JP6644147B2 - 鋼板の金属コーティング方法及びそれを用いて製造された金属コーティング鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板の金属コーティング方法及びそれを用いて製造された金属コーティング鋼板に関し、より詳細には、真空噴射コーティングにより多孔性コーティング層を形成した後、めっき層を形成することで、空隙のないコーティング層を形成する方法及びこのようなコーティング層が形成された鋼板に関する。

粒子コーティング方法は、種々の粉末材料を種々の素材の表面にコーティングする表面処理方法として活用されており、通常、ノズルを境界とするコーティング部と粉末移送気体の気体圧力差によって噴射速度を実現する。粒子コーティングとは、コーティングされる材料が粒子状態であることを意味し、数百〜数十ナノメートル（ｎｍ）サイズの粒子が高速で素材に衝突してコーティングされるため、その被膜形成速度が、原子や分子単位でコーティングされるＰＶＤ（物理的気相成長法）、ＣＶＤ（化学的蒸着）などに比べて非常に速く、原料粉末の化学組成が変わらないということを特徴とする。

粒子コーティング方法としては、例えば、溶射法（Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙ、Ｃｏｌｄ ｓｐｒａｙなど）、真空噴射法などが挙げられる。これらは、通常、金属、合金、セラミック、サーメットなどのような固体粉末をコーティングするのに有用な方法であり、この際、温度と噴射速度が非常に重要な因子となる。

上記真空噴射法は、圧力差を実現するために、コーティング部の圧力を真空（低圧）に維持する方法を取っている。すなわち、真空本体の内部に被コーティング部材を提供し、粉末を移送気体の流れに乗せて上記被コーティング部材に噴射することでコーティングを行う。かかる方法は、移送気体の圧力が高い必要がないため、溶射法に比べて気体の消費量が非常に少なく、高圧の気体を形成するために気体を加熱する必要がないことから、常温でもコーティングが可能であるという利点がある。

かかる粒子コーティング方法を鋼板の表面処理などのような鉄鋼産業に適用するためには、大量生産（コーティング効率）及び経済性（気体消費量）を考慮すべきである。このような観点から、真空噴射法は、気体の消費量が少ないため経済的ではあるものの、コーティング温度がほぼ常温に近く、粉末粒子の噴射速度が溶射法に比べて遅いという問題があるため、コーティング効率（積層量／総噴射量）が低く、コーティング材料において制限がある。

韓国特許出願第２００８−００７６０１９号に開示されているように、真空噴射法は通常、セラミックのようにコーティング過程で粉末粒子を破砕後、破砕された粒子の再結合によってコーティングが行われる脆性材料のコーティングに用いられることが一般的であって、金属のように、塑性変形のために高いエネルギーを要する軟性材料のコーティングには適さない。

一方、溶射法による粒子コーティング方法は、金属粉末のコーティング効率は高いが、被コーティング部材が提供される本体は常圧条件下にあり、常圧との圧力差を大きくするために、粉末移送気体として数ＭＰａレベルの高圧気体を用いる。したがって、気体消費量が非常に多いという欠点がある。また、被コーティング部材が常圧条件下で高速衝突のための粒子速度を実現するために、密度が小さいＨｅ、Ｎ_２などの高価な気体を用いなければならないという問題がある。すなわち、かかる溶射法は、通常、小面積のコーティングに用いられることが一般的であって、常圧条件の空気抵抗の問題により、高速噴射のためには数十μｍレベルの粒子サイズが必要であり、コーティング層の欠陥及び残留応力などの問題により、数十〜数百μｍの厚さの厚膜コーティングを形成することが必要であるが、数〜数十μｍレベルの緻密な薄膜コーティングは現実的に困難であるという問題がある。一般に、金属粉末をコーティングするこのような粒子コーティング法では、コーティング層内に空隙が形成されるが、特に、数〜数十μｍレベルの薄膜にコーティングする場合、この空隙が腐食因子の浸透経路として作用し、鋼板素材の耐食性を低下させる原因となる。

したがって、鋼板の表面に、耐食性などの金属コーティング層が有する機能性を極大化するための金属被膜を形成するにあたり、上記のような溶射法と真空噴射法の問題が解消されたコーティング方法が提供される場合、関連分野で広く適用可能であると期待される。

本発明の目的は、空隙のないコーティング層を形成することができる鋼板の金属コーティング方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記の本発明の金属コーティング方法によって空隙がないように形成されたコーティング層を備える金属コーティング鋼板を提供することにある。

本発明の知見によると、第１金属粉末を常温以上軟化点未満の温度で加熱する段階と、気体を２００〜６００℃の温度で加熱する段階と、加熱された金属粉末を加熱された気体とともに真空噴射することで、多孔性の第１金属コーティング層を形成する段階と、前記第１金属コーティング層を成す粉末の間隙に第２金属めっき層を形成する段階と、を含む、鋼板の金属コーティング方法が提供される。

