JP4777158B2

JP4777158B2 - 溶融亜鉛めっき線およびその冷却装置

Info

Publication number: JP4777158B2
Application number: JP2006169093A
Authority: JP
Inventors: 順一児玉; 康行渡邊
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: JP2007332450A

Description

本発明は、亜鉛を主体とするめっき組成を有する加工性、表面性状が良好で、偏肉が少ない溶融めっき線および溶融めっき線を製造するための冷却装置に関するものである。

従来より、溶融めっきは亜鉛の犠牲防食、バリヤ効果により鋼の防食処理として適用されてきた。この溶融めっきを施した溶融めっき線を金網等に使用する場合や、その他の固定用途に使用する場合、めっき線は各種曲げ加工を受ける。この曲げ加工部分には引張り歪が発生するために溶融めっき線のめっき表面（めっき層）に割れが発生することがある。めっき層に割れが発生すると、割れが無い場合に比べ、短時間で腐食生成物が生成し、防食効果が低下する課題がある。
また、めっき線の表面が平滑でない場合は外観不良による商品価値の低下と共に比表面積の増加により腐食が促進する課題も存在する。
さらに、めっき層の厚さの不均一による偏肉が大きい場合もめっき層が薄い部分の耐食性が低下し、この部分がめっき線全体の耐食性を律速し、耐食性が低下するという問題がある。

そこで、溶融めっき線には各種製品への加工時にめっき層が割れたり、はく離しないこと、めっき表面が平滑で綺麗な外観を有し、局部腐食の発生を抑制するために均一なめっき厚さが形成されていることが要求される。

従来、めっき層の加工性を改善するための技術としてはめっき層の初晶幅を３μｍ以下に限定したもの（特許文献１）があるが、めっき層の亀裂はめっき層組織よりも結合強度が低い結晶粒界から発生するために初晶幅の微細化のみでは十分な改善効果は得られない。

また、めっき線を製造するための冷却方法、装置としては各種提案があり、気体およびミストを吹き付けて冷却する方法（特許文献２）。冷却に空気や性状を制御したガスを用い、ガス流れを制御することにより冷却する装置や方法（特許文献３、４、５）、が提案されている。しかし、ガス冷却やミストスプレーでは十分な冷却効率を得ることが出来ない。一方、より効率的な水冷を行うために水槽を設け、水槽内をめっき線を通線し、冷却する方法も提案されている（特許文献６、７、８）。しかし、水槽による水冷方法ではめっき線の入線部からの水漏れを防止することが出来ず、実用上適用が困難である。

従って、これらの先行技術に於いてもめっき付着量が２５０ｇ／ｍ²以上の厚めっきにおける十分な冷却効果を得、加工性、耐食性および表面性状の良好なめっき線を得るには不十分なものである。

特開２００２−２３５１５９号公報特開平４−１８３８４４号公報特開２００３−１９３２１４号公報特開平１０−６０６１５号公報特開２０００−４５０５６号公報特開平６−８１１０７号公報特開平８−６０３３０号公報実公昭５７−１３８８０号公報

本発明は上記を鑑みて、溶融亜鉛めっき線の加工性、耐食性を確保し、外観の良好な溶融亜鉛めっき線とそのめっき線を製造するための冷却装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明者らは、溶融亜鉛めっき線加工時のめっき割れを抑制するための凝固形態および表面性状、偏肉の発生を防止するための水冷条件について詳細に検討した結果、溶融亜鉛めっき線の線径、製造速度に対応した適正かつ十分な冷却を行い、溶融めっき層の凝固を制御することで加工性、外観、めっき厚の偏肉が改善されることを見いだしたものである。

具体的には溶融亜鉛めっき線（以下単に溶融めっき線或いはめっき線と表記することがある）のめっき層の結晶方位解析をもとにその凝固の結晶粒を求め、平均粒子径とめっき層の割れについて解析した結果、めっき層のミクロ組織よりもめっき表層観察により求められる凝固時の凝固結晶粒が割れの発生に大きく影響することが明らかになった。また、この適正な凝固組織を得るためにめっき付着量が２５０ｇ／ｍ²以上の厚目付とするための高速通線速度でも十分かつ効率的な冷却能力を確保するための冷却装置を適用することで、めっき層の凝固組織制御が可能となり、加工性と良好な外観および均一なめっき厚さを有する溶融亜鉛めっき線が得られることを知見し、本発明を完成するに至ったものである。

