JP3009262B2 - 疲労特性に優れた溶融亜鉛アルミニウム合金めっき被覆物 - Google Patents

疲労特性に優れた溶融亜鉛アルミニウム合金めっき被覆物

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JP3009262B2 JP3236824A JP23682491A JP3009262B2 JP 3009262 B2 JP3009262 B2 JP 3009262B2 JP 3236824 A JP3236824 A JP 3236824A JP 23682491 A JP23682491 A JP 23682491A JP 3009262 B2 JP3009262 B2 JP 3009262B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、溶融亜鉛アルミニウム
合金めっきにおける高耐食性及び美麗な外観を保持しな
がら疲労特性を著しく改善した被覆物に関する。
【0002】
【従来の技術およびその問題点】溶融亜鉛アルミニウム
合金めっきはその簡便な手段により容易に高耐食性を備
えた被覆物を得ることができることから鋼材の防錆手段
として広く実施されている。さらに、例えば特公昭63
−50419号、特公昭63−50421号では、めっ
き被覆物の表面外観をより向上させるために、Zn−A
l合金に微量のナトリウムを含有させている。このよう
な従来の溶融亜鉛アルミニウム合金めっき被覆物によれ
ば、高耐食性と共に美麗な表面外観を有するため、通常
の使用環境においては、何ら問題は生じない。
【0003】しかしながら、溶融亜鉛めっき鋼材あるい
は溶融亜鉛アルミ合金めっき鋼材が、めっきを施してい
ない鋼材(以下、素材と記す)に比べて、疲労特性が場
合によっては20〜30%程度低下することが指摘され
ている(例えば、Scandinavian Journal of Metallurgy
18 166-175頁、1989、CAMP-ISIJ Vol.2 1680(1989))。
この従来の被覆物における疲労特性の低下は、繰返し応
力が付加されるような使用環境、特に電線、ケーブル等
の長尺材では極めて重要な要素となる。
【0004】これら疲労特性低下の原因としてめっきに
関係する要因として、 めっき層中に存在するFe−Zn、Fe−Alあるい
はFe−Al−Zn系の硬くて脆い合金層(金属間化合
物)の発達、 合金層中に存在するマイクロクラック、ボイドの存
在、 めっき層の引張残留応力の存在、 めっき層表面の凹凸、マイクロクラックの存在、 めっき前処理時の水素吸蔵、 等の可能性が挙げられる。これらの要因は溶融めっきの
前処理、めっき浴組成、温度、浸漬時間等のめっき条件
とめっき後のワイピング、冷却条件によって複合的に生
じる現象であり、真の原因解明、対策の実施は難しい場
合も多い。
【0005】従来、疲労特性の改善方法としては、特開
平2−259054号のように、めっき後の冷却速度を
4〜15℃/秒の一定範囲にコントロールする方法、あ
るいは特開平2−290981号のように、合金層厚さ
を2μm以下とする方法等が提案されている。
【0006】しかしながら、特開平2−259054号
記載の方法は、合金層が厚い場合等、他の低下要因があ
る場合には、改善効果が十分でなく、現実にはめっき表
面にマイクロクラックが生じていなくてもめっき層内部
を起点として起こる疲労亀裂も多く観察されている。ま
た、特開平2−290981号記載の方法は、疲労特性
低下の主要な要因である合金層の厚さを薄くするという
意味ではかなり効果的な方法ではある。しかし、合金層
を2μm以下としても表面粗さの大きなめっき材では表
面を起点とする疲労亀裂に対しては効果が薄い。さら
に、合金層厚さを薄くし且つ全体めっき厚さのを維持す
るためには、引上速度を上昇させなければならず、めっ
き厚さの均一性維持、振動、偏肉防止のための操業技術
が難しくなる。また引上速度を変えずに合金層を薄くし
た場合には、全体めっき厚さが減少し、めっき厚さに依
存すると言われている耐食性が低下することとなる。こ
のように、各単独の要因のみのコントロールでは疲労特
性改善には不十分であり、より効果的で、しかも操業が
容易な改善方法が求められている。
【0007】本発明は、上記のような現状に鑑み、高耐
食性及び美麗な外観を有する、微量のナトリウムを含有
した溶融亜鉛アルミニウム合金めっき被覆物に着目し、
その利点である高耐食性及び外観をそのまま保持しつ
つ、その疲労特性を大幅に改善し得る溶融亜鉛アルミニ
ウム合金めっき被覆物を提供することを目的とするもの
である。
【0008】
【問題点を解決するための手段】本発明では、アルミニ
ウム0.1〜30重量%、ナトリウム0.005〜0.