前記第１金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含むことが好ましい。

前記第１金属粉末は、平均粒度が１〜２０μｍであることが好ましい。

前記気体は、空気以下の密度を有する、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び空気からなる群から選択される少なくとも１つ以上の気体であることが好ましい。

前記真空噴射は０．０１〜２０Ｔｏｒｒの圧力で行うことが好ましい。

前記真空噴射は、真空チャンバーが１０〜２００℃の温度範囲で行うことが好ましい。

前記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含むことが好ましい。

前記第２金属めっき層を形成する段階は、電気めっき法または無電解めっき法により行うことが好ましい。

前記の鋼板の金属コーティング方法は、前記第２金属めっき層を研磨する段階をさらに含むことが好ましい。

前記の鋼板の金属コーティング方法は、前記第２金属めっき層を形成する段階の後に、２００〜１０００℃の温度で熱処理する段階をさらに含むことが好ましい。

本発明の他の知見によると、前記の本発明による鋼板の金属コーティング方法により製造された金属コーティング鋼板が提供される。

本発明のさらに他の知見によると、鋼板と、前記鋼板の少なくとも一面に第１金属粉末を用いて形成された多孔性の第１金属コーティング層と、前記第１金属コーティング層を成す金属粉末の間隙に形成された第２金属めっき層と、を含む金属コーティング鋼板が提供される。

前記第２金属めっき層は、前記第１金属コーティング層の表層部及び第１金属コーティング層の気孔の間に形成されることが好ましい。

前記鋼板と第１金属コーティング層との界面には凹凸構造部が形成されることが好ましい。

前記第１金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含むことが好ましい。

前記第１金属粉末は、平均粒度が１〜２０μｍであることが好ましい。

前記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むことが好ましい。

本発明によると、加熱された気体を用いることで、気体の消費量を増加させることなく高圧の気体を形成して金属粉末を噴射することができ、軟化点未満の温度に加熱された金属粉末の塑性変形によってコーティング効率を向上させることができる。本発明の金属コーティング鋼板は、金属粉末粒子の間にめっき層が形成され、空隙のないコーティング層が提供されることができるため、耐食性が向上するとともに、コーティング粉末自体の機能性も確保することができる。

本発明により形成されたコーティング層の例示的な構造を図式的に示した図である。 本発明のコーティング方法を実現するように形成された噴射装置の一例を図式的に示した図である。 本発明のコーティング方法を実現するように形成された噴射装置の他の例を図式的に示した図である。

以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。

本発明によると、金属コーティング層の内部及び／または表層部の金属粉末粒子の間に金属めっき層が形成された、空隙のない金属コーティング層を鋼板上に提供することで、金属コーティング層の機能性を極大化させるコーティング技術、及びそれを用いた表面処理鋼板が提供される。

本発明による鋼板の金属コーティング方法が適用可能な鋼板は、特に制限されるものではないが、熱延鋼板、冷延鋼板、冷延焼鈍鋼板、亜鉛めっき鋼板、亜鉛系合金めっき鋼板、及びアルミニウム系めっき鋼板からなる群から選択される鋼板であることができる。

本発明による鋼板の金属コーティング方法は、第１金属粉末を常温以上軟化点未満の温度で加熱する段階と、気体を２００〜６００℃の温度で加熱する段階と、加熱された金属粉末を加熱された気体とともに真空噴射することで、多孔性の第１金属コーティング層を形成する段階と、上記第１金属コーティング層を成す粉末の間隙に第２金属めっき層を形成する段階と、を含む。

すなわち、本発明の金属コーティング方法は、適正温度に加熱された金属粉末と気体を混合し、上記気体の流れに乗せた粉末を低温低圧の雰囲気で噴射することで、コーティング構造物を形成する方法である。本発明によると、このように鋼板に第１金属粉末を真空噴射した結果、図１に示されるように、鋼板との界面に凹凸構造部８が形成されることができる。

この際、上記「常温」は、約１５〜２５℃の温度を意味する。

また、本発明によると、気体の流れに乗った粉末が噴射される真空本体１００の内部が低温低圧の状態に維持されるため、気体の消費量を増加させることなくノズル噴射口を境界とするコーティング部と移送ガスの高い圧力差によって気体を噴射することができる。さらに、上記真空本体１００が低温に維持されるため、気体の流れに乗った上記粉末が噴射される際にも上記真空本体１００の内部の圧力上昇が防止され、粉末を安定して噴射することができる。

