JP6756370B2 - 表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法 - Google Patents

表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板およびその製造方法に関する。
溶融亜鉛めっき鋼板などの表面処理鋼板は、耐食性に優れ、自動車、電機、建材など幅広い分野に適用されている。さらに近年、屋外の厳しい腐食環境への表面処理鋼板の適用の要望が増えているため、亜鉛(Zn)にアルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)を添加して耐食性をさらに向上させた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板が提案されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、上記の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板は、表面外観に課題を有している。溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板は、Mg−Zn化合物相として主にMgZn相がめっき皮膜中に晶出する。それに加えて、MgZn11相が局所的に晶出し、その部分が黒色の班点状の模様(以下、黒色斑点と称する)を生じることが問題視されていた。そこで、特許文献1には冷却速度を制御してMgZn11相の晶出を抑制する技術が提案されている。また、特許文献2にはめっき浴中にTi、B等を添加してMgZn11相の晶出を抑制する技術が提案されている。
特開平10−226865号公報 特開平10−306357号公報
しかし、上記技術を用いた場合でも、製造条件(板厚、めっき付着量、通板速度など)によっては、黒色斑点の発生を完全に抑制することは出来なかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板およびその製造方法を提供するものである。
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、Zn相、Al相、Mg−Zn化合物相で構成されるめっき皮膜中の、該Mg−Zn化合物相のMgZn/MgZn11のX線強度比が0.2以下となるようにめっき相構造を制御することで、黒色斑点のない表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板が製造可能であることを見出した。
本発明は上記知見に基づくものであり、その特徴は以下の通りである。
[1] 鋼板表面に、1〜22質量%のAl、0.1〜10質量%のMgを含むめっき皮膜を有し、
前記めっき皮膜中のMg−Zn化合物相のX線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11が0.2以下である溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
[2] 前記めっき皮膜は、さらに、0.005〜0.25質量%のNiを含む[1]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
[3] 前記めっき皮膜の上に、さらに、片面あたりの付着量が0.1〜10g/mの無機化合物系皮膜を有する[1]または[2]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
[4] 前記めっき皮膜の上に、さらに、片面あたりの付着量が0.1〜10g/mの有機樹脂系皮膜を有する[1]または[2]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
[5] 前記めっき皮膜の上に、さらに、片面あたりの付着量が0.1〜10g/mの無機化合物−有機樹脂複合皮膜を有する
[1]または[2]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板。
[6] 下地鋼板を、1〜22質量%のAl、0.1〜10質量%のMgを含むめっき浴に浸漬して溶融Zn−Al−Mg系めっき処理を行い、
次いで、前記溶融Zn−Al−Mg系めっき処理後の鋼板を一次冷却停止温度:300℃未満まで冷却する一次冷却を行い、
次いで、加熱温度:280℃以上340℃以下まで加熱し
次いで、二次冷却する溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
[7] 前記一次冷却停止温度を200℃以下とし、
前記加熱温度を300〜340℃以下とする[6]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