10重量%を含有し、残部が不純物を別にして亜鉛から
なる溶融亜鉛アルミニウム合金めっきにおいて、Zn−
Al層と下地鋼材の界面に生成する合金層層を30μm
未満とし且つめっき表面を最大粗さ(Rmax)で30
μm未満とすることにより前記課題を達成したものであ
る。
【0009】このような本発明は、本発明者らが、先に
示した疲労特性低下要因である〜の何が真の原因で
あるかを鋭意検討した結果、得られたものであり、以下
にそれらを詳細に説明する。
【0010】試験は各要因を単独に変化させながら平面
曲げ疲労試験を行い、疲労過程で生じるクラックの起点
の位置、疲労破断に至るまでのクラックの伝播の仕方を
観察することによって行った。この結果、以下の知見を
得た。
【0011】(1)合金層厚さが30μm以上に発達し
た場合は、Fe−Zn,Fe−AlあるいはFe−Al
−Znの合金層内に存在する微細なボイド、クラック等
の欠陥部分ないしは最も硬度の高い鋼素地側の合金層と
鋼素地の界面に疲労初期クラックが現われ、表面側と鋼
素地側にクラックが伝播する。さらに、合金層と鋼素地
の界面では密着力の弱い界面に沿ったクラックも生成す
る。こうして最終的には破断に至る。表面に切欠効果と
なるような極端な欠陥が無ければ、表面には疲労起点は
見られない。
【0012】(2)合金層厚さが30μm未満の場合に
は、(1)の場合以外に、めっき表面を起点とする場合
が見られ、両者が同時に観察される場合もある。表面に
起点を生じた場合には、クラックは粒界に沿って、合金
層、さらに鋼素地に達する。特に表面粗さが最大粗さ
(Rmax)で30μm以上になった場合には、表面か
らのクラック発生が支配的である。
【0013】(3)なお、めっき条件及び冷却条件につ
いては、a)前処理の水素吸蔵の要因は排除できるもの
であり、b)凝固時のめっき層の収縮による引張残留応
力の存在あるいはめっき表面の収縮によるマイクロクラ
ックとする要因は該当しないものである。
【0014】以上の知見から、合金層厚さを30μm未
満に抑え、めっき表面粗さを最大粗さ(Rmax)で3
0μm未満に抑えることによって、素材に対して疲労限
度低下率が15%未満の疲労特性の優れた溶融亜鉛アル
ミニウム合金めっき被覆物が得られることが判明した。
【0015】上記のような被覆物を得るには、例えば、
次のような条件の下で溶融めっきを行う。すなわち、 a)鋼材素材はできる限り平滑とする。 b)めっき浴温度はめっき浴組成物の融点よりプラス2
0〜50℃の範囲の一定温度(±5℃)に保ち、浸漬時
間はできる限り短くする。例えば5分以内とする。めっ
き浴温度がめっき浴組成物の融点より+20℃未満では
浴の粘度が上がり外観不良となる。また、+50℃以上
では合金層が発達し、30μm以上となる。 c)めっき引上時のワイピング条件は特に限定されない
が、均一なワイピングを行う必要がある。 d)めっき後の冷却は、表面粗さを30μm以上に粗く
しないように、均一に冷却することが必要である。合金
層が発達しなければ例えば60℃/秒以下の徐冷側が望
ましい。なお、冷却速度が60℃/秒を上回ると、表面
粗さが30μm以上となり、不良めっきとなって疲労特
性が低下する。
【0016】以上の条件が主要な条件であり、他の条件
は合金層厚さや表面粗さに影響させない限り、大きな影
響は無い。
【0017】例えば、その他の条件として、めっき方法
は直接めっきとしても、あるいは2度浸漬めっき方法
等、複数回のめっき、Znめっき後のZn−Alめっき
のいずれも可能である。また、直接Zn−Alめっき
後、組成を変えた別種のZn−Alめっきを施すことも
できる。めっき浴組成として、公知の耐食性向上の目的
で皮膜脆性に影響しない範囲で微量のMg添加、表面
性、濡れ性等の改善を目的としたミッシュメタル、その
他Li,Sb,Cu,Ni等の添加も可能である。さら
に、めっき後の処理加工として、表面粗さの調整のため
に、めっき後に表面加工、スキンパス、研磨、加圧、化
学処理を行っても良い。なお、めっき層厚さについて
は、合金層厚ささえ厚くならなければ、めっき層が厚く
なっても疲労特性は低下せず、直接疲労特性には影響し