上記第１金属粉末を常温以上軟化点未満の温度で加熱する段階において、上記第１金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むが、これに制限されるものではなく、これらのうち何れか１つの金属、これらのうち２つ以上の合金、またはこれらのうち少なくとも１つを含む合金であることができる。例えば、ステンレス鋼粉末が使用可能であり、２００系、３００系、４００系などのステンレス鋼粉末といったＦｅ系金属はいうまでもなく、高強度合金粉末なども使用できる。したがって、上記軟化点は、上記第１金属によって変わり得る。

一方、本発明において、上記第１金属粉末の断面のアスペクト比（長軸の長さ／短縮の長さ）は２未満であることが好ましい。

例えば、第１金属粉末を加熱する段階は、ステンレス鋼粉末を用いる場合、常温〜９００℃の温度で行うことができる。

上記第１金属粉末を加熱する段階の温度が常温未満と低いと、塑性変形及びコーティングが円滑ではないという問題があるが、移送ガスをさらに加熱することで克服可能である。軟化点以上であると、高融点粉末の場合には鋼板素材に損傷を与える恐れがあり、また、製造コストが上昇するという問題がある。

上記第１金属粉末は平均粒度が１〜２０μｍであることが好ましく、より好ましくは平均粒度が１〜１０μｍである。上記第１金属粉末の平均粒度が１μｍ未満である場合には、粉末のコストが上昇し、結果として製造コストが上昇するという問題があり、２０μｍを超える場合には、粉末コーティング層の粒子間の空隙のサイズが大きくなって緻密なコーティング層が形成されにくく、また、鋼板をコーティングする時に必要な衝撃エネルギーが増加し、これに伴ってさらに高い圧力の気体が必要となるため、気体消費量が増加するという問題がある。

一方、上記第１金属粉末を加熱する段階とは別に、気体を加熱する段階を行う。より具体的には、上記気体を２００〜６００℃の温度で加熱することが好ましく、より好ましくは２００〜５００℃の温度で加熱する。上記温度が２００℃未満である場合には、十分なガス圧力が確保できないという問題があり、６００℃を超える場合には、粉末の噴射速度が増加して鋼板素材に損傷を与える問題や、高温によって素材が折り曲げられるという問題及び製造コストが上昇するという問題がある。

この際、使用可能な上記気体としては、空気以下の密度を有することが好ましく、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び空気からなる群から選択される少なくとも１つの気体が挙げられるが、これに制限されるものではない。すなわち、上記気体としては、密度の低い窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）などが用いられることができるが、使用量、価格などを考慮して、これらより密度の高い乾燥空気が用いられることもできる。

一方、粉末の温度は、高ければ高いほど塑性変形による金属粉末のコーティング効率を向上させる上で好ましいが、本発明によると、金属粉末を上述のような温度で加熱し、それより低い温度で加熱された多くの流量の気体と混合して噴射することで、粉末の塑性変形率を極大化させるとともに、適正な速度で噴射することができる。

続いて、このように加熱された金属粉末を、加熱された気体とともに真空噴射することで、多孔性の第１金属コーティング層を形成する段階を行う。

図２及び図３を参照して、本発明の金属コーティング方法を、それを行うことができる装置とともにより具体的に説明する。

本発明は、例えば、粉末噴射装置１を用いて実現することができ、真空本体１００に被コーティング部材３である鋼板を提供し、上記粉末が塑性変形されながら上記被コーティング部材３に積層されるように、加熱噴射ユニット２００によって加熱された高圧気体の流れに粉末を乗せて上記被コーティング部材３に噴射することができる。

上記真空本体１００の内部にコーティングすべき被コーティング部材３を提供するために、部材移送器３ａに上記被コーティング部材３を装着する。その後、気体供給部２２０から提供される気体を気体加熱部２３０が加熱し、粉末供給部２１０から提供される粉末を粉末加熱部２４０が加熱すると、加熱された上記高圧気体と粉末がノズル部２５０に提供され、真空状態の真空本体１００に高速で噴射されて真空本体１００の内部の被コーティング部材の鋼板３に塑性変形によって積層されることにより、コーティング層が形成される。

すなわち、本発明は、噴射される気体と粉末を、噴射される前にそれぞれ加熱して提供することで、既存の真空噴射法で気体流量を増加させて高圧気体を形成してから高速で噴射していた点を改善し、気体の消費量を増加させることなく高圧の気体を形成し、高速で粉末を噴射させることができるようにしたものである。また、コーティングする金属粉末を、材料に応じて特定温度以上に加熱することで、金属材料の塑性変形率を増加させ、鋼板と衝突時に積層が円滑に行われるようにすることができる。