本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）めっき付着量が２５０ｇ／ｍ^２以上を有する溶融亜鉛めっき線に於いて、めっき表面の結晶粒の平均径が相当円換算で１０μｍ以上、２００μｍ以下であり、かつ偏肉度が３．１以下であることを特徴とする溶融亜鉛めっき線。
（２）めっき浴から溶融亜鉛めっき線を垂直に引き上げつつ冷却筒内で水冷ノズルにより冷却する溶融亜鉛めっき線の冷却装置に於いて、水冷開始時の溶融めっき線表面温度がめっき組成から求められる平衡凝固温度以下、平衡凝固温度−７０℃以上の温度範囲で冷却開始可能なように水冷ノズルの位置をめっき線の移動方向にスライド可能な機構を有し、かつ、溶融亜鉛めっき線が貫通する冷却筒の下方に設置したガス吹き付けノズルから吹き出すガス流と溶融亜鉛めっき線の移動方向が形成する角度を１０〜７０度の範囲で調整可能な機構を有することを特徴とする溶融亜鉛めっき線の冷却装置。

以上のように、本発明により、溶融めっき線は優れた加工性を有すると共に、綺麗な外観を有し、耐食性に優れためっき線を提供することが可能となる。
ここで、本発明の溶融めっき線のめっき層組成については特に限定はされないが、Ｚｎの他に、Ａｌを５〜１５％含む成分さらにＭｇを０．１〜５％含む組成のものが適用可能である。

本発明は、めっき付着量が２５０ｇ／ｍ²以上の厚目付材でも上述の如くめっき層の割れが発生しない加工性に優れた溶融めっき線であり、通線速度の高速化に対応可能な適正かつ十分な冷却能力を有する冷却装置により冷却を行うことで、めっき層の割れや表面性状の悪化、偏肉度が小さく、加工性、表面性状に優れ、綺麗な外観を有し、耐食性に優れためっき線を製造可能とするものである。

以下、本発明の実施の一形態について図示例とともに説明する。
図１および２にめっき層の凝固条件の異なる表面の走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭと記述）での観察写真の例を示す。この、めっき層組織はＡｌ含有量が０．２％以下であり、ＳＥＭによりめっき線表面の凝固結晶粒を観察することができる。
一方、Ａｌを５％以上含むめっき組成の場合は共晶凝固となるために凝固形態の違いからＳＥＭによる観察は困難となるため、このような組成の溶融めっき線の凝固結晶粒は、後方散乱電位回折パターン（以下、ＥＢＳＰと記す）により観察を行い、結晶粒を求めることが可能である。

図１は本発明の冷却装置（水冷装置）を用いて凝固温度−３０℃で水冷を開始したものである。図２は凝固温度より８５℃低い温度で水冷を行ったものである。明らかに本発明の水冷条件で冷却した図１のめっき線の結晶粒が細かくなっている。平均結晶粒を測定した結果、図１が９５μｍ、図２が２５０μｍと粗大化している。それぞれのめっき線を図３に示すように線径と同じ曲率で曲げ加工した自径捲きめっき線８の表面を観察した結果を図４、５に示す。めっき層の凝固結晶粒が細粒の場合は、図４に示すように、表面に割れは認められないものの、凝固結晶粒が粗大化した場合は、図５に示すように、粒界に沿って割れが発生した。

次に凝固結晶粒径の限定理由について述べる。
図６に冷却条件を種々変えてめっき付着量が４２０ｇ／ｍ²のめっき線を製造し、めっき層表面の凝固結晶粒と自径捲き時のめっき割れの発生頻度を示した。凝固の結晶粒が２００μｍを越えて大きくなると結晶粒界に沿った亀裂が発生し、めっき割れが多発することから凝固結晶粒の上限を２００μｍとした。一方、結晶粒が１０μｍ以下の細粒となっても粒界に沿った割れは発生しないものの冷却が強化されるためにめっき線表面が乱れ、めっき層に割れが発生すると共にめっき厚さの偏肉（Ｃ断面内の最大と最小めっき厚さの比）が大きくなり耐食性が劣化するため１０μｍの凝固結晶粒を下限とした。

ここで、平均結晶粒はめっき線表面を２００倍でＳＥＭ観察し、１０視野の写真を撮影し、結晶粒界で区切られた結晶粒子の数を画像処理装置を用いて測定し、測定面積から粒子１個当たりの平均面積を求め、結晶粒の形状を円換算することで、以下の式により求めた。
平均粒子径＝（結晶粒１個の平均面積×４／π）^1/2

次に冷却装置の各構成部の作用について述べる。

まず、冷却装置構成について述べる。
図７に本発明の冷却装置の配置レイアウト例を示す。めっき線１は溶融金属めっき浴５の中を通って浴表面に設置したワイピング装置６を通って垂直に上方に連続で移動し、ワイピング装置の上部に冷却装置２ａが設置されている。冷却装置２ａは冷却筒２を備えていて、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、めっき線１が貫通可能な冷却筒２は、冷却筒２に設けられた冷却水吹き出しノズル３からの冷却水によりめっき線１を冷却する。吹出した冷却水は線の周囲を伝って重力により下方に落下するため、この落下する水滴を除去するために冷却ノズルの下方にガス吹き付けノズル４を設置して構成される。