[8] 一次冷却後の前記加熱および前記二次冷却の条件が、以下の式(1)を満足する[6]または[7]に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
18≦1/2×(A−250)×t≦13500 (1)
ここで、A:一次冷却後の加熱温度(℃)
t:一次冷却後の加熱から二次冷却までの工程において、鋼板が250℃以上となる時間(秒)
[9] 前記めっき浴が、さらに、0.005〜0.25質量%のNiを含む[6]〜[8]のいずれかに記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
[10] さらに、前記二次冷却後、化成処理を行い、めっき皮膜の表面に無機化合物系皮膜、有機樹脂系皮膜、無機化合物−有機樹脂複合皮膜のいずれか1種を形成する[6]〜[9]のいずれかに記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
なお、本発明において、溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板としては、Zn−Al−Mgめっき鋼板、Zn−Al−Mg−Niめっき鋼板、Zn−Al−Mg―Siめっき鋼板などが挙げられる。これらに限定されるものではなく、Zn、Al、Mgを含む公知の溶融Zn−Al−Mg系めっきすべてが適用可能である。また、本明細書において、鋼の成分を示す%、めっきの成分を示す%は、すべて質量%である。
本発明によれば、黒色斑点のない表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を製造することができる。
まず、本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき組成限定理由を以下に説明する。
本発明のめっき皮膜は、1〜22質量%のAl、0.1〜10質量%のMgを含むめっき皮膜である。
Al:1〜22質量%
Alは耐食性向上を目的に添加される。めっき皮膜中のAl含有量が1%未満の場合、耐食性が十分に得られない。これに加えて、めっき/母材界面にZn−Fe合金相が成長し、加工性が著しく低下する。一方、Al含有量が22%を超えると耐食性向上効果が飽和する。したがって、Al含有量の範囲は1〜22%とする。好ましくは4〜15%である。
Mg:0.1〜10質量%
MgもAl同様、耐食性の向上を目的に添加される。めっき皮膜中のMg含有量が0.1%未満の場合は、耐食性が十分に得られない。一方、Mg含有量が10%を超えると耐食性向上効果が飽和する。また、Mg酸化物系のドロスが発生しやすくなる。したがって、Mg含有量の範囲は0.1〜10%とする。また、めっき皮膜中のMg量が上記の上限値範囲内であっても5%を超えると、一次冷却後のめっき皮膜中にMgZnが初晶として局所的に晶出する場合がある。初晶として晶出したMgZnは比較的サイズが大きくなり易く、後述するMgZn相主体からMgZn11相主体への固相変態のための加熱処理を長くする必要がある。したがって、5%以下とすることが好ましい。さらに、3%以下とすることがより好ましい。
上記以外に、めっき皮膜中には、NiやSi等を含むことができる。
Ni:0.005〜0.25質量%
Niを含む場合、0.005〜0.25%を含有させることが好ましい。溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を、高温多湿など厳しい腐食環境中に長時間保管すると、めっき表面が酸化されることで灰色〜黒色に変色する「黒変」が生じる場合があるが、Niを含有させることで、耐黒変性を改善できる。Ni含有量が0.005%以上であれば、より優れた耐黒変性を得ることができる。0.25%を超えると、めっき浴中にドロスが発生し、ドロスの付着に起因する外観不良を招く場合がある。さらに本発明では、めっき中のMg−Zn化合物相を後述する加熱によりMgZn主体からMgZn11主体の構造へと変化させるが、その際、耐黒変性が低下する場合がある。本発明では、めっき中にNiを添加することでめっき皮膜中のMg−Zn化合物の変化による耐黒変性の低下を抑制することが可能となる。
また、Siを含む場合は、0.01〜0.5%を含有させることが好ましい。Siは耐食性向上を目的に添加し、0.01%未満では耐食性向上効果が得られない。0.5%を超えると、めっき浴中にドロスが発生し、外観不良を招く場合がある。
次に、本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき皮膜の相構造(以下、めっき相構造または単に相構造とも称する)の特徴を説明する。
溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき皮膜は、おもにZn相、Al相、Mg−Zn化合物相から構成される。しかし、これまでに提案されてきた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のMg−Zn化合物相はMgZn相が主体であった。
これに対して、本発明のZn−Al−Mg系めっき鋼板では、Mg−Zn化合物相は、MgZn11相を主体とすることを特徴とする。本発明者らは、これまで局所的に晶出していたMgZn11相をめっき皮膜全体にわたって所定量晶出させることで、黒色斑点が発生しない溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造が可能であることを見出した。MgZn相と、MgZn11相との割合は、X線回折を用いて調べることができる。そして、MgZn/MgZn11のX線強度比、すなわちX線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11を0.2以下とすることで、黒色斑点のない、表面外観に優れた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を得ることが出来る。より好ましくは、X線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11は0.1以下である。
次に、本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法について説明する。
下地鋼板を、1〜22質量%のAl、0.1〜10質量%のMgを含むめっき浴に浸漬して溶融Zn−Al−Mg系めっき処理を行い、次いで、前記溶融Zn−Al−Mg系めっき処理後の鋼板を一次冷却停止温度:300℃未満まで冷却する一次冷却を行い、次いで、加熱温度:280℃以上340℃以下まで加熱し次いで、二次冷却する。
本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板は、一次冷却後の加熱、二次冷却をバッチ処理で行うこともできるが、連続式溶融亜鉛めっきライン(CGL)を用いて製造することが好ましい。
めっき処理
めっき浴には、1〜22%のAl、0.1〜10%のMgが含有される。本発明の1〜22%のAl、0.1〜10%のMgを含むめっき皮膜を有する溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を得るために、めっき浴組成は上記とする。さらにNiを0.005〜0.25%含有させることもできる。また、Siを0.01〜0.5%を含有させることもできる。
なお、めっき浴中のAl含有量およびMg含有量と、めっき皮膜中のAl含有量およびMg含有量は、ほぼ同じとなる。したがって、所望のめっき皮膜の組成になるように、浴組成を調整する。また、めっき浴の残部はZnおよび不可避的不純物とする。
めっき浴の温度については特に制限はないが、470℃未満であることが好ましい。470℃以上となると界面合金相の生成が促進され、加工性が低下する場合がある。
一次冷却
溶融Zn−Al−Mg系めっき処理後に、一次冷却停止温度:300℃未満まで冷却する。本発明では次工程である加熱処理において、後述するように、MgZn相をMgZn11相に相変態させる。この相変態が起こるためには、加熱処理前にめっき皮膜が完全に凝固し、MgZn相が晶出している必要がある。溶融Zn−Al−Mg系めっきの凝固点は、およそ340℃である。めっき処理後の一次冷却の冷却速度が大きい場合には過冷却状態となり、凝固点以下でもめっき皮膜が溶融状態になっている可能性がある。そのため、加熱処理前にめっき鋼板を凝固点よりも低い温度に冷却しておく必要がある。そのため、加熱処理前にめっき鋼板を冷却停止温度:300℃未満まで冷却し、めっき皮膜を完全に凝固させることが必要である。以上より、一次冷却停止温度は、300℃未満とする。好ましくは250℃以下、より好ましくは200℃以下とする。一次冷却の冷却速度は特に限定しない。生産性の観点から10℃/s以上であることが好ましい。一次冷却の冷却速度が大きすぎる場合、めっき皮膜が過冷却状態となり、凝固点(約340℃)以下でもめっき皮膜が溶融状態になっている可能性がある。また、製造設備の性能などを考慮すると負荷がかかる場合がある。これらの点から、冷却速度は150℃/s以下が好ましい。
加熱
一次冷却後に、加熱温度:280℃以上340℃以下まで加熱する。
本発明者らが、めっき凝固組織、特にMg−Zn化合物に着目して種々の実験を重ねた結果、MgZn相を含むZn−Al−Mg系めっき鋼板を特定の温度範囲で加熱処理することで、MgZn相がMgZn11相に相変態することを見出した。加熱処理によってMgZn相からMgZn11相に相変態する機構は明確ではないが、MgZn相から隣接するZn相へとMgが拡散することによって、熱力学的な最安定相であるMgZn11相へと固相変態したと推測される。