例えば、粉末加熱部２４０は粉末供給部２１０に提供され、上記粉末を加熱する役割を果たすことができる。上記粉末を加熱するのは、上記粉末の塑性変形を容易にするためであり、気体加熱部に比べて高い温度に制御することもでき、コーティング効率の向上に寄与する。すなわち、気体加熱部２３０とは別に上記粉末加熱部２４０が提供され、気体と粉末を分離して加熱することで、気体温度に比べて高い粉末温度を実現することができる。また、上記粉末加熱部２４０にも温度測定のためのセンサーＳが提供されることができ、制御部Ｃと連結されて加熱温度を制御することができる。

上記真空本体１００は、真空を形成するために、上記鋼板３が提供されるチャンバー部１１０と、上記チャンバー部１１０に提供される真空部１３０と、を含むことができる。

一方、上記チャンバー部１１０は密閉されて提供されることで、上記真空部１３０による真空形成を維持するように提供されることが好ましい。上記鋼板３に提供される移送器３ａも、上記チャンバー部１１０の内部に提供されることができる。

一方、本発明において、上記真空噴射は０．０１〜２０Ｔｏｒｒの圧力で行われることが好ましく、０．１〜１５Ｔｏｒｒの圧力で行われることがより好ましい。

上記真空噴射が０．０１Ｔｏｒｒ未満の圧力で行われる場合には、高真空領域として真空を形成するための製造コストが上昇するという問題があり、２０Ｔｏｒｒを超える圧力で行われる場合には、真空チャンバーの圧力が上昇して十分な粉末噴射速度が得られないことがある。

例えば、図２及び図３を参照すると、真空部１３０は、チャンバー部１１０の内部を真空にする役割を果たすことができる。そのために、上記真空部１３０は、真空ポンプ１３１と、粉末フィルター１３２と、冷却器１３３と、を含むことができる。すなわち、上記真空部１３０は、上記チャンバー部１１０の内部を０．０１〜２０Ｔｏｒｒの低真空状態に維持する役割を果たすことができる。

上記真空本体１００は、加熱噴射ユニット２００との温度差をさらに大きくすることで、さらに大きい圧力差によって高速で粉末を噴射することができるように、冷却部１２０をさらに含むことができる。

すなわち、上記真空噴射は、１０〜２００℃の温度で行われることが好ましく、２５〜１００℃の温度で行われることがより好ましい。上記真空噴射の温度が１０℃未満である場合には、温度維持のためのコストが上昇するという問題があり、２００℃を超える場合には、真空チャンバーの圧力が増加し、十分な圧力差が得られないという問題がある。

すなわち、上記冷却部１２０は、上記チャンバー部１１０の内部全体の温度を低温に維持する役割を果たすことができる。これにより、上記チャンバー部１１０の内部と、供給される気体との圧力差をさらに大きくし、より一層、高速で粉末を噴射することができることはいうまでもない。後述の加熱噴射ユニット２００から気体と粉末が噴射される際にも、上記チャンバー部１１０の内部の圧力上昇が防止され、粉末が安定して噴射されるように維持することができるという利点も生じる。

したがって、本発明が適用可能な例示的な粉末噴射装置１の真空本体１００は、チャンバー部１１０及び内部を低温状態に維持するように、上記チャンバー部１１０に提供される冷却部１２０を含むことができる。上記冷却部１２０は、上記チャンバー部１１０の全面で冷却が行われるように、上記チャンバー部１１０の外面を囲むように二重構造で提供される図２の粉末噴射装置、または冷却コイルや冷却ピンが提供される図３の噴射装置のように実現されることができる。

気体及び第１金属粉末を加熱して上記真空本体１００の内部に高速で噴射することで、上記真空本体１００の内部に提供される被コーティング部材である鋼板３に、上記粉末を塑性変形によってコーティングすることができる。そのために、上記加熱噴射ユニット２００は、粉末供給部２１０、気体供給部２２０、気体加熱部２３０、粉末加熱部２４０、ノズル部２５０などを含むことができる。

上記粉末供給部２１０は、上記鋼板３へのコーティングのために噴射される粉末を提供する役割を果たすことができ、粉末は、粉末加熱部２４０によって加熱されて供給されることもできる。また、上記粉末供給部２１０は、粉末の供給量を調節することができ、上記気体供給部２２０の気体分配器２２３と連結された連結配管２２３ａから供給される一部の気体を受ける。供給された気体は、上記粉末供給部２１０に貯蔵された粉末を浮遊させ、浮遊した粉末を移送させる駆動力として作用することができる。

