JP5880534B2 - 亜鉛系めっき熱処理鋼材 - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛系めっき鋼材に熱処理を施した亜鉛系めっき熱処理鋼材に関し、さらに詳しくは、自動車用部材等に好適な高強度特性を有するとともに塗装
後の耐食性に優れる亜鉛系めっき熱処理鋼材に関するものである。

本発明が対象とする「鋼材」は、管形状を有する閉断面材、さらに開断面材および異型
断面材（チャンネル）などであり、平板材は含まない。

自動車用部材には、使用環境における耐食性が必要十分であるため、コスト面で優れる
亜鉛系めっき鋼材として、溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板または電気亜
鉛めっき鋼板が広く使用されている。

なかでも合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、鋼板を連続的に溶融亜鉛めっきした後、５００
〜５５０℃程度の温度で熱処理し、めっき層をＦｅ−Ｚｎの金属間化合物層に変化させた
ものである。このため、合金化溶融亜鉛めっき鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板や電気亜鉛め
っき鋼板に比較すると、めっき層が電気化学的に幾分貴となり、犠牲防食能は僅かに低下
するが、めっき層の塗装膜との密着性が向上するため、化成処理および電着塗装を前提と
する自動車用部材の用途において多用されている。

一方、合金化溶融亜鉛めっき鋼板においては、めっき層が上記の金属間化合物で形成さ
れることから、プレス（曲げ、絞り）加工時にめっき皮膜の一部がパウダリングする場合
がある。このような場合には、かかる問題の少ない溶融亜鉛めっき鋼板や電気亜鉛めっき
鋼板が自動車用部材として採用されている。

近年、自動車構造用鋼材は、地球環境への配慮から軽量で高強度の材料が要請されるよ
うになってきた。また同時に、車体に対する安全性の要求も高まり、安全対策の一つとし
て、衝突時の安全性確保の観点から、衝突時のエネルギー吸収特性を高めるための開発が
行われている。

例えば、自動車の側面からの衝突に対する安全性を高めるために、鋼管等の金属管が補
強用のビームとして用いられ、こうした金属管に適当な湾曲形状を付与することで衝突エ
ネルギーの吸収能を高めている。また、センターピラーの補強材もその形状、曲率の適正
化を図ることにより、衝突時のエネルギー吸収を高めることができる。こうした観点から
、金属管、特に鋼管素材や、鋼板のプレ成形品素材を、自動車用部材として最適な形状に
曲げ加工等を行う工夫がなされている。

同時に、車体の軽量化の観点から、自動車用部材は高張力材へのニーズが高く、このよ
うな要請に対応するため、従来とは全く異なる強度レベルからなる高張力鋼、例えば、引
張強さが７８０ＭＰａ以上、さらに９００ＭＰａ以上という高強度の鋼材が広く用いられ
るようになっている。

高張力鋼を素材として冷間で曲げ加工を行うのは困難であり、また熱間で曲げ加工を行
う場合であっても、不均一な歪みの発生による形状のばらつきを防止することが困難であ
り、形状凍結性に問題がある。これに加えて、上述の観点から最適な形状に曲げ加工を行
うために、多岐にわたる曲げ形状、例えば、曲げ方向が２次元的、さらに３次元的に異な
る曲げ形状からなる鋼材を寸法精度よく加工する曲げ加工技術の開発が強く要請されてい
る。

このような要請に対応するため、本発明者らは、特許文献１により、鋼材の曲げ方向が
３次元的に異なる連続曲げの場合であっても、後述するように、多次元に可動するローラ
ダイスを用いて効率的に曲げ加工、さらには同時に被加工材の焼入を行うことができる熱
間曲げ加工方法およびその曲げ加工方法を適用できる加工装置を、開示した。

特許文献１により開示した曲げ加工方法は、高周波加熱コイルにより被加工材である鋼
材を逐次連続的に被加工材の塑性加工が容易な温度、または必要により被加工材の焼入可
能な温度以上で、かつ組織が粗粒化しない温度まで急速に加熱し、加熱された局部的な領
域を、可動ローラダイスを用いて塑性変形させ、その直後に急冷する方法である。この曲
げ加工方法を実施する際には、被加工材を大気中で加熱することが経済的である。

前述の通り、自動車用部材に用いられる鋼材には、基本的に化成処理や電着塗装が施さ
れるが、耐食性を強化する観点から、亜鉛系めっき鋼材が多用されている。したがって、
特許文献１により開示した加工方法等において被加工材として亜鉛系めっき鋼材を用いる
ことができれば、被加工材の加熱による酸化を防止できるとともに耐食性を有する曲げ加
工部材や焼入部材を得ることができることから、自動車用用途への適用範囲を大幅に拡大
することが可能になる。

しかしながら、亜鉛めっき鋼材をそのＡ_１変態点、さらにはＡ_３変態点以上に加熱した
場合、めっき層としての機能が喪失されるおそれがある。その理由は、第１に、亜鉛の蒸
気圧が例えば２００ｍｍＨｇ：７８８℃、４００ｍｍＨｇ：８４４℃と温度の上昇ととも
に急増するために急速加熱過程で気化する可能性があること、第２に、大気中での加熱に
伴い亜鉛の酸化が生じること、そして第３に、亜鉛めっき鋼材が６００℃以上、特にΓ相
（Ｆｅ_３Ｚｎ_１０）が分解する６６０℃を超える温度に加熱されると、鋼素地のフェライ
ト中へのＺｎの固溶現象が顕著になり、めっき層が失われる可能性があるからである。

