JP7181993B2 - 熱間成形性及び耐食性に優れたアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板及びその製造方法 - Google Patents

熱間成形性及び耐食性に優れたアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱間成形性及び耐食性に優れたアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板の製造に関するものであり、より詳細には、耐食性に優れるだけでなく、熱間成形時に発生するプレスダイ（ｄｉｅ）やロールに付着するめっき層の焼着を抑制することができるアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板及びその製造方法に関するものである。
従来、熱間成形にはＡｌめっき鋼板やＺｎめっき鋼板が一般的に用いられているが、マイクロクラックが発生するという問題点を有しており、熱処理時に形成された合金相によって耐食性が低下するという問題点もあった。
したがって、かかる耐食性及び熱間成形性の低下問題を改善するために、特許文献１では、重量％で、Ｚｎ：１～６０％、Ｓｉ：１～１５％、Ｍｇ：０．５～１０％、Ｃａ：０．５％以下を含有したＡｌめっき鋼板を提示している。しかし、上記めっき成分系は、Ｍｇ添加によってＡｌ－Ｆｅ合金相の形成を抑制するため、熱間成形時に素地鉄にマイクロクラックが発生するという問題点があった。また、Ｍｇが添加される場合、めっき層の界面に形成されるＡｌ－Ｆｅ合金相の形成を抑制して高温加工時のプレスダイに焼着されるという問題点もあった。
日本特許出願第２００１－１９０７０７号（２００１.０６.２５出願） 日本特許出願第２００９－１０２１０１号（２００９.０４.２０出願）
したがって、本発明は、熱間成形時に発生するマイクロクラックの発生を抑制することができ、熱間焼着を防止することができるだけでなく、耐食性に優れたアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明が解決しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に限定されず、言及されていないさらに他の技術的課題は、以下の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば明確に理解することができる。
上記目的を達成するための本発明は、
素地鋼板上にＡｌ－Ｚｎ溶融アルミニウムめっき層を有するめっき鋼板であって、
上記めっき層は、下層部と上層部とを含み、上記下層部は、上記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％以下、及びその他の不可避不純物を含み、上記上層部は、上記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ及びその他の不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０．０５％以下を含み、上記上層部の厚さは全体めっき層の厚さの３０％以下である熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板に関するものである。
本発明において上記素地鋼板は、冷延鋼板または熱延鋼板であってもよい。
上記素地鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．３％、Ｓｉ：０．０１～２．５％、Ｍｎ：０．５～８％、Ａｌ：０．０１～０．５％、Ｂ：１００ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含んでもよい。
また、本発明は、
重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：１％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物を含むめっき浴に鋼板を浸漬した後、排出する工程；
上記めっき浴から排出された鋼板のめっき層の厚さを調節するために２００～３００℃の温度範囲でａｉｒ ｗｉｐｉｎｇする工程；及び
上記めっき層の厚さが調節された鋼板のめっき層を５００～６７０℃の温度範囲で合金化することで、合金めっき層を形成する工程；を含む熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法に関するものである。
本発明において上記合金めっき層は、下層部と上層部とを含み、上記下層部は、上記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％以下、及びその他の不可避不純物を含み、上記上層部は、上記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ及びその他の不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０．０５％以下を含み、上記上層部の厚さは全体めっき層の厚さの３０％以下であることが好ましい。
上述のような構成の本発明は、熱間成形時にプレスダイ（ｄｉｅ）やロールにめっき層が焼着されることを防止し、マイクロクラックの発生を抑制することができるだけでなく、耐食性を向上させることができるアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板の製造に有用な効果がある。
アルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板の断面概略図であり、（ａ）は従来材を、（ｂ）は本発明の製造方法で製造されたアルミニウム合金めっき鋼板の断面を示す断面概略図である。 本発明の実施例で形成された合金めっき層のめっき密着性の発生の程度を示す図面であり、（ａ）は比較例１の場合を、（ｂ）は発明例１の場合を示す。 本発明の実施例で形成されためっき層の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ）は比較例１の場合を、（ｂ）は発明例１の場合を示す。
以下、本発明を説明する。
本発明者らは、Ａｌ合金めっき鋼板において、Ａｌを主成分として構成される上層部のめっき層の厚さが全体厚さの３０％以上である場合、高温で加工する際にプレスダイ（ｄｉｅ）にめっき層が焼着されるという問題点を発見した。また、かかる問題点を解決するために研究と実験を重ねた結果、溶融めっき浴の組成、エアーワイピング及び冷却条件などを最適に制御することで、本問題が解決されることを確認し、本発明を提示する。
本発明のＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板は、素地鋼板上にＡｌ－Ｚｎ溶融アルミニウムめっき層を有するめっき鋼板であって、上記めっき層は、下層部と上層部とを含み、上記下層部は、上記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％以下、及びその他の不可避不純物を含み、上記上層部は、上記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ及びその他の不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０．０５％以下を含み、上記上層部の厚さは全体めっき層の厚さの３０％以下である。
本発明において、上記素地鋼板は、一般的な冷延鋼板または熱延鋼板であってもよい。
また、上記素地鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．３％、Ｓｉ：０．０１～２．５％、Ｍｎ：０．５～８％、Ａｌ：０．０１～０．５％、Ｂ：１００ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含むことが好ましい。
また、本発明のＡｌ－Ｚｎ合金めっき層は、素地鋼板の直上に形成される下層部と、上記下層部上に形成される上層部を含む。
上記下層部は、Ａｌ－Ｆｅの金属間化合物で形成されており、Ｆｅ２Ａｌ５相またはＦｅＡｌ３相で構成されている。また、このときの上記下層部は、上記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％、残部Ａｌ及び不可避不純物を含むことが好ましい。
上記上層部は、上記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ及びその他の不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０．０５％以下を含むことが好ましい。
また、本発明は、上記上層部の厚さが全体めっき層の厚さの３０％以下になるように制御することを特徴とする。
一般的に、Ａｌ合金めっきの場合、めっき浴のうちのＳｉ成分はＡｌ－Ｆｅ金属間化合物層の形成を抑制するため、Ａｌ－Ｆｅ合金相の厚さが全体めっき層の約２０～４０％を占める。
しかし、本発明者らの研究結果によると、上記下部層の厚さが全体めっき層の厚さにおいて占める割合が７０％を超えるとき、熱間成形時のプレスダイ（ｄｉｅ）やロールにめっき層が焼着されることを防止し、マイクロクラックの発生を抑制することができるだけでなく、耐食性を向上させることができるアルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板の製造が可能であることが確認された。但し、上述しためっき浴のうちのＳｉ含有量を減少させてもＡｌ－Ｆｅ合金相が全体めっき層の厚さにおいて占める割合が７０％を超えるように制御することは難しく、これは後述するエアーワイピング及び冷却条件などの制御によって確保可能である。
次に、本発明のＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法について説明する。
本発明のＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法は、重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：１％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物を含むめっき浴に鋼板を浸漬した後、排出する工程；上記めっき浴から排出された鋼板のめっき層の厚さを調節するために２００～３００℃の温度範囲でａｉｒ ｗｉｐｉｎｇする工程；及び上記めっき層の厚さが調節された鋼板のめっき層を５００～６７０℃の温度範囲で合金化することにより、合金めっき層を形成する工程；を含む。
まず、本発明では、めっきを要する素地鋼板を、重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：１％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物を含むめっき浴に鋼板を浸漬した後、連続的に排出する。これにより素地鋼板の表層にめっき層がコーティングされる。