一方、上記気体供給部２２０は、上記粉末を高速で噴射するための高圧の気体を供給する役割を果たすことができる。すなわち、上記粉末は、上記真空本体１００の内部に噴射される際に、上記高圧気体の噴射時に上記高圧気体の流れに乗って噴射される。そのため、上記高圧気体が高速で噴射されると、上記粉末も高速で噴射されることができる。また、上記気体供給部２２０が、高速で気体を噴射するために、高圧状態に維持されることはいうまでもなく、気体加熱部２３０によって加熱されて高温高圧の気体を提供することもできる。そのため、上記気体供給部は、気体貯蔵室２２１、気体移送配管２２２、気体分配器２２３、除湿器２２４などを含むことができる。また、温度を測定するためのセンサーＳを提供することができ、制御部Ｃと連結されて上記気体加熱部２３０による加熱温度を制御することができる。

気体及び粉末の温度と速度は噴射速度を決定する重要な因子であって、金属粉末材料に応じて適宜設定しなければならない。気体の温度や速度が低すぎる場合には、金属粉末が鋼板素材との衝突時に、コーティングのための十分な衝撃エネルギーを得ることができず、高すぎる場合には、コーティングされるのではなく素材をエッチングさせたり、衝突後に積層されずに飛び出てしまう問題が発生する。

すなわち、鋼板素材の表面に金属粉末をコーティングするためには適切な衝撃エネルギーが必要であり、そのためには、気体及び粉末の温度と速度条件が重要である。最適化された条件下では、強い衝撃エネルギーによって鋼板素材と金属コーティング層との界面で金属結合が行われるか、鋼板の成分とコーティング粉末材料の成分の金属間拡散層が形成されるか、強い衝撃エネルギーにより、初期衝突粒子が鋼板素材側に入り込んだ凹凸構造部（Ａｎｃｈｏｒｉｎｇ ｌａｙｅｒ）が形成されるか、またはこのような構造のうち２以上またはこれらの層が全て形成されることができる。より具体的に、衝撃エネルギーが低い場合には、金属結合や金属間拡散層がなくても凹凸構造部が形成されて積層が行われ、衝撃エネルギーが増加するほど凹凸構造部の形成とともに金属結合が形成され、鋼板素材と粉末が互いに異なる成分である場合には金属間拡散層が形成されることができる。一方、衝撃エネルギーが低い場合には、密着力がやや低くなり得るが、後述の熱処理によって金属結合を形成して密着力を確保することができる。

このように、鋼板素材と第１金属コーティング層との界面における金属結合、金属間拡散層及び凹凸構造部の形成により、素材鋼板と第１金属コーティング層は強い密着力を有し、コーティング層内の粒子の間にも、塑性変形を伴う上記金属結合や金属間拡散層を形成することができる。

このような段階により、金属粉末を鋼板素材に噴射して高いコーティング効率で金属コーティング層を形成することができる。しかし、このような場合、コーティング効率は高いものの、鋼板素材との衝突時に殆どの粒子がコーティングされ、粉末粒子の形態は維持されるが、少し変形された状態でコーティングが行われる。このように粒子の形態を維持しながらコーティングされる結果、コーティング層の内部に空隙が形成され、耐食性などの問題が引き起こされることがある。

本発明において、上記第１金属コーティング層内の金属粉末の断面アスペクト比（長軸の長さ／短縮の長さ）は、２未満であることが好ましい。

そこで、本発明では、第２金属めっき層を形成する段階をさらに行う。

すなわち、本発明では、金属コーティング層の表層部、内部、またはこれら両方の金属粉末粒子の間に、めっきによる別の金属層を形成することで、最終的に空隙のないコーティング層を提供する。これにより、腐食因子の浸透を防止し、コーティング材料の機能性を極大化させることができる。

この際、使用可能な上記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むが、これに制限されるものではなく、これらのうち何れか１つの金属、これらのうち２つ以上の合金、またはこれらのうち少なくとも１つを含む合金であることができる。

一方、上記めっき層を形成する段階は、電気めっき法または無電解めっき法により行うことができる。

すなわち、上記金属コーティング層が形成された鋼板素材に、通常の電気めっき法または無電解めっき法を活用して別のめっき層を形成することで、上記金属コーティング層内の粉末粒子の間の空隙を埋めることにより、空隙のない金属コーティング層を形成することができる。

図１は、金属コーティング層の内部の金属粉末粒子の間及び表層部に、めっきによる別の金属層が形成された構造を図式的に示したものであるが、他の例として、主にコーティング層の内部の金属粉末粒子間の空隙にのみめっき層を形成し、その他の表層部にめっきされることを抑えるように実現されてもよい。後者の場合、めっき溶液中に抑制剤を含ませることができ、その結果、上記金属コーティング層内の空隙にのみ別の金属層が主に形成されるようにすることができる。