このような問題に対応するため、特許文献２には、亜鉛めっきされた高周波焼入用鋼板
をＡｒ_３点以上１０００℃以下の焼入温度で、かつ加熱開始から３５０℃に冷却されるま
でのヒートサイクルタイムを６０秒間以内に制限して加熱および冷却する高周波焼入によ
る強化部材の製造方法が開示されている。この製造方法によれば、高周波焼入強化部材と
して、焼入用鋼板を素板とする溶融亜鉛めっき鋼板を用いて強度を向上させる部位に高周
波焼入を施しても、焼入部にめっき層に残存させることができ、しかも、めっき層中のＦ
ｅ濃度が３５％以下（本明細書では特に断りがない限り「％」は「質量％」を意味する）
に制御され、塗装性および耐食性にも優れる自動車用部材を提供できるとしている。

国際公開第２００６／０９３００６号パンフレット 特開２０００−２４８３３８号公報

本発明者らは、特許文献２により提案された焼入用鋼板に形成される亜鉛めっき層の挙
動を明らかにするため、亜鉛系めっき鋼材を用いて誘導加熱による加熱・冷却実験を行っ
た。

通常のめっき付着量レベルである６０ｇ／ｍ^２（片面当たり）の亜鉛系めっき鋼材を９
００℃程度に加熱してから急冷した場合に、めっき層は１０％以上のＦｅを含有する組成
となるが、めっき層中にはη相（化学式：Ｚｎ）が存在する。供試材に合金化溶融亜鉛め
っき鋼材を用いた場合にもめっき層中にη相が存在する。

これは、合金化溶融亜鉛めっき鋼材を用いる場合を例として考察すれば、誘導加熱およ
び冷却の過程で金属間化合物が一旦分解して再構成されることによる。すなわち、９００
℃の加熱温度は、Ｆｅ−Ｚｎ系の金属間化合物であるζ相（化学式：ＦｅＺｎ_１３）、δ
_１相（同：ＦｅＺｎ_７）、Γ_１相（同：Ｆｅ_５Ｚｎ_２１）およびΓ相（同：Ｆｅ_３Ｚｎ_１
０）のいずれの融点または分解温度より高いため、加熱過程におけるめっき層には高濃度
のＦｅを含有するＺｎの液相のみが存在し、冷却過程で金属間化合物を析出しつつ、一部
に液相Ｚｎを残存させたまま凝固するものと考えられる。

このような加熱および冷却条件で得られためっき層は、その表面粗度は非常に粗いもの
になる。このように、加熱および冷却によりめっき層の表面性状が劣化した熱処理鋼材は
、その後に行われる化成処理および電着塗装により形成される電着塗膜の膜厚の不均一を
生じ、耐食性の著しい低下を誘発することとなる。

換言すると、亜鉛系めっき鋼材に６００℃以上の温度域、特にＡ_１点以上１０００℃以
下のような高温域に加熱し、冷却するプロセスを施すと、めっき層が鋼素地へ拡散し、ま
たは酸化若しくは蒸発により消失する現象を示すものの、何らかの耐食性が期待できる程
度に加熱された部分にめっき層を残存させることは特許文献２により開示されるように可
能であるものの、残存するめっき層の表面状態が粗いために、その後に自動車用部材とし
て十分な表面処理を施すことが困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、亜鉛系めっき鋼材を用いて６
００℃以上の高温加熱および冷却プロセスを施す場合であっても、熱処理後に所定のめっ
き付着量を残存させるとともにめっき層中のＦｅ濃度をコントロールし、η相を存在させ
ることにより、めっき層の表面性状（中心線平均粗さＲａ）を改善し、自動車用部材とし
ての塗装後の適正な耐食性および塗膜密着性を確保することができる亜鉛系めっき熱処理
鋼材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述した目的を達成するために、亜鉛系めっき鋼材を用いて高温加熱し
、冷却するプロセスを施した場合に、熱処理鋼材の表面に残存するめっき層に過飽和のＦ
ｅを溶解したη相（Ｚｎ）が存在することに着目した。

ここで、特許文献１により開示された発明、すなわち被加工材をクランプする可動ロー
ラダイスを用いて熱間曲げ加工を行う方法を用いることを前提とすれば、めっき層に存在
するη相（Ｚｎ）は、他のＦｅ−Ｚｎ金属間化合物相と比較すると軟質であることから、
加熱および冷却の熱処理を施された亜鉛系めっき熱処理鋼材に、可動ローラダイスを用い
て加圧することにより、めっき層表面の粗度を調整することができ、これにより、その表
面にめっき層が残存する熱処理鋼材の表面性状の改善を図ることができる。本発明は、こ
のような知見に基づいて完成されたものである。

