JP4054689B2

JP4054689B2 - 表面外観性に優れた塗装溶融Ａｌ−Ｚｎ系合金めっき鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP4054689B2
Application number: JP2003022389A
Authority: JP
Inventors: 千寿子後藤; 洋一飛山; 英男笹岡; 日出夫高村
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Galvanizing and Coating Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Galvanizing and Coating Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP2004232029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建材、家電などの分野で広く利用されている溶融Al-Zn系合金めっき鋼板に塗装を施した塗装鋼板に係わり、とくに曲げ加工を強制された部位においても塗装被膜の表面外観が損なわれることのない表面外観性に優れた塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板を製造するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主に、屋根や外壁用のサイディング等の建築材料に用いられる塗装鋼板は、その原板に、各種鋼板の他、表面処理鋼板が用いられている。表面処理鋼板としては、例えば合金化溶融亜鉛めっき鋼板が用いられ、そのめっき層上に、化成処理被膜や有機樹脂塗装被膜を形成したものが上記使途に供されている。
【０００３】
塗装鋼板の原板に適用される合金化溶融亜鉛めっき鋼板の中でも、Alを30〜70mass％含むAl-Zn系合金めっき層を有する高Al-Zn系合金めっき鋼板は、溶融Znめっき鋼板やめっき層のAl含有量が30mass％以下の低Al-Zn系合金めっき鋼板に比べて、耐食性、耐熱牲に優れているので、屋根、サイディング等の建築材料を中心に需要が急激に伸びている。
【０００４】
この高Al-Zn系合金めっき鋼板は、Al濃度が高くなるほど加工性が劣化するという問題点がある。これはAl濃度とともにめっき層が硬くなり、鋼板の変形にめっき層が追随できなくなるためである。例えば、建物の施工時にしばしば行われる、曲げ並びに曲げ戻し加工や高エンボス加工のコーナー部などの厳しい加工箇所では、めっき層にクラックが不可避に発生するのである。
【０００５】
かようにめっき層にクラックが発生すると、その上に施した塗装被膜にも影響が及ぶ結果、この塗装被膜にひび割れや、極端な場合は亀裂が発生し、その表面外観が著しく損なわれ、商品価値の低下をまねくことになる。
【０００６】
ここで、特許文献１には、高Al-Zn系合金めっき塗装鋼板の塗膜クラックを課題の１つに掲げ、この課題をおもに塗装中の樹脂成分の配合比を変えて、塗装の延性とめっき層との密着性を両立させることによって、解決することが記載されている。しかし、この技術は、塗料のコストアップとなるばかりでなく、めっき層の延性が塗膜より劣る場合は、密着性が良好なためにかえってめっき層にクラックが発生するという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開2002−226960号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、高Al-Zn系合金めっき鋼板を原板とする塗装鋼板、とくに曲げ加工を強制された部位の塗装被膜に表面欠陥の発生がない、表面外観性に優れた塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板を製造する方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨構成は、次のとおりである。
