)を
セットして、蒸着法1の場合と同様の方法により鋼板表
面を活性化させると同時に鋼板温度を400度に加熱し、
電子ビーム蒸着によりZr蒸着した。次に、電子ビーム蒸
着によりAlを蒸着し、蒸着Alの凝縮熱で鋼板温度を600
度に上昇させ、Zrめっき層表層をAl−Zr合金化した。
以上の蒸着法により製造した3層めっき鋼板とAlまた
はZrの単層蒸着めっき鋼板、Zr(下層)/Al(上層)の
複層蒸着めっき鋼板、Si9%含有溶融Alめっき鋼板とに
次の試験を実施した。
(1)密着性試験 めっき面を外側にして、180度密着折り曲げして、折
り曲げ部にセロテープを貼付けて引き剥がし、めっき層
の剥離有無を次の基準で表示した。
〇 めっき層の剥離なし × めっき層の剥離あり (2)加工前耐食性試験 JIS Z 2371に準じて塩水噴霧試験を行い、赤錆の発生
するまでの時間を次の基準で評価した。なお、試験片に
は、70×150mmの寸法のものを用い、端面および裏面は
シールした。
〇 500時間で赤錆発生せず △ 200〜500時間で赤錆発生 × 200時間未満内に赤錆発生 (3)加工後耐食性試験 めっき面を外側にして、直径41.5mm、深さ25mmの円筒
絞り加工を行い、加工前耐食性試験と同一塩水噴霧試験
を実施し、同様の基準で赤錆の発生状態を評価した。
(4)耐熱性試験 大気中で800℃で8時間加熱後、16時間空冷する加熱
−冷却を1サイクルとするサイクル試験を3回実施した
後、サイクル試験前と試験後の酸化増量を測定し、次の
基準で評価した。
〇 酸化増量50g/m2以下 △ 酸化増量50g/m2超、100g/m2以下 × 酸化増量100g/m2超 第1表にこれらの試験結果をまとめて示す。
(発明の効果) 以上のように、本発明の複層めっき鋼板は、従来のAl
めっき鋼板より耐食性、耐熱性および加工性が優れてい
る。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鋼板表面に第1層として、Zrめっき層が形
    成され、その上に第2層として、Zrを1〜50wt%含有す
    るAl−Zr合金めっき層が形成され、さらにその上に第3
    層として、Alめっき層が形成されていて、これらの各め
    っき層が蒸着めっき層で、Zrめっき層およびAl−Zr合金
    めっき層の膜厚がそれぞれ0.05μm以上、Alめっき層の
    膜厚が0.5μm以上であり、かつ、全膜厚が0.6〜20μm
    であることを特徴とする蒸着複層めっき鋼板。
  2. 【請求項2】Zrめっき層とAl−Zr合金めっき層の合計膜
    厚が全膜厚の60%以下であることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項に記載の蒸着複層めっき鋼板。
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