本発明は、Ｚｎ−Ａｌ溶融亜鉛めっき鋼材、溶融亜鉛めっき鋼材あるいは電気めっき鋼材の少なくとも一部に、塑性変形が可能な温度域または焼入れが可能な温度域への加熱を行って得られる亜鉛系熱処理鋼材であって、その表面に存在するめっき層の付着量が片面当たり２０ｇ／ｍ^２以上１００ｇ／ｍ^２以下であり、このめっき層のＦｅ濃度が１０％以上３５％以下であり、かつこのめっき層にη相が存在し、さらに、このめっき層の表面の、ＪＩＳ Ｂ ０６０１により規定される中心線平均粗さＲａ（以下、単に「表面粗さＲａ」という）が１．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする亜鉛系めっき熱処理鋼材である。

この本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材では、めっき層が６．５％以下のＡｌを含有
することが好ましい。

別の観点からは、少なくとも一部に形成されるめっき層の付着量が片面当たり３０ｇ／ｍ^２以上１５０ｇ／ｍ^２以下であるとともにこのめっき層中に２０％以下のＦｅを含有する亜鉛系めっき鋼材に、３０℃／秒以上の昇温速度で焼入れが可能な温度域への加熱を行ってから３０℃／秒以上の冷却速度での冷却を行った後、この亜鉛系めっき鋼材の表面に当接する加圧ロールによって亜鉛系めっき鋼材の表面に残存するめっき層の表面粗度を調整することを特徴とする、上述した本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法である。

また、少なくとも一部に形成されるめっき層の付着量が片面当たり３０ｇ／ｍ^２以上１５０ｇ／ｍ^２以下であるとともにこのめっき層中に２０％以下のＦｅを含有する亜鉛系めっき鋼材に、３０℃／秒以上の昇温速度で塑性変形が可能な温度域への加熱を行い、この加熱をされた部分に、曲げモーメントを付与してから３０℃／秒以上の冷却速度での冷却を行った後、この亜鉛系めっき鋼材の表面に当接する加圧ロールによってこの亜鉛系めっき鋼材の表面に残存するめっき層の表面粗度を調整することを特徴とする、上述した本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法である。

また、少なくとも一部に形成されるめっき層の付着量が片面当たり３０ｇ／ｍ^２以上１５０ｇ／ｍ^２以下であるとともにこのめっき層中に２０％以下のＦｅを含有する亜鉛系めっき鋼材を、３０℃／秒以上の昇温速度で焼入れが可能な温度域への加熱を行い、加熱をされた部分に曲げモーメントを付与してから３０℃／秒以上の冷却速度での冷却を行った後、この亜鉛系めっき鋼材の表面に当接する加圧ロールによってこの亜鉛系めっき鋼材の表面に残存するめっき層の表面粗度を調整することを特徴とする、上述した本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法である。

これらの本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、めっき層が５．５％以
下のＡｌを含有することが好ましい。

これらの本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、亜鉛系めっき鋼材が、
その長手方向へ向けて断続的または連続的に送られながら、支持手段により支持されると
ともに、加圧ロールが、支持手段の下流側に配置されるとともにその位置が二次元または
三次元に移動自在である可動ローラダイスによって回転自在に支持され、さらに、亜鉛系
めっき鋼材の加熱が、この可動ローラダイスと支持手段との間であって亜鉛系めっき鋼材
の外周に亜鉛系めっき鋼材から離間して配置される加熱手段によって行われるとともに、
冷却が、この加熱手段と可動ローラダイスとの間に配置される冷却手段によって行われる
ことが、好ましい。

これらの本発明における「鋼材」とは、丸形、矩形、台形等の断面形状を有する閉断面
材、ロールフォーミング等により製造されるチャンネル材等の開断面材、押し出し加工に
より製造されるチャンネル材等の異型断面材、または例えば丸棒、角棒さらには異形棒等
の各種の断面形状を有する棒材等を意味するものであり、長手方向へ断面形状がテーパー
状に変化するテーパー形状のものも包含するが、平板材は包含しない。

本発明の亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法によれば、亜鉛系めっき鋼材を用いて高温
加熱および冷却による熱処理を施す場合であっても、所定のめっき付着量を残存させると
ともに、めっき層中のＦｅ濃度を調整し、η相を存在させることにより、めっき層の表面
性状（表面粗さＲａ）の改善を図ることが可能である。このため、本発明に係る亜鉛系め
っき熱処理鋼材は、自動車用部材としての塗装後の適正な耐食性および塗膜密着性を確保
することができる。

図１は、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材を製造するための製造装置の構成を例示する説明図である。 図２は、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材を製造するための製造装置における誘導加熱コイルおよび冷却装置の構成の概略を例示する断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、いずれも、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造に用いることができる可動ローラダイスの形状を例示する説明図である。

本発明を実施するための形態を、添付図面を参照しながら説明する。以下、本発明を、
亜鉛系めっき鋼材に熱処理を施した「亜鉛系めっき熱処理鋼材」、「その製造方法および
それに用いる製造装置例」の順に説明する。