本発明では、上記めっき浴の組成を重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：１％以下、残部Ａｌを含むことが好ましい。仮に、Ｚｎ含有量が１０重量％未満であると、耐食性が低下して表面耐食性及び犠牲防食性が低下するという問題点があり、３０％を超えると、界面の合金成形性が抑制されるおそれがある。また、本発明では、めっき浴のうちのＳｉ含有量を１．０重量％以下に制限することが求められるが、これはＳｉ含有量が増加するに伴い、下部めっき層（下部層）の厚さが薄くなって３０％以下の上部めっき層（上部層）の厚さが得られず、これにより、本発明で所望するめっき層の特性が得られなくなるためである。
続いて、本発明では、上記めっき浴から排出された鋼板のめっき層の厚さを調節するために、２００～３００℃の温度範囲でエアーワイピング（ａｉｒ ｗｉｐｉｎｇ）する。
詳細に説明すると、本発明において上述しためっき浴から排出されためっき鋼板を公知のエアーナイフに通過させることにより、空気圧を用いてめっき層の厚さを適正値に制御する。
このとき、本発明では、持続的なＡｌ－Ｆｅ合金相の形成を確保するために、エアーワイピングの温度を２００℃～３００℃の範囲に維持することが好ましく、この温度範囲でめっき層の凝固を最大限抑制してＡｌ－Ｆｅ合金相の形成を促進することができる。具体的に、上記エアーワイピング温度が２００℃未満であると、Ａｌ－Ｆｅ合金相の形成が抑制される問題点が発生し、３００℃を超えると、温度上昇の効果が飽和され得る。
また、本発明では、上記めっき層の厚さが調節された鋼板のめっき層を５００～６７０℃の温度範囲で合金化することで、最終的に合金めっき層を有するめっき鋼板を製造することができる。
すなわち、本発明では、追加的なＡｌ－Ｆｅ合金相を形成するために、５００～６７０℃の温度範囲で追加的に熱処理を実施してＡｌ－Ｆｅ合金相が全体めっき層の厚さの７０％を超えるように制御する。仮に、上記温度が５００℃未満であると、Ａｌ－Ｆｅ合金相の形成層が全体めっき層の厚さの７０％超を確保することができず、６７０℃を超えると、Ｆｅ－Ａｌ合金相が過度に形成されてめっき密着性が低下する問題点が発生するおそれがある。
より好ましくは、上記温度範囲を６３０～６７０℃の範囲に維持するものである。
一方、図１は、アルミニウム－亜鉛合金めっき鋼板の断面概略図であり、（ａ）は従来材を、（ｂ）は本発明の製造方法で製造されたアルミニウム合金めっき鋼板の断面を示す断面概略図である。図１に示すように、本発明の製造方法で製造されためっき鋼板の場合、従来材に対して下部層であるＡｌ－Ｆｅ合金相がより厚いことが分かる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例）
重量％で、Ｃ：０．２２％、Ｍｎ：１．６％、Ｓｉ：０．３％、Ｂ：３０ｐｐｍ、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含む熱間成形用の冷延鋼板を設けた。その後、このような冷延鋼板を重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：０～９％、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる溶融アルミニウムめっき浴に連続的に浸漬して鋼板表面にめっき層を形成した後、外へ排出させた。このとき、めっき浴温度は５８０℃とした。
続いて、上記外へ排出されためっき鋼板をエアーナイフに通過させてめっき層の厚さを調節した。このとき、めっき下部層であるＦｅ－Ａｌ合金相が厚さを変えて形成されるようにエアーワイピング（Ａｉｒ ｗｉｐｉｎｇ）温度を下記表１のように２００～３５０℃に変更しながら実験を行った。このあと、そのめっき層の厚さが調節されためっき鋼板に高Ａｌ－Ｆｅ合金相の形成を促進するために、下記表１のように合金化温度を５３０～７００℃まで変更させながら合金化処理を行った。
また、上記のようにそれぞれ製造されたアルミニウム－亜鉛合金めっき層の下層部と上層部の成分を分析して、下記表１に示した。また、めっき層のうち、上部層が占める厚さの割合を測定した結果も下記表１に示した。
なお、製造されたそれぞれのアルミニウム－亜鉛合金めっき層に対する耐焼着性、ＬＭＥ、耐食性、めっき密着性を評価した結果も下記表１に示した。また、上記耐焼着性、ＬＭＥ、耐食性、めっき密着性の評価基準などは、以下のとおりである。
［耐焼着性］
熱処理（９００℃、５分）後にプレスで加工した後、プレスにめっき層が吸着されている個数
〇：優秀（１００×１００ｍｍ面積に５個以下）
△：劣位（１００×１００ｍｍ面積に５～３０個）
×：不良（１００×１００ｍｍ面積に３０個以上）
［ＬＭＥ測定］
スポット溶接（加圧力：４．０ｋＮ、電極径６ｍｍ、０．５ｋＡ）後に電子顕微鏡（ＳＥＭ）の断面観察によって測定されたｃｒａｃｋの長さ
〇：優秀（ＬＭＥ ｃｒａｃｋ １５０μｍ以下）
△：劣位（ＬＭＥ ｃｒａｃｋ １５１～５００μｍ）
×：不良（ＬＭＥ ｃｒａｃｋ ５０１μｍ以上）
［耐食性］
熱処理（９００℃、５分）後に塩水噴霧試験（ＳＳＴ）を実施してから１２００時間後に腐食生成物を除去した際、素地鋼板に形成された孔の最大深さ
〇：優秀（孔の深さ ３００μｍ以下）
△：劣位（孔の深さ ３０１～６００μｍ）
×：不良（孔の深さ ６０１μｍ以上）
［めっき密着性］
Ｓｅａｌｅｒを用いて９０°曲げ試験を行った後、ｓｅａｌｅｒによってめっき層が脱落した割合
〇：優秀（めっき剥離なし）
△：劣位（めっき剥離１０％以下）
×：不良（めっき剥離１０％