（1）Al：40〜70mass％およびSi：0.5mass％以上2.0mass％未満を含み、かつSrをSi含有量の0.5〜２mass％含有する組成のめっき浴に、鋼板を浸漬してめっきを施す際に、そのめっき浴温および鋼板のめっき浴浸入時温度を（液相線＋25℃）以下の範囲に制御し、このめっき浴から鋼板を引き上げてから560℃までの間を３℃／ｓ以上で冷却し、引き続き560℃〜固相線までの温度域を10℃／ｓ以下で冷却するか、または同温度域に6秒以上保持し、その後被膜を形成することを特徴とする表面外観性に優れた塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板の製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を導くに到った実験結果について、詳しく説明する。
すなわち、Si添加量、めっき浴温とその浸入板温、引き上げ後のヒートパターンなどを変化させることにより、めっき合金層厚やめっき層の構造を様々に変化させた、55mass％Al−Zn系合金めっき鋼板を作製し、この試料にCr付着量35mg/m²のクロメート処理、付着量10g／m²のプライマー塗装を介して、付着量34g/m²の高分子ポリエステル系の一般的な有機樹脂塗装を施し塗装鋼板とした。
【００１５】
これらの試料にJIS Ｚ2248の規定に準拠して２ｔ曲げ試験を行い、その曲げ部の断面を走査型電子顕微鏡（SEM）で500倍および2000倍で撮影し、クラック発生部位におけるめっき層および塗装被膜の開口幅と、めっき合金層の厚みおよび同合金層を含むめっき層の全厚とを測定した。それらの測定結果を、めっき層および塗装被膜の開口幅と、めっき層の全厚に占める合金層厚の比率（以下、合金層厚比と示す）とに整理し、図１に示す。この実験に用いた一般的な塗料の場合、めっき層にクラックが発生しても、その開口幅が約20μｍ以下であれば、塗装被膜側にはクラックが発生しないことがわかる。
【００１６】
このようなめっき層における開口幅の小さいクラックは、合金層厚比が７％未満の試料では少なく、合金層厚比が７％以上の試料、とくに15〜24％の試料に多数存在することがわかる。
以上から、塗装鋼板の表面外観性を改善するための要件は、
（i）合金層をある程度発達させ、上層のめっき層への応力集中を緩和させること、
（ii）めっき層に垂直方向にAl-Zn共晶組織やSi析出物を発達させることにより、クラックの伝播経路を分散させること、
が重要であることを見出した。
【００１７】
次に、本発明が対象とする塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板について、その原板である溶融Al-Zn系合金めっき鋼板のめっき層の組成から順に説明する。
（めっき層の組成）
まず、溶融Al-Zn系合金めっき層は、40〜70mass％のAlを含有することが肝要である。すなわち、Alはめっき層の主要元素であり、40mass％未満ではめっき層の耐食性が不十分となり、一方70mass％を超えるとめっき層が硬くなり曲げ加工性が劣化し、また切断部端面の耐食牲も劣化する。より好ましくは、45〜60mass％の範囲である。
【００１８】
さらに、Siを0.5 mass％以上 2.0mass ％未満の範囲で含むことが好ましい。Siは、従来、界面合金層の厚みを抑制するためにめっき浴に添加する元素で、55mass％Al-Zn系合金めっきの場合、約1.6mass％の含有量が一般的である。すなわち、0.5mass％より少ないと、浴温、浸入板温を下げても界面合金層が30％より厚く生成してしまい、表面外観性は改善しない。一方2.0mass％以上になると、浴中に多量のドロスが発生し、浴管理がきわめて煩雑になる。また、Si含有量が1.6〜1.9mass％の範囲で合金層の厚みを7〜30％に制御しようとすると、浴温を高くする必要があり、スパングルが粗大化するので、加工性改善効果はそれほど大きくない。スパングルを粗大化させることなく界面合金層を全めっき厚みの7〜30％に規制するためには、Siを0.5 mass％以上2.0mass％未満の範囲とする。
【００１９】
さらにまた、SrをSi含有量の0.5〜２mass％で含むことが好ましい。この元素は、合金層生成に消費されずにめっき層中に析出するSiの表面に偏析し、粗大化を抑制するとともに、めっき表面に濃化し表面性状を改善する効果を持つ。Sr量がSi含有量の0.5mass％より少ないと、これらの効果が発揮されない。一方、同２mass％を超えて過剰に添加されると、浴中ドロスが増えるばかりでなくSr主体の析出物がめっき層中に存在するようになり、加工牲が劣化する。
【００２０】
（合金層の厚み）