［亜鉛系めっき熱処理鋼材］
本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、亜鉛系めっき鋼材に、塑性変形が可能な温度域または焼入れが可能な温度域への加熱を行って得られる亜鉛系熱処理鋼材であって、そ
の表面に存在するめっき層の付着量が片面当たり２０ｇ／ｍ^２以上１００ｇ／ｍ ^２ 以下であり、このめっき層のＦｅ濃度が１０％以上３５％以下であり、かつこのめっき層にη相が存在し、さらに、このめっき層の表面の表面粗さＲａが２．３μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の形状は、特に限定されず、丸形、矩形、台形等
の形状を有する閉断面材、ロールフォーミング等により製造された開断面材（チャンネル
）、押し出し加工により製造された異型断面材（チャンネル）、または各種の断面形状か
らなる棒材（丸棒、角棒、異型棒）を採用することができる。さらには、断面積が連続的
に変化するテーパー形状の鋼材にも適用できる。

しかし、上述したように、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、熱処
理後の鋼材の表面を加圧することにより、めっき層の表面の粗度を調整することを予定す
るものであり、予め複雑な形状に加工された鋼材の場合には、この加圧を行うことが容易
ではなくなる。このため、上記閉断面材、開断面材、異型断面材または棒材のなかでも、
角管形状を含む鋼管等、長手方向に連続性のある形状からなる鋼材が、適用し易く望まし
い。

本発明において用いる亜鉛系めっき鋼材は、溶融亜鉛めっき処理を施した溶融亜鉛めっ
き鋼材であってもよい。また、電気亜鉛めっき鋼材を用いることもでき、Ｚｎ−Ａｌ溶融亜鉛めっき鋼材を適用することができる。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、このような亜鉛系めっき鋼材を用いて、塑性
変形が可能である温度域、または焼入れが可能な温度域への加熱を行われ、熱間曲げ加工
や焼入処理、またはこれらを同時に施すことによって、製造される。このとき、高温度域
に加熱する際に亜鉛めっき層の消失を抑制し、さらに残存しためっき層の表面の粗度調整
を行うことにより、自動車用部材として塗装後の良好な耐食性や塗装密着性を確保するこ
とができる。なお、本発明において「塑性変形が可能である温度域」とは６００℃以上の
温度域を意味する。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、熱処理後の表面に残存するめっき付着量を片
面当たり２０ｇ／ｍ^２以上１００ｇ／ｍ^２以下とする。自動車用部材としての耐食性を確
保する観点から、めっき付着量が２０ｇ／ｍ^２未満では塗装部の腐食深さを抑制する効果
が少ない。一方、残存するめっき付着量が１００ｇ／ｍ^２を超えるような場合には、加熱
によりめっき層が液相状態になるのに伴って、液タレやＺｎ融液の飛沫付着を生じ易く、
得られた亜鉛系めっき熱処理鋼材の外観不良となるおそれがある。このめっき付着量は、
めっき層中にＦｅやＡｌが含有される場合にはこれらも加算される。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、めっき層の表面粗さＲａが１．５μｍ以上５
μｍ以下である。めっき層の表面粗さＲａが１．５μｍ未満であると、塗膜との密着性が
低下して水分の浸透が容易となることから、塗膜密着性が低下する。一方、めっき層の表
面粗さＲａが５μｍを超えると、電着塗装での膜厚の不均一が要因となって、十分な塗装
後の耐食性を確保することができなくなる。

このように、めっき層の表面粗さＲａを１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲で管理するに
は、亜鉛系めっき熱処理鋼材の表面に残存しためっき層にη相（Ｚｎ）を存在させること
が有効である。めっき層に存在するη相（Ｚｎ）は、他のＦｅ−Ｚｎ金属間化合物相に比
べ軟質であることから、高温加熱および冷却を行って得られた亜鉛系めっき熱処理鋼材の
表面を、加圧ロールまたは後述する可動ローラダイスにより回転自在に支持される加圧ロ
ールを用いて加圧することにより、表面粗さＲａを調整することができる。

さらに、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、めっき層中のＦｅ濃度を１５％以上
３５％以下とする必要がある。めっき層の表面粗さＲａが１．５μｍ以上５μｍ以下であ
ることを前提とすると、耐食性を確保するには、Ｆｅ濃度を１０％以上とする必要がある
。一方、Ｆｅ濃度が３５％を超えると、めっき層が電気化学的に貴となり過ぎ、犠牲防食
性能が低下することから、Ｆｅ濃度の上限は３５％であり、望ましくは２５％、より望ま
しくは２０％である。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、めっき層中にＡｌを含有することができ、望
ましい含有量は６．５％以下である。加熱前にめっき層中のＡｌ含有量が５．５％を超え
ると、加熱過程でＦｅ−Ａｌ系合金相を不均一に形成することになる。その後に冷却され
ると、Ａｌ含有量は６．５％を超えて濃化するとともに、めっき層の表面粗度を著しく劣
化させる。このため、亜鉛系めっき熱処理鋼材のめっき層中のＡｌ含有量は６．５％以下
とすることが望ましい。ＡｌはＺｎの酸化防止に効果があるが、この効果は加熱前のめっ
き層にＡｌが０．０５％以上含有させることにより認められる。

本発明に用いられる亜鉛系めっき鋼材の素地鋼として、高強度鋼を採用すれば、熱間曲
げ加工を施した後に、亜鉛系めっき熱処理鋼材の表面に自動車用部材としての下地化成被
膜および塗装被膜を施すことにより、塗装耐食性を具備した高強度の曲げ加工部材とする
ことができる。