加熱温度は、280℃以上である必要がある。加熱温度が280℃未満の場合、MgZn相からMgZn11相への相変態に時間を要し、MgZn11相が十分に形成されない。加熱温度が高い方が、相変態がより促進されるが、340℃を超えるとめっき中のZn/Al/Mg−Zn化合物の三元共晶が溶融して、二次冷却でMgZn相が晶出する。MgZn相が晶出すると、その後の製造工程で局所的なMgZn11相の晶出が起こり、黒色斑点を生じるので、外観上好ましくない。そのため、加熱温度は、280℃以上340℃以下の範囲とする。好ましくは300〜340℃以下、より好ましくは320℃以上340℃以下の範囲とする。
二次冷却
加熱終了後、めっき鋼板を冷却する二次冷却を行う。二次冷却停止温度には特に制限はなく、たとえば室温としてもよい。二次冷却速度は特に制限されないが、生産性の観点から、10℃/s以上が好ましい。製造設備の性能などを考慮すると、150℃/s以下が好ましい。
なお、一次冷却停止温度、加熱温度は、いずれも鋼板の表面温度である。また、加熱速度、一次冷却速度、二次冷却速度は、鋼板の表面温度をもとに決められる。
さらに、本発明は一次冷却後の加熱温度をA(℃)、一次冷却後の加熱から二次冷却までの工程において、鋼板が250℃以上となる時間をt(秒)としたとき、以下の式(1)を満足することで、より表面外観に優れたZn−Al−Mg系めっき鋼板を製造することができる。
18≦1/2×(A−250)×t≦13500 (1)
ここで、A:一次冷却後の加熱温度(℃)
t:一次冷却後の加熱から二次冷却までの工程において、鋼板が250℃以上となる時間(秒)
所望のX線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11が0.2以下を安定して得るためには、1/2×(A−250)×tを18以上とすることが好ましい。より好ましくは、1/2×(A−250)×tは100以上とする。一方、1/2×(A−250)×tは13500以下が好ましい。1/2×(A−250)×tが13500を超えると、過度の加熱処理によってMgZn11が粒成長して粗大化するため耐黒変性が劣化する。よって、1/2×(A−250)×tは13500以下が好ましい。より好ましくは、8000以下である。
以上により、本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板が得られる。めっき付着量に関しては、特に限定はしない。耐食性の観点からは、片面あたり10g/m以上が好ましい。加工性の観点からは、片面あたり500g/m以下が好ましい。
溶融Zn−Al−Mg系めっき処理する下地鋼板に関しては、特に限定されない。熱延鋼板、冷延鋼板いずれにも適用可能である。
さらに本発明では、さらなる耐食性向上のために、溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板にさらに化成処理を行って、めっき皮膜の上に化成処理皮膜を形成してもよい。化成処理皮膜には、無機化合物皮膜、有機樹脂皮膜、無機化合物−有機樹脂複合皮膜等を適用することができる。無機化合物としては、例えば、チタンや、バナジウムを主体とした金属酸化物や金属リン酸塩化合物等が挙げられる。また、有機樹脂としては、エチレン、エポキシ、ウレタン系の樹脂等が挙げられる。化成処理条件については特に制限はなく、通常公知の化成処理条件が適用可能である。つまり、無機化合物を含有する処理液、もしくは有機樹脂を含有する処理液、もしくは無機化合物と有機樹脂を混合した処理液を塗布した後乾燥させることにより化成処理皮膜を形成すればよい。化成処理皮膜の付着量は0.1g/m以上10g/m以下であることが好ましい。0.1g/m未満では十分な耐食性向上効果が得られない場合がある。10g/m超えでは耐食性向上効果が飽和する。
また、本発明は、めっき層の表面にクロメート処理を施さない。
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。本発明は下記実施例に限定されるものではない。
板厚1.6mmの冷延鋼板を下地鋼板とし、連続溶融亜鉛めっき設備(CGL)を用いて表1に示す条件で溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板を製造した。めっき付着量は片面あたり100g/mとした。
以上により得られた溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板に対して、MgZn/MgZn11のX線強度比を測定し、表面外観、耐食性および耐黒変性の評価を行った。以下に詳細な測定方法を示す。
X線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11