この際、使用可能な上記抑制剤としては、特に制限されないが、電気めっき法や無電解めっき法で通常用いられる抑制剤が使用でき、本発明で提案する金属コーティング層の金属の種類及び粉末のサイズなどによって決定される金属コーティング層の性状に最適の抑制剤であればよい。例えば、ポリオール系、アミン系有機化合物などの界面活性剤などを用いることができる。

さらに、本発明において、上記第２金属めっき層を研磨する段階をさらに含むことができる。

上記研磨する段階を行う場合、表層部の空隙をさらに最小化することができ、金属コーティング層の表面にヘアラインまたはメタル質感を付与して外観を向上させることができる。これは、研磨処理時に発生する摩擦力によって表層部の空隙が閉塞する現象に起因するものであり、また、研磨処理によって表面にヘアラインなどのメタル質感を付与することで、製品の価値も向上する効果を得ることができる。

さらに、本発明のコーティング方法によると、２００〜１０００℃の温度で熱処理する段階をさらに含むことができ、上記熱処理温度は３００〜８５０℃であることがより好ましい。

上記追加の熱処理時の温度は、金属コーティング層を構成する金属または合金の融点未満であることが好ましく、鋼板素材がめっき鋼板である場合、めっき層の融点及びめっき層の合金化温度を考慮して、必要に応じて低温で長時間熱処理することが好ましい。

また、熱処理方法としてレーザーまたはプラズマ加熱法を適用することで、熱が鋼板素材に与える影響を最小化し、且つコーティング層にのみ熱処理の効果を付与する方法も適用させることができる。

このように追加の熱処理段階を行うことで、金属コーティング層内の空隙をさらに最小化し、鋼板素材と金属コーティング層との間、そして金属コーティング層内の粉末粒子の間、さらには金属粉末粒子とめっきによって形成されためっき層との間に密着力を付与することにより、耐食性とともに加工性を向上させることができる。

これは、追加の熱処理により、各界面で焼結が起こる現象に起因する。一方、コーティング時に粉末粒子の塑性変形によって結晶粒内で転位が発生するが、このような熱処理により転位が解消され、粉末粒子中の結晶粒のサイズが本来の粉末粒子の平均粒度（Ｄ５０）未満に再結晶化される。これにより、熱処理していない金属コーティング層に備えて加工性が増加するようになる。

この際、金属粉末粒子とめっき層との界面、そして鋼板素材と金属コーティング層との界面に、異種金属間拡散層が形成されることができる。

上記の追加の熱処理段階は、研磨段階前または後に行うことができ、その処理順序は制限されるものではない。

本発明によると、上述の本発明の鋼板の金属コーティング方法により製造された金属コーティング鋼板が提供される。

より具体的に、本発明の金属コーティング鋼板は、鋼板と、上記鋼板の少なくとも一面に第１金属粉末を用いて形成された多孔性の第１金属コーティング層と、上記第１金属コーティング層を成す金属粉末の間隙に形成された第２金属めっき層と、を含む。

図１を参照すると、鋼板またはめっき鋼板３上に第１金属粉末を噴射して形成された多孔性の第１金属コーティング層４と、上記第１金属コーティング層を成す金属粉末粒子５の間隙に形成された第２金属めっき層６と、を備え、空隙７のないコーティング層４ａが形成された金属コーティング鋼板２を提供する。

この際、上記第２金属めっき層は、上記第１金属コーティング層の内部の気孔の間及び／または表層部に形成されることができる。したがって、最終的に空隙のないコーティング層を提供することで、腐食因子が鋼板に達することができないようにすることにより、耐食性を確保することができるとともに、コーティングされた金属が有する機能性を極大化させることができる。

一方、本発明において、上記多孔性の第１金属コーティング層は真空噴射工程により形成され、上記金属コーティング層内の第１金属粉末の結晶粒のサイズは、本来用いた粉末粒子の平均粒度（Ｄ５０）未満となる。

一方、上記第１金属粉末粒子の間に形成される第２金属めっき層と第１金属粉末粒子との界面には金属間拡散層が存在し、上記鋼板と上記第１金属コーティング層との界面には、金属結合、凹凸構造部８、及び金属間拡散層が形成されることができる。

上記第１金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むが、これに制限されるものではなく、これらのうち何れか１つの金属、これらのうち２つ以上の合金、またはこれらのうち少なくとも１つを含む合金であることができる。例えば、ステンレス鋼粉末が使用可能であり、２００系、３００系、４００系などのステンレス鋼粉末といったＦｅ系金属はいうまでもなく、高強度合金粉末なども使用できる。したがって、上記軟化点は、上記第１金属によって変わり得る。