また、本発明に用いられる亜鉛系めっき鋼材の素地鋼として、焼入性を有する鋼材を使
用し、低強度の鋼材を出発材料として熱間加工を行った後、焼入によって強度を上げ、高
強度の亜鉛系めっき熱処理鋼材を得ることもできる。

焼入性を有する鋼材として、例えば、その化学組成がＣ：０．１％以上０．３％以下、
Ｓｉ：０．０１％以上０．５％以下、Ｍｎ：０．５％以上３．０％以下、Ｐ：０．００３
％以上０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下、Ｃｒ：０．１％以上０．５％以下、Ｔｉ：
０．０１％以上０．１％以下、Ａｌ：１％以下、Ｂ：０．０００２％以上０．００４％以
下、Ｎ：０．０１％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、必要に応じて、Ｃｕ
：１％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｍｏ：１％以下、Ｖ：１％以下、およびＮｂ：１％以下か
ら選ばれた１種または２種以上を含有する焼入用鋼からなる素地鋼が例示される。

この素地鋼を素板とする亜鉛系めっき鋼板から製造されたチャンネル部材等の部材であ
れば、焼入可能な温度まで加熱してから急冷を施すことにより、引張強さが１２００ＭＰ
ａ以上の亜鉛系めっき熱処理鋼材を製造することが可能になる。

このときの亜鉛系めっき鋼板は、常法により、熱間圧延、酸洗、冷間圧延および溶融亜
鉛めっきという工程、若しくは、熱間圧延、酸洗、冷間圧延、焼鈍および電気亜鉛めっき
という工程により、製造される。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材は、この鋼材の少なくとも一部が本発明で規定す
る条件を満足するものであればよい。例えば、自動車用の曲げ部材を想定した場合に、こ
の部材の全てに曲げ加工や焼入れが施される必要はなく、端部は曲げ加工も焼入れも行わ
れない部材も対象となる。このような場合には、部材の一部に熱間曲げや焼入れが施され
ることになるが、この部材の全ての部分において本発明で規定するめっき層である必要は
ない。また、加熱された部分の全てにおいて、めっき層の表面粗さＲａが調整される必要
はなく、部材として特に重要な面や部分についてのみ表面粗さＲａを調整することも、本
発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材に含まれる。

［亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法およびそれに用いる製造装置］
本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法において、実用的な価値が高いのは、
亜鉛系めっき鋼材として素地鋼板（以下、単に「素板」ということがある）から製管され
た鋼管等からなる自動車用の長尺部材を用い、焼入れ、若しくは加熱後に熱間曲げ加工、
または焼入と熱間曲げ加工とを同時に施し、亜鉛系めっき熱処理鋼材を得ることである。

このため、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法は、少なくとも一部に形成
されるめっき層の付着量が片面当たり３０ｇ／ｍ^２以上１５０ｇ／ｍ^２以下であるととも
にこのめっき層中に２０％以下のＦｅを含有する亜鉛系めっき鋼材に、３０℃／秒以上の
昇温速度で、焼入が可能な温度域および／または塑性変形が可能な温度域への加熱を行い
、この加熱をされた部分に、曲げモーメントを付与してから３０℃／秒以上の冷却速度で
の冷却を行った後、この亜鉛系めっき鋼材の表面に当接する加圧ロールによってこの亜鉛
系めっき鋼材の表面に残存するめっき層の表面粗度を調整することを特徴とする。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法に用いられる亜鉛系めっき鋼材は、め
っき付着量を片面当たりで３０ｇ／ｍ^２以上１５０ｇ／ｍ^２以下で管理する必要がある。
ここで、規定するめっき付着量は、めっき層中にＦｅやＡｌが含有される場合にはこれら
も加算される。本発明では、焼入れが可能な温度域として最高到達温度は８５０℃以上と
なり、加熱過程で幾分かのＺｎが蒸発するが、熱処理後に十分な耐食性を確保するには、
２０ｇ／ｍ^２の付着量を残存させる必要がある。このため、熱処理前の亜鉛系めっき鋼材
におけるめっき付着量を３０ｇ／ｍ^２以上とする。

上述したように、加熱に伴いめっき層が液相状態になると、熱処理後のめっき付着量が
１００ｇ／ｍ^２を超える場合には、液タレ等が誘発され、外観不良を発生する。これを防
止するために、加熱前の亜鉛系めっき鋼材におけるめっき付着量は１５０ｇ／ｍ^２以下に
限定する。亜鉛系めっき鋼材における、より望ましいめっき付着量は、４０ｇ／ｍ^２以上
１２０ｇ／ｍ^２以下である。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法に用いられる亜鉛系めっき鋼材は、め
っき層中のＦｅ濃度を２０％以下とする。加熱前のめっき層におけるＦｅ濃度が２０％を
超えると、加熱過程でＺｎが鋼素地に溶解し固溶相を形成し易くなり、冷却後にη相が残
存し難くなるためである。より望ましいめっき層中のＦｅ濃度は１５％以下である。なお
、通常量産される合金化溶融亜鉛めっき鋼板の皮膜中のＦｅ濃度は１５％未満である。