次に各冷却装置の作用について述べる。
水冷ノズルはめっき線の周囲に均等な間隔となるように設置し、ノズル３から冷却水が噴出されることによりめっき線が冷却され、十分な冷却速度を確保できることから凝固結晶粒を微細に制御する作用を有する。

冷却水吹き出しノズルは、溶融めっき線が貫通して移動可能な冷却筒の周囲（溶融めっき線の周囲となる）に複数設置する。これによって、冷却筒は水冷塔の役割を果たす。本例ではめっき線の円周に均等間隔で４個のノズルを設置しているが、ノズルは必要な冷却能力によりさらに円周方向の数を多くすることも少なくすることも可能である（例えば、３〜１２個）と共に、高さ方向についても１段のみでなく複数段（例えば、２〜５段）設置することも可能である。また、１本のめっき線を冷却するために複数の水冷ノズルから噴出した冷却水がお互いに衝突、接触すると水流が乱れ、めっき線表面を乱すとともに効率良く均一に冷却することが出来なくなるために本発明では水流がお互いに衝突や接触して、冷却水流が干渉しないように水冷ノズルをめっき線の周囲にらせん状に設置している。

水冷ノズルの高さ方向の調整手段、機構は特に限定されないが、例えば冷却筒２の固定治具を浴面に対して鉛直方向に設置した棒状のスライドバーに固定することで、スライドバーに沿って水冷ノズルを有する冷却筒ごと可動し、目的の高さに固定できる。

水冷部の下部に設けたガス吹き付けノズル４は冷却水の落下を防止するために設けたものであり、めっき線の円周に均等間隔でガスを冷却筒内に一定量吹き込んでめっき線に噴出した冷却水の落下を防止する作用を有している。流入ガス流量、ガス速度、流入角度を調整することにより冷却筒内から冷却水の落下をより効果的に防止することが可能である。

次にガス噴出角度αの限定理由について述べる。
冷却筒下方のガス噴出ノズルの角度αはめっき線に対して垂直方向のガス流が強くなるとめっき線がガス流速により振動する共に冷却水を冷却筒上部に押しやる機能が低下し、水滴の落下が激しくなる。このため、めっき線の移動方向とガスの噴出流が形成する角度の上限を７０度とした。一方、噴出角度が１０度より小さくなると冷却筒内でのガス流れが内壁近傍を主体に流れ、めっき線近傍の冷却水の落下を防ぐことが出来なくなるためにガス噴出角度αは１０度を下限とした。より好ましくは、ガス噴出角度は２０〜６０度である。ガス吹き付け角度αを可変とするための手段、方法、機構は特に限定されないが、例えばボールジョイントタイプの自在継ぎ手を介しガス吹き付けノズルを固定する方法、ガス吹きつけノズルの左右端に角度調整機構可能なラチェットを有する固定治具を設置することにより、任意にガス吹き付け角度を調整することが可能となる。

この結果、冷却筒内に効果的にガスを吹き込むことが可能となりめっき線に吹き付けられた冷却水は落下することなくめっき線の移動と共に上部に移動し、大気開放部分から放出され、図示していないドレン部で回収される。

本例はめっき線単線毎に水冷する装置について示したが、図９に示すように冷却筒２内を複数本のめっき線１が通過する場合に於いても同様な構成が可能であり、この場合は特に図９（ａ）、（ｂ）の左側に示すように冷却筒２からの水滴落下防止のためのガスノズルを冷却筒端部に設置し、同時に複数本のめっき線１に水冷ノズルからの冷却水がかかるように広角ノズルを設置することも可能である。この複数本の冷却筒では下部のドレンから排水することが可能である。

次に水冷開始温度の限定理由について述べる。
水冷開始温度はめっき層の凝固組織、表面性状を制御する上で非常に重要なポイントである。めっき層表面が平衡凝固温度以上の粘性が低い状態でノズルによる水冷を行うと、めっき表面の肌荒れおよび水流によるめっき層の流動が発生し、表面性状の悪化および偏肉の拡大となる。このため水冷開始温度を平衡凝固温度以下に限定した。一方、平衡凝固温度より７０℃より低い温度で水冷を開始する場合は、既にめっき層の凝固がほとんど終了してしまっており、凝固結晶粒および表面性状を制御することは不可能となることから水冷開始下限温度をめっき層平衡凝固温度−７０℃とした。
ここで、平衡凝固温度とは、一定の温度にめっき層成分の金属を保持したときに形成される安定金属相として液相中に固体相が晶出し始める温度である。