本発明では、合金層の厚みを合金層を含む全めっき層厚の7〜30％とすることが肝要である。合金層がこの範囲のとき、めっき層の応力集中が緩和され、しかも鋼板と合金層および上層めっきとの密着性も良好になる。これより薄いと、曲げ変形に対する合金層の応力緩和効果が起こらず、めっき層に開口部の広いクラックが発生し、その影響が塗装被膜にまで及ぶことになる。これより厚くなると、合金層が粉状に脆性破壊し、いわゆるパウダリングが発生し易くなり、やはりその影響が塗装被膜にまで及ぶことになる。より好ましい範囲は15〜24％である。
【００２１】
（めっき付着量）
鋼板片面当たり40g/m²以上とすることが好ましい。これより薄いと、十分な耐食性を発揮できなくなる。
【００２２】
（被膜）
めっき層上の被膜は、めっき層側から順に化成処理層、プライマー層および有機塗膜層から構成される積層に成ることが好ましい。通常は、化成処理層、プライマー層そして有機塗膜層の形成は、通常の塗装鋼板、例えばＰＣＭ（プレコート鋼板）を製造するのに採用されているものを用いればよい。詳しくは、次の通りである。
【００２３】
・化成処理層：通常のクロメート処理、リン酸処理などを用いることができる。・プライマー層：エポキシ、変性エポキシ、ポリエステル、変性ポリエステル樹脂等に必要に応じて防錆顔料（たとえばジンククロメート、クロム酸ストロンチウム、クロム酸バリウム等）、硬化剤（メラニン、イソシアネート樹脂等）を混ぜたものを用いることができる。
【００２４】
・有機塗膜層：一般に知られているポリエステル系塗料、フッ素樹脂系塗料、アクリル樹脂系塗料、塩ビニル系塗料、シリコーン系塗料等の上塗り塗料を適当量塗布・焼付けすることによって得ることができる。なお、プライマーと上塗り塗料に体質顔料を添加して高延性を付与することは好ましい。また、これらの塗膜に種々の着色顔料や無機質骨材を適宜添加することも可能である。
【００２５】
次に、上記の塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板の製造方法について説明する。
まず、本発明で使用する鋼板は、通常の方法で製造した鋼板、例えば
低炭素アルミキルド鋼板や極低炭素鋼板がいずれも好適に使用できる。これらの鋼板は冷間圧延後、電解脱脂と酸洗により洗浄され、連続焼鈍により再結晶を兼ねた熱処理が施され、さらにめっき浴に浸漬され、めっき層が形成される。めっき浴の組成は、めっき層の組成と実質同一でよい。
【００２６】
めっき浴温と鋼板の浸入板温は、合金層厚の制御のために浴中のSi含有量に応じて以下のように調節する必要がある。
まず、Si量が0.5mass％以上2.0mass％未満の浴を使用する場合は、鋼板のめっき浴浸入温度を（液相線＋25℃）以下とする。これより高温では合金層を全めっき厚みの30％以下にできないばかりか、合金層の形態も変化してしまうので、加工性の改善は得られない。より好適な範囲は、（液相線＋15℃）以下の温度である。
【００２７】
めっき付着量の調整は、通常用いられているガスワイピングを用いることができる。合金層厚の制御のために、ワイピング後の冷却パターンも、浴中のSi含有量に応じて以下のように変えなければならない。
まず、Si量が0.5mass％以上2.0mass％未満の浴を使用する場合は、めっき浴引き上げ後560℃までの間を３℃／ｓ以上の速度で冷却し、560℃〜固相線の温度までの温度域を10℃/以下で冷却するか、または同温度域での６秒以上の保持を行う。すなわち、前者の冷却速度が３℃／ｓより遅いと、合金層を全めっき厚の30％以下にできず、表面外観性の改善効果が得られない。
【００２８】
後者の560℃〜固相線までの徐冷または保持は、めっき層に垂直方向にAl-Zn共晶組織を発達させることを主目的としているため、これより冷却速度が速いか、５秒以下の保持では、その効果が得られない。また、この処理により若干であるが、デンドライトの内部歪みも緩和されることから、５℃以下の徐冷または10秒以上の処理温度の範囲、冷却速度、そして保持時間が上記の範囲を外れると、効果が得られない。
【００３０】
なお、固相線以下の温度域でのヒートパターンはとくに限定する必要はないが、デンドライト相の内部歪みを緩和させる目的で、250〜175℃の間を３℃／ｓ以下の徐冷または15秒以上の保持を行うことは可能である。
【００３１】
このようにして製造された溶融Al−Ｚｎ系合金めっき鋼板に、化成処理を行い、さらにプライマー層を形成した後有機塗膜層を形成する。化成処理は、通常用いられているクロメート処理液、リン酸処理液をスプレー、浸漬、ロールコーター等によりめっき面に塗布し、乾燥することにより得られる。プライマー層と有機塗膜層の形成も、塗料の塗布厚み、塗布方法（スプレー、ロールコーティング、刷毛塗り等）のいずれも通常のＰＣＭで採用されている程度で十分である。