さらに、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法に用いられる亜鉛系めっき鋼
材は、亜鉛めっき層中にＡｌを含有してもよいが、望ましい含有量は５．５％以下である
。めっき層中にＡｌが５．５％を超えて含有されると、加熱過程でＦｅ−Ａｌ系合金相を
不均一に形成させるため、冷却後の表面粗度が著しく悪化し、加圧による矯正が困難にな
る。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、このめっき層を形成した亜鉛系
めっき鋼材を、焼入れが可能な温度域としてＡｃ_３点以上、または塑性変形が容易な温度
域として少なくとも６００℃以上、望ましくはＡｃ_１点以上に加熱する。このときの熱処
理パターンとしては、昇温速度が３０℃／秒以上で加熱し、３０℃／秒以上の冷却速度で
冷却する必要がある。昇温速度や冷却速度が上記で規定する速度より遅くなると、ヒート
サイクルが長時間になり、Ｚｎの蒸発や酸化が促進され、めっき層中の合金化が過剰にな
り、素地鋼によっては溶融亜鉛脆化の危険も生じる。このため昇温速度及び冷却速度は３
００℃／秒以上がより好ましい。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、最高到達温度またはその近傍温
度域での保持時間は規定しないが、１０秒間以下とすることが望ましく、さらに望ましく
は５秒間以下である。高温域での保持時間が長くなると、めっき層中で過度の合金化が進
行し、亜鉛系めっき層としての耐食性が劣化する。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法では、上述した亜鉛系めっき鋼材を加
熱および冷却して得られた亜鉛系めっき熱処理鋼材を、後述する図３に示す可動ローラダ
イスに装着された加圧ロールまたはローラ等により加圧することによって、残存するめっ
き層の表面粗度の調整を行う。

通常、めっき層の表面粗度を調整するための加圧は、線荷重を１ｋｇｆ／ｍｍ以上１０
０ｋｇｆ／ｍｍ以下の範囲で変更させて制御することにより行われる。

図１は、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材１ｂを製造するための製造装置７の構成
を例示する説明図である。
図１に例示する製造装置７では、被加工材１の断面形状を丸形（丸管）とし、被加工材
である亜鉛系めっき鋼材１ａを逐次連続的に加熱し、局部的な加熱部に可動ローラダイス
４を用いて塑性変形を生じさせ、その直後に冷却することにより、亜鉛系めっき熱処理鋼
材１ｂを製造する。

このため、亜鉛系めっき鋼材１ａを保持するための二組の回転可能な支持手段である支
持ロール２、２と、その上流側には亜鉛系めっき鋼材１ａを断続的または連続的に送り移
動させる送り装置３が配置される。一方、二対の支持ロール２、２の下流側には、亜鉛系
めっき鋼材１ａを支持し、当該支持位置または／および移動速度を制御させるための可動
ローラダイス４が配置される。図１に示すように、可動ローラダイス４は、亜鉛系めっき
鋼材１ａの表面に当接する孔型ロールである加圧ロール４ａ、４ｂを二つ備える。

可動ローラダイス４の入り側には、亜鉛系めっき鋼材１ａの外周に亜鉛系めっき鋼材１
ａから離間して配置されて亜鉛系めっき鋼材１ａを部分的に急速に加熱する誘導加熱コイ
ル５と、誘導加熱コイル５により急速に加熱された亜鉛系めっき鋼材１ａに冷却媒体を噴
射することによって亜鉛系めっき鋼材１ａを急速に冷却する冷却装置６とが配置される。

図２は、この製造装置７における誘導加熱コイル５および冷却装置６の構成の概略を例
示する断面図である。加熱部を形成すべき亜鉛系めっき鋼材１ａの外周にこの亜鉛系めっ
き鋼材１ａから離間させて、環状の誘導加熱コイル５を配置して、この誘導加熱コイル５
により亜鉛系めっき鋼材１ａを部分的に急速に加熱し、次いで、必要に応じて、冷却装置
６から冷却媒体（例えば水）を噴射することにより、誘導加熱コイル５により急速に加熱
された亜鉛系めっき鋼材１ａを急速に冷却する。

このとき、二組の支持ロール２、２を通過した亜鉛系めっき鋼材１ａを可動ローラダイ
ス４の加圧ロール４ａ、４ｂにより支持し、亜鉛系めっき鋼材１ａの外周に配置した誘導
加熱コイル５および冷却装置６を用いて、亜鉛系めっき鋼材１ａを局部的に加熱および冷
却しながら、可動ローラダイス４の位置を二次元または三次元で制御するとともにその移
動速度も適宜調整することによって、亜鉛系めっき鋼材１ａにおける部分的に高温にある
部分に曲げモーメントを与えて曲げ加工を行うことができるとともに、加熱装置５による
加熱速度および加熱温度と冷却装置６による冷却速度とを適宜調整することによって亜鉛
系めっき鋼材１ａの所望の部分に焼入れを行うことができるので、所望の高強度を有する
とともに所望の曲率の二次元または三次元の曲げ加工部を有する亜鉛系めっき熱処理鋼材
１ｂを製造することができる。