ない。通常、工業的に達成される10〜100μmの広
い範囲にわたって、先の合金層厚さや表面粗さと疲労特
性の関係が成り立つ。
【0018】以下、実施例につき説明する。
【実施例】めっき素材として、一般構造用圧延鋼材SS
41(分析結果、C:0.048wt%,Si:0.018wt%,Mn:
0.330wt%,Cr:0.021wt%,S:0.009wt%)の同一ロット
から加工したJISZ22751号試験片(54W×110L
×1.2Tmm)の板であって、表面をRmaxで10〜15
μmに表面仕上げしたものを、通常のめっき前処理、す
なわち、アルカリ脱脂−水洗−酸洗(HCl)−水洗−
フラックス処理−乾燥を施し、めっき浴に浸漬した。
【0019】めっき条件は、めっき浴組成として、純亜
鉛99.995%浴と純亜鉛99.995%亜鉛に9
9.99%Al及びNaを添加した浴を用いた。但し、
Alが10%以上の組成ではめっき浴中にSiを含有さ
せ、付着量を調整した。めっき温度は浴の融点+20〜
100℃の範囲とし、浸漬時間は0.3〜10分間の範
囲とした。
【0020】めっき浴からの引上げるときの冷却条件
は、水、油又はN2ガスにて調整して冷却速度20〜1
00℃/秒の範囲とした。めっき後、光学顕微鏡により
疲労試験前後のめっき層断面観察とSEM観察、EPM
A観察を実施した。また、表面粗さは、粗さ計でめっき
表面の曲げを受ける部分全面にわたりRmax等を測定
した。そして、疲労試験機は島津万能疲れ試験機UF−
15形を用い、繰返し応力15〜30kgf/mm
2(片振)、繰返し回数最大107回、平面曲げ試験と
し、実施した。これらの結果を次表に示す。
【0021】
【表1】
【0022】以上の結果より、めっき温度、浸漬時間、
めっき後の冷却時間を選択し、合金層厚さ30μm未満
とし、表面粗さRmaxを30μm未満に保つことによ
りめっき外観、疲労特性の優れためっき被覆物が得られ
ることが判る。
【0023】なお、めっき浴中に、0.001〜0.1
重量%の範囲で、マグネシウム、リチウム、ミッシュメ
タル、ストロンチウム、銅又はニッケルの中から選ばれ
る1種又は2種以上を添加しても同様の結果が得られ
た。また、めっき素材をSPCC冷延鋼板、鋼線に変更
した場合にも同様の結果が得られた。さらに、めっき方
式を次のように変更した場合にも先のめっき層全体厚
さ、合金層厚さ及び表面粗さの条件さえ満足すれば良好
な結果が得られることが判った。 1)亜鉛めっき後、再び亜鉛めっき、 2)亜鉛めっき後、亜鉛アルミニウム合金めっき、 3)亜鉛アルミニウム合金めっき後、再び亜鉛アルミニ
ウム合金めっき、 4)亜鉛アルミニウム合金めっき後、Al等組成の異な
る亜鉛アルミニウム合金めっき。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
めっき方法の範囲で大幅な条件変更を伴わず、容易に操
業が可能で、微量のナトリウムを含有した溶融亜鉛アル
ミニウム合金めっき被覆物の利点である高耐食性及び外
観の良好さがそのまま保持され、しかもその疲労特性が
大幅に改善された溶融亜鉛アルミニウム合金めっき被覆
物が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾城 武司 埼玉県上尾市原市1333の2 三井金属鉱 業株式会社総合研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 2/00 - 2/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム0.1〜30重量%、ナト
    リウム0.005〜0.10重量%を含有し、残部が不
    純物を別にして亜鉛からなる溶融亜鉛アルミニウム合金
    めっきにおいて、Zn−Al層と下地鋼材の界面に生成
    する金属間化合物層を30μm未満とし且つめっき表面
    を最大粗さ(Rmax)で30μm未満としたことを特
    徴とする疲労特性に優れた溶融亜鉛アルミニウム合金め
    っき被覆物。
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