【００３２】
なお、上記した化成処理層、プライマー層、有機塗膜層の形成に際し、塗布後の乾燥・焼き付け処理の最高到達温度を160〜250℃とし、この間を合計で15秒以上、より好ましくは30秒以上保持することが好ましい。
【００３３】
【実施例】
実施例１
Ｃ：0.043mass％、Si：0.01mass％、Ｓ：0.005mass％およびAl：0.0013mass％を含み、残部Ｆeおよび不可避的不純物からなる低炭素冷延鋼板に、連続式溶融めっき設備によって、溶融Al-Zn合金めっきを施し、溶融Al-Zn合金めっき合金鋼板とした。めっき浴の母合金には、99.9mass％Znインゴット、99.99mass％Alインゴットを用い、これに13mass％Si-Al合金、10mass％Sr-Al合金インゴットを用いて、表１の組成になるように、めっき浴の成分調整を行った。
【００３４】
【表１】
【００３５】
次いで、成分調整されためっき浴に、表２に示す浴温と浸入板温で鋼板を２秒間浸漬させた後引き上げ、付着量（片面）が45g/m²となるようにガスワイピングを行い、その後表２に示すヒートパターンで冷却し、伸び率0.7％のテンションレベラーで平滑化し、コイルに巻き取った。得られた溶融Al-Zn合金めっき鋼板を、幅100mm、長さ250mmの試験片に切断し、伸び率0.5％のスキンパス圧延を行った後、クロメート処理、プライマー塗装および有機樹脂塗装を、それぞれの付着量がCr:35 mg/m²、9g/m²および30g／m²となるように行い、塗装溶融Al-Zn合金めっき鋼板とした。かくして得られた塗装鋼板の、めっき層および合金層の厚みを測定するとともに、塗装後の表面外観性を曲げ加工部位について評価した。その結果を、表２に示す。なお、測定および評価方法は、次のとおりである。
【００３６】
めっき層および合金層の厚み測定：コイルの幅方向の任意の位置から5箇所、幅15mm、長さ10mmの試験片を切断し、断面が出るようにカーボン樹脂に埋め込み、ダイヤモンドペーストでバフ研磨後、直ちにSEM観察した。各試料から2000倍で3視野撮影し、写真からそれぞれの厚みを測定し、合金層厚比（合金層の厚み／合金増を含むめっき層の厚み×100％）を計算し、その平均値を求めた。
【００３７】
・塗装後の表面外観性を曲げ加工部位についての評価：２ｔ曲げ試験およびエリクセン5mm押し出し試験を実施した。２ｔ曲げ試験は、試料を幅50mm、長さ50mmに切断して試験片とし、JIS Z2248に準拠して曲げ半径１ｔで行った。２ｔ曲げの亀裂発生状況は、100倍のマイクロスコープで幅方向に10mm間隔で４箇所写真撮影し、各写真の亀裂の面積占有率を5段階で評価し、平均値を算出した。
【００３８】
エリクセン5mm押し出し試験は、試料を幅100mm、長さ60mmに切断し、幅方向に、３箇所押し出し試験を行なった。なお、エリクセン5mm押し出し試験試料の亀裂発生状況は、以下に述べる複合サイクル腐食試験を行い、３箇所の白錆発生の面積率を測定し、平均値を算出した。
・複合サイクル腐食試験
１サイクル：5％NaCl水溶液噴射（35℃）を4時間→乾燥2時間→
恒温湿潤雰囲気（49℃、相対根付湿潤率95％）に4時間保管
以上を200サイクル実施
【００３９】
【表２】
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、高Al-Zn系合金めっき鋼板を原板とする塗装鋼板において、とくに曲げ加工を強制された部位の塗装被膜に表面欠陥の発生が有利に抑制されるため、表面外観性に優れた商品価値の高い塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】めっき層および塗装被膜の開口幅と合金層厚比との関係を示す図である。

Claims

Al：40〜70mass％およびSi：0.5mass％以上2.0mass％未満を含み、かつSrをSi含有量の0.5〜２mass％含有する組成のめっき浴に、鋼板を浸漬してめっきを施す際に、そのめっき浴温および鋼板のめっき浴浸入時温度を（液相線＋25℃）以下の範囲に制御し、このめっき浴から鋼板を引き上げてから560℃までの間を３℃／ｓ以上で冷却し、引き続き560℃〜固相線までの温度域を10℃／ｓ以下で冷却するか、または同温度域に6秒以上保持し、その後被膜を形成することを特徴とする表面外観性に優れた塗装溶融Al-Zn系合金めっき鋼板の製造方法。