図３は、本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材１ｂの製造に用いることができる可動ロ
ーラダイス４の形状を例示する説明図であり、図３（ａ）は亜鉛系めっき鋼材１ａが丸管
などの閉断面材である場合に２つの加圧ロール４ａ、４ｂにより構成される場合であり、
図３（ｂ）は亜鉛系めっき鋼材１ａが矩形管等の閉断面材である場合に２つの加圧ロール
４ｃ、４ｄにより構成される場合であり、さらに図３（ｃ）は亜鉛系めっき鋼材１ａが矩
形管などの閉断面材である場合に４つの加圧ロール４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈにより構成さ
れる場合である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、可動ローラダイス４における加圧ロール４ａお
よび４ｂ、４ｃおよび４ｄ、４ｅ〜４ｈは、いずれも、亜鉛系めっき鋼材１ａの表面に当
接して亜鉛系めっき鋼材１ａをその長手方向へ送りながら亜鉛系めっき鋼材１ａを保持す
るため、高温域での加熱に伴って亜鉛系めっき鋼材１ａの表面におけるめっき層の表面性
状が悪化しやすい状況にあっても、加圧ロール４ａおよび４ｂ、４ｃおよび４ｄ、４ｅ〜
４ｈを用いて加圧力を付与しながら亜鉛系めっき鋼材１ａの表面を押圧することができる
ので、めっき層の表面粗さＲａを調整することができ、これにより、その表面にめっき層
を残存させた亜鉛系めっき熱処理鋼材１ｂの表面性状を改善することができる。

可動ローラダイス４が、上下方向へのシフト機構、左右方向へのシフト機構、上下方向
に傾斜するチルト機構、あるいは左右方向に傾斜するチルト機構を具備すること、望まし
くはさらに前後方向への移動機構を具備することによって、３次元的に亜鉛系めっき鋼材
１ａを支持し、必要により曲げモーメントを付与することができる。

図３に示す可動ローラダイス４による加圧によって亜鉛系めっき鋼材１ａのめっき層の
表面粗度を調整するには、具体的には、亜鉛系めっき鋼材１ａに対する加圧ロール４ａお
よび４ｂ、４ｃおよび４ｄ、４ｅ〜４ｈの押圧力を制御することによって行えばよく、そ
のときの押し付け圧は、加圧ロール４ａおよび４ｂ、４ｃおよび４ｄ、４ｅ〜４ｈのロー
ル径が３０ｍｍ程度である場合には、線荷重として１ｋｇｆ／ｍｍ以上１００ｋｇｆ／ｍ
ｍ以下であることが望ましい。押圧力は、可動ローラダイス４に油圧シリンダーやエアシ
リンダーを装着して制御することが例示される。

このようにして、本実施の形態によれば、亜鉛系めっき鋼材１ａに高温加熱および冷却
による熱処理を施す場合であっても、所定のめっき付着量を残存させるとともに、めっき
層中のＦｅ濃度を調整し、η相を存在させることができ、これにより、めっき層の表面性
状（表面粗さＲａ）の改善を図ることが可能である。このようにして製造される亜鉛系め
っき熱処理鋼材１ｂは、自動車用部材としての塗装後の適正な耐食性および塗膜密着性を
確保することができる。

本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
上述の製造方法による効果を確認するため、表１に示す組成を有する素地鋼板（素板Ｎｏ．１〜４）に亜鉛系めっき処理を施し、溶融亜鉛めっき鋼板、合金化溶融亜鉛めっき鋼板、電気亜鉛めっき鋼板およびＺｎ−Ａｌ溶融めっき鋼板（いずれも板厚が１．６ｍｍ）を製造し、ＵＯ成形の後レーザ溶接を行い、供試用の亜鉛系めっき鋼材として、断面形状が５０ｍｍ×３５ｍｍｍ、コーナＲが約５ｍｍ、管長さ２０００ｍｍの角管を準備した。

表２に、準備した角管が使用した素地鋼板（素板Ｎｏ．１〜４）と、めっき付着量、Ｆ
ｅ濃度およびＡｌ含有量との関係をめっき区分Ａ〜Ｎで示す。めっき区分Ａ〜ＣおよびＮ
は合金化溶融亜鉛めっき鋼板であり、Ａ１〜Ａ３はめっき区分Ａと同一の素板で同一の製
造チャンスに合金化度のみを変化させて製造したものである。めっき区分ＤおよびＬは電
気亜鉛めっき鋼板であり、めっき区分ＭはＺｎ−Ａｌ溶融めっき鋼板であり、その他はい
ずれも溶融亜鉛めっき鋼板である。

図１に示す製造装置７を用いて、得られた角管を被加工材として誘導加熱装置５により
急速に加熱し、曲げ半径Ｒ＝５００ｍｍで熱間曲げ加工を行った後、水冷または空冷の冷
却装置６により冷却した。被加工材を保持する可動ローラダイス４は、図３（ｃ）に示す
加圧ロール４ｅ、４ｆ、４ｇおよび４ｈを有するものを使用し、角管の外面４面に、線荷
重として２〜５０ｋｇｆ／ｍｍの範囲で加圧力を設定して付与した。なお、加熱実験を途
中で中断し、ローラダイス４を通過する前の試験片を採取し評価したものは、「加圧なし
」とした。