本発明では、めっき層のめっき組成から平衡凝固温度を求める方法については特に限定しないがＴｈｅｒｍｏ−ｃａｌｃなどの熱力学的な平衡計算ソフトウエアーを用いてめっき層成分から凝固温度を求める方法およびめっき浴からサンプルを採集し、熱分析により凝固温度を実験的に求める方法により決定することができる。

また、めっき線の表面温度の測定方法は特に限定されないが、直接熱電対を接触して測定する方法、放射温度計やサーモビューアーによる温度分布測定により決定することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明の一例を示したものであり、記述内容のみに限定されるものではない。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではないことは勿論である。

熱間圧延線材を冷間加工により線径４ｍｍのＪＩＳＳＷＲＭ６Ｋ鋼種の鉄線を、Ａｌを０．１％含む４５０℃の亜鉛めっき浴に浸漬し、線速２７ｍ／ｍｉｎで通線しめっき処理を行った。この時の冷却装置のガス噴出ノズルの角度、水冷ノズルでの水冷開始温度を変えてめっき付着量４２０ｇ／ｍ²のめっき線を製造した。

このめっき浴の平衡凝固温度をＴｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃで計算したところ４１８．７℃でＡｌ添加無しの４１９．６℃より１℃程度低い値であった。

また、製造しためっき線は表面をＳＥＭで観察することで凝固結晶粒を測定し、めっき加工性は自径捲きを行った表面肌を外観観察により良、可、不良の３段階で評価した。また、めっき線のＣ断面を切断し、円周方向のめっき厚さを観察し、最大めっき厚／最小めっき厚を偏肉度として求めた。

表１に水冷条件および得られためっき線の性状評価結果を併せて示す。
表１に示す如く、本発明の冷却装置による冷却を行い、本発明の凝固結晶粒度範囲のめっき線ではめっき層の割れや表面性状の悪化、偏肉度が小さく、加工性、表面性状に優れためっき線が得られた。

比較例９、１０は平衡凝固温度より８０℃低い温度で水冷を開始したために水冷ノズルの配置を増やしても凝固結晶粒が粗大化し、自径捲きで粒界に沿っためっき割れが発生した例である。

比較例１１は平衡凝固温度より高温で水冷を開始した例であり、めっき線表面の肌荒れが大きく、偏肉度が５以上と大きくなるとともに商品価値の低下を招いた例である。

また、比較例１２の冷却筒下方のガスノズル角度が本発明の範囲より大きい場合には線の振動が大きくなり安定した性状のめっき線の製造が不安定で、めっき割れ、表面肌不良、偏肉が大きくなった例である。比較例１３は逆に角度が小さい場合であるが、この場合も冷却筒から冷却水の落下が多く浴表面の酸化促進、温度低下による安定製造が不可能となり、品質悪化を招いた例である。

本発明の凝固結晶粒径を示すめっき線表面の図面代用走査電子顕微鏡写真である。凝固結晶粒径が粗大化しためっき線表面の図面代用走査電子顕微鏡写真である。自径捲きめっき線の表面状態全体を示す図面である。本発明のめっき線を自径捲きしためっき層の凝固結晶粒が細粒の表面を示す図面代用走査電子顕微鏡写真である。めっき線を自径捲きした凝固結晶粒が粗大化しためっき線表面の図面代用走査電子顕微鏡写真である。めっき線凝固結晶粒径とめっき割れ発生率の関係を示す図である。本発明の溶融めっきにおける冷却装置配置レイアウトを示す図である。本発明の単線冷却装置を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）側面図である。本発明の複数めっき線冷却装置を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）側面図である。

符号の説明

１めっき線
２ａ冷却装置
２冷却筒
３水冷ノズル
４ガス吹き付けノズル
５溶融金属
６ワイピング装置
７シンカロール
８自径捲きめっき線

Claims

めっき付着量が２５０ｇ／ｍ^２以上を有する溶融亜鉛めっき線に於いて、めっき表面の結晶粒の平均径が相当円換算で１０μｍ以上、２００μｍ以下であり、かつ偏肉度が３．１以下であることを特徴とする溶融亜鉛めっき線。
めっき浴から溶融亜鉛めっき線を垂直に引き上げつつ冷却筒内で水冷ノズルにより冷却する溶融亜鉛めっき線の冷却装置に於いて、水冷開始時の溶融めっき線表面温度がめっき組成から求められる平衡凝固温度以下、平衡凝固温度−７０℃以上の温度範囲で冷却開始可能なように水冷ノズルの位置をめっき線の移動方向にスライド可能な機構を有し、かつ、溶融亜鉛めっき線が貫通する冷却筒の下方に設置したガス吹き付けノズルから吹き出すガス流と溶融亜鉛めっき線の移動方向が形成する角度を１０〜７０度の範囲で調整可能な機構を有することを特徴とする溶融亜鉛めっき線の冷却装置。