上記で製造した溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板のめっき皮膜を、以下の条件でX線回折(対称反射法)で測定し、MgZnのピーク(2θ=19.6°付近)強度をMgZn11のピーク(2θ=14.6°付近)強度で除した値をX線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11として算出した。
[X線回折測定条件]
X線源:CuKα線(管電圧:40kV、管電流:50mA)
表面外観の評価
上記で製造した溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の長さ1000mのコイルから100m毎に幅1000mm×長さ500mmのサンプルを10枚採取し、以下の条件で黒色斑点の有無の観察を行った。
A:目視で確認される黒色斑点が無し
B:目視で確認される黒色斑点が有り(1個以上)
Aの場合を合格とし、Bの場合を不合格とした。
耐食性の評価
上記で製造した溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板から70mm×150mmのサイズの試験片を切り出し、この試験片の裏面と端部をビニールテープでシールして、SST(salt spray test;JIS Z 2371に準拠)を1000h実施した後の、鋼板の試験前後の重量変化(腐食減量)で評価した。評価基準は以下の通りである。
A:腐食減量 20g/m未満
B:腐食減量 20g/m以上40g/m未満
C:腐食減量 40g/m以上
AまたはBである場合を合格とし、Cの場合を不合格とした。
耐黒変性の評価
上記で製造した溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板から試験片(50mm×50mm)を採取し、温度40℃、湿度80%の環境に10日間晒し、分光光度計を用いて試験前後のL値(明度)を測定した。L値は、日本電色工業(株)製のSQ2000を使用し、SCIモード(正反射光含む)で測定を行い、ΔL=(試験前の鋼板のL値)−(試験後の鋼板のL値)を求めた。評価基準は下記5段階とし、A〜Dを合格、Eを不合格と判断した。
A:ΔL=0以上、3未満
B:ΔL=3以上、6未満
C:ΔL=6以上、9未満
D:ΔL=9以上、12未満
E:ΔL=12以上
以上により得られた結果を製造条件と併せて、表1に示す。
Figure 0006756370
No.1、2、5、10〜35、38、41、42、44〜52、54の本発明例ではめっき皮膜を構成するMg−Zn化合物のX線回折ピーク強度比:MgZn/MgZn11が0.2以下であり、耐食性、黒色斑点のない表面外観に優れる溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板が得られていることがわかる。
加熱処理を行わなかったNo.7、8、9、36、43の比較例は、MgZn11が形成されないことから、X線強度比が0.2を超えており、表面外観、耐食性とも劣っている。
上記以外についても、製造条件のいずれかが本発明の範囲外となっており、表面外観、耐食性のいずれか一つ以上が劣っている。
本発明の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板は、表面外観に優れ、自動車、電機、建材など幅広い分野に適用可能である。

Claims (3)

  1. 下地鋼板を、1〜22質量%のAl、0.1〜10質量%のMg、さらに、0.005〜0.25質量%のNiを含むめっき浴に浸漬して溶融Zn−Al−Mg系めっき処理を行い、
    次いで、前記溶融Zn−Al−Mg系めっき処理後の鋼板を一次冷却停止温度:300℃未満まで冷却する一次冷却を行い、
    次いで、加熱温度:280℃以上340℃以下まで加熱し
    次いで、二次冷却し、一次冷却後の前記加熱および前記二次冷却の条件が、以下の式(1)を満足する溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
    18≦1/2×(A−250)×t≦13500 (1)
    ここで、A:一次冷却後の加熱温度(℃)
    t:一次冷却後の加熱から二次冷却までの工程において、鋼板が250℃以上となる時間(秒)
  2. 前記一次冷却停止温度を200℃以下とし、
    前記加熱温度を300〜340℃以下とする請求項に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
  3. さらに、前記二次冷却後、化成処理を行い、めっき皮膜の表面に無機化合物系皮膜、有機樹脂系皮膜、無機化合物−有機樹脂複合皮膜のいずれか1種を形成する
    請求項1または2に記載の溶融Zn−Al−Mg系めっき鋼板の製造方法。
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