上記第１金属粉末は、平均粒度が１〜２０μｍの何れか１つである単一種類の金属粉末であることが好ましく、より好ましくは平均粒度が３〜１０μｍ、さらに好ましくは５〜１０μｍである。上記第１金属粉末の平均粒度が１μｍ未満である場合には、粉末のコストが上昇し、結果として製造コストが上昇するという問題があり、２０μｍを超える場合には、粉末コーティング層の粒子間の空隙のサイズが大きくなって緻密なコーティング層が形成されにくく、また、鋼板にコーティングされる時に必要な衝撃エネルギーが増加し、これに伴ってさらに高い圧力の気体が必要となるため、気体消費量が増加するという問題がある。

この際、使用可能な上記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つの金属を含むが、これに制限されるものではなく、これらのうち何れか１つの金属、これらのうち２つ以上の合金、またはこれらのうち少なくとも１つを含む合金であることができる。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。下記実施例は、本発明の理解のための例示に過ぎず、本発明の範囲がこれによって限定されるものではない。

「１．コーティング時の温度条件によるコーティング層の変化確認実験」
コーティングの対象となる素材としては冷延鋼板を使用し、コーティング材料としてはステンレス鋼粉末を使用した。粉末の平均粒度（Ｄ５０）は５μｍであり、粒子サイズは１〜１０μｍの範囲で正規分布を有するようにした。

図２に示されたコーティング装置を使用し、コーティング条件として、初期真空本体１００の圧力を５×０．０１Ｔｏｒｒ、ノズル噴射前の気体圧力を８００Ｔｏｒｒに設定し、上記粉末を粉末供給部２１０内に載置してコーティング実験を行った。この際、気体としては乾燥空気を使用し、流量として、粉末移送配管２１１では３０Ｌ／ｍｉｎ、気体移送配管２２２では２００Ｌ／ｍｉｎに設定した。また、ノズル部２５０は、スロートのサイズが０．８ｍｍ×１００ｍｍのシリンダー型ノズルを使用してコーティング素材と１０ｍｍ離隔させ、１個のノズル部２５０が固定された状態で、素材を１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で左右に２回移動させながらコーティングを行った。

粉末加熱部２４０及び気体加熱部２３０を駆動させ、粉末移送配管２１１及び気体移送配管２２２の温度を下記表１に示した値に制御してコーティング実験を行った。

被コーティング部材である冷延鋼板に対して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面部のＣｒ成分の元素分析によりコーティング層の厚さを測定し、その平均値をコーティング条件とともに下記表１に示した。

上記表１から確認できるように、常温条件で行った比較例１ではコーティングが殆ど行われなかったのに対し、比較例２（粒子サイズが１〜１０μｍの範囲で正規分布を有する）、実施例１及び実施例２の結果から、気体温度が増加するにつれてコーティング層の厚さが増加することが分かった。但し、比較例２は、空隙のない構造は得られたものの、コーティング効率が低いため活用が不可能であり、実施例１〜実施例５の結果からは空隙が形成されることが確認できた。

このような結果は、気体温度が上昇するにつれて気体が高圧となり、高圧の気体と真空本体１００の内部との圧力差が大きくなることにより、粉末の噴射速度が増加することに起因する。

また、実施例３、実施例４、及び実施例５の結果から、粉末を加熱することでコーティングの厚さがさらに増加することが分かった。したがって、このように金属粉末の加熱によって塑性変形率を極大化させることができ、その結果、常温条件の比較例１に比べて飛躍的にコーティング効率を増加させることができる。

「２．コーティング工程によるコーティング層の物性確認実験」
鋼板の素材及びコーティング条件は上記１．の実験と同一に設定し、特に、表１の実施例４と同一の温度条件とした。但し、粉末の平均粒度は５μｍとし、コーティング厚さが約２５μｍとなるように試験片を製作した。

このようにして得られた同一の試験片に対して、さらに電気めっき、熱処理、研磨処理などを行って下記表２に示したように各試験片を製造した。複数の後続処理を行う場合、処理順序としては、電気めっき、熱処理、その後に研磨処理の順に行った。

電気めっきは、上記金属粉末コーティング層にさらにＮｉをめっきし、めっき溶液中に極微量の抑制剤を添加して、電流密度２０Ａ／ｄｍ^２、めっき溶液温度５０℃の条件で付着量が約２ｇ／ｍ^２となるように行った。

熱処理は、還元雰囲気下で８５０℃の温度条件で５分間行った。また、研磨処理は、通常の紙やすりを用いて表層部の約２〜５μｍが消耗されるように行った。

このようにして製造した試験片に対して耐食性と加工性をそれぞれ評価し、その結果をそれぞれ下記表２に示した。

耐食性は、塩水噴霧試験により、試験片の総面積７５ｍｍＸ１５０ｍｍのうち、赤さびが発生した面積が５％に達するまでの時間を測定した。

加工性は、ベンディング実験により、角度９０°、曲率半径３ｍｍの条件におけるベンディング部のクラック発生有無で評価した。光学顕微鏡観察により、クラックが発生した時には「Ｘ」、クラックが発生しなかった時には「○」を下記表２に示した。