このときの熱処理条件（昇温速度、加熱温度、保持時間、冷却速度）、およびローラダ
イスによる加圧の有無を表３および表４にそれぞれ示す。

熱処理された角管のめっき層の性状として、インヒビター（朝日化学社製７００ＢＫ、
１ｇ／Ｌ）を添加した１０％塩酸水溶液中に浸漬してめっき皮膜を溶解し、得られた溶液
をＩＣＰ分光分析法および原子吸光法でめっき付着量およびＦｅ濃度の測定を行った。結
果を表３および表４にまとめて示す。この測定値には、めっき皮膜上に存在するＺｎ酸化
物およびめっき皮膜と混在するスケールも含まれる。試験Ｎｏ．９、１０、１１の測定値
には、めっき皮膜と混在する酸化亜鉛、スケールも含まれる。

さらに、熱処理された角管のめっき層の表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１の規定
に準拠し、カットオフ値を０．８ｍｍとして、東京精密製サーフコムを用いて測定し、そ
の結果を表３および表４に示す。

測定装置の型式は、ＳＵＲＦＣＯＭ１９００ＤＸであり、触針には型式Ｅ−ＤＴ−ＳＳ
０１Ａを用いた。測定の際には、粗度標準片（東京精密製Ｅ−ＭＣ−Ｓ２４Ｂ）を用い、
Ｒａ３．１８μｍ標準片の粗度測定値が±２％の範囲内（３．１２〜３．２４μｍ）、Ｒ
ａ０．４１μｍ標準片の粗度測定値が０．３８〜０．４４μｍの範囲内であることを確認
した。

また、めっき層中のη相の有無は、試験片を切り出し、Ｘ線回折によりη−Ｚｎ（００
２）面のピークの有無で確認した。表３および表４では、ピークが確認できない場合を「
×」で示す。

熱処理された角管から亜鉛系めっき熱処理材の試験片として１５０ｍｍ長さを切り出し
、通常の脱脂処理をした後、日本パーカライジング（株）製ＰＢＬ−３０８０で慣用され
る化成処理条件により燐酸亜鉛処理を行い、関西ペイント製の電着塗料ＧＴ−１０を電圧
２００Ｖのスロープ通電で電着塗装し、焼き付け温度１５０℃で２０分の焼き付け塗装を
施し、塗装後外観を評価した。

なお、表３および表４で「−」で示すのは、めっきのタレが顕著でありまたはＺｎの飛
沫が鋼材に付着した状況が目視で確認できる状態であり、表面性状が著しく劣るため、表
面粗さＲａや塗装後耐食性の評価を実施しなかったものである。

また、試験片の塗膜にカッターナイフで素地に達するまでスクラッチ傷を入れた後、Ｊ
ＡＳＯ Ｍ６０９−９１に規定する塩水噴霧（２Ｈｒ、３５℃、５％ＮａＣｌ）、乾燥（
４Ｈｒ、６０℃、相対湿度３０％）および湿潤（２Ｈｒ、５０℃、相対湿度９５％）の繰
り返しを９０サイクル行い、塗膜膨れ幅または錆幅（ブリスター幅）、および最大腐食深
さを測定し、塗装後耐食性を評価した。これらの結果を表３および表４に示す。なお平板
部点錆の評価については、目視で赤錆が確認されたものを「×」、赤錆が確認されなかっ
たものを「○」で示す。

表３および表４に示す結果から明らかなように、熱処理前のめっき層の特性、熱処理条件、ローラダイスでの加圧、その結果としての熱処理後のめっき層性状を満足することによって、いずれも塗装後の耐食性評価、および外観評価において良好な結果が得られた。

本発明に係る亜鉛系めっき熱処理鋼材の製造方法によれば、亜鉛系めっき鋼材を用いて
高温加熱および急速冷却による熱処理を施すので、所定のめっき付着量を残存させるとと
もに、さらに、めっき層中のＦｅ濃度を調整し、η相を存在させて加圧ロールによる押圧
を行うことにより、めっき層の表面性状（表面粗さＲａ）の改善を図ることが可能であり
、自動車用部材としての塗装後の優れた耐食性および塗膜密着性を確保することができる
。これにより、ますます高度化する自動車用部品に対する要求レベルにも対応できるので
、自動車用部品の加工技術として広く適用できる。

１ 被加工材
１ａ 亜鉛系めっき鋼材
１ｂ 亜鉛系めっき熱処理鋼材
２ 支持手段、支持ロール
３ 押し出し装置
４ 可動ローラダイス
５ 誘導加熱コイル
６ 冷却装置
７ 製造装置

Claims (2)

1. Ｚｎ−Ａｌ溶融亜鉛めっき鋼材、溶融亜鉛めっき鋼材あるいは電気めっき鋼材の少なくとも一部に、塑性変形が可能な温度域または焼入れが可能な温度域への加熱を行って得られる亜鉛系熱処理鋼材であって、前記加熱を行われた部分の表面に存在するめっき層の付着量が片面当たり２０ｇ／ｍ^２以上１００ｇ／ｍ^２以下であり、当該めっき層のＦｅ濃度が１０質量％以上３５質量％以下であり、かつ当該めっき層にη相が存在し、さらに、当該めっき層の表面の中心線平均粗さＲａが２．３μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする亜鉛系めっき熱処理鋼材。
2. 前記めっき層が６．５質量％以下のＡｌを含有することを特徴とする請求項１に記載された亜鉛系めっき熱処理鋼材。

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