金属コーティング層内に空隙が存在する比較例３〜比較例６の場合、金属粉末の他に別の金属がコーティング層内に存在しなくても、熱処理や研磨処理によって耐食性がある程度までは増加するが、ＳＴＳ粉末コーティング層自体が有する耐食性及び機能性を十分に発揮することができないことが確認できた。

一方、上記実施例６から確認できるように、コーティングされた粉末粒子の間に別の金属を形成することで、コーティング層が有する機能性をさらに効果的に発揮することができ、実施例７〜実施例９から確認できるように、熱処理または研磨処理をさらに行うことでその特性をさらに向上させることができることが確認できた。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲がこれによって限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の本発明の技術的思想を逸脱することなく範囲内で多様な修正及び変形が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者にとって自明である。

１ 粉末噴射装置
２ 金属コーティング鋼板
３ コーティング素材（鋼板またはめっき鋼板）
４ 金属コーティング層
４ａ 空隙のないコーティング層
５ 第１金属粉末粒子
６ 第２金属
７ 空隙
８ 凹凸構造部
１００ 真空本体
１１０ チャンバー部
１２０ 冷却部
１３０ 真空部
１３１ 真空ポンプ
１３２ 粉末フィルター
１３３ 冷却器
２００ 加熱噴射ユニット
２１０ 粉末供給部
２１１ 粉末移送配管
２２０ 気体供給部
２２１ 気体貯蔵室
２２２ 気体移送配管
２２３ 気体分配器
２２３ａ 連結配管
２２４ 除湿器
２３０ 気体加熱部
２４０ 粉末加熱部
２５０ ノズル部

Claims (14)

1. 第１金属粉末を常温以上軟化点未満の温度で加熱する段階と、
   気体を２００〜６００℃の温度で加熱する段階と、
   加熱された金属粉末を加熱された気体とともに真空噴射することで、多孔性の第１金属コーティング層を形成する段階と、
   前記第１金属コーティング層を成す粉末の間隙に第２金属めっき層を形成する段階と、を含み、
   前記第１金属コーティング層を成す第１金属と前記第２金属めっき層を成す第２金属は互いに異なる種類である、鋼板の金属コーティング方法。
2. 前記第１金属は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びスズ（Ｓｎ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含む、請求項１に記載の鋼板の金属コーティング方法。
3. 前記第１金属粉末は、平均粒度が１〜２０μｍである、請求項１又は２に記載の鋼板の金属コーティング方法。
4. 前記気体は、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、及び空気からなる群から選択される少なくとも１つ以上の気体である、請求項１から３のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
5. 前記真空噴射は０．０１〜２０Ｔｏｒｒの圧力で行う、請求項１から４のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
6. 前記真空噴射は１０〜２００℃の温度で行う、請求項１から５のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
7. 前記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
8. 前記第２金属めっき層を形成する段階は、電気めっき法または無電解めっき法により行う、請求項１から７のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
9. 前記第２金属めっき層を研磨する段階をさらに含む、請求項１から８のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
10. 前記第２金属めっき層を形成する段階の後に、２００〜１０００℃の温度で熱処理する段階をさらに含む、請求項１から９のいずれか１項に記載の鋼板の金属コーティング方法。
11. 鋼板と、
    前記鋼板の少なくとも一面に第１金属粉末を用いて形成された多孔性の第１金属コーティング層と、
    前記第１金属コーティング層を成す金属粉末の間隙に形成された第２金属めっき層とを含み、
    前記第１金属コーティング層を成す第１金属と前記第２金属めっき層を成す第２金属は互いに異なる種類であって、
    前記第１金属は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、及びマンガン（Ｍｎ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含み、
    前記第２金属は、亜鉛（Ｚｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、及びクロム（Ｃｒ）からなる群から選択される少なくとも１つ以上の金属を含み、
    前記第２金属めっき層は、前記第１金属コーティング層が形成された後、前記第１金属コーティング層を成す金属粉末の間隙に形成される、金属コーティング鋼板。
12. 前記第２金属めっき層は、前記第１金属コーティング層の表層部及び前記第１金属コーティング層の気孔に形成される、請求項１１に記載の金属コーティング鋼板。
13. 前記鋼板と前記第１金属コーティング層との界面には凹凸構造部が形成される、請求項１１又は１２に記載の金属コーティング鋼板。
14. 前記第１金属粉末は、平均粒度が１〜２０μｍである、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の金属コーティング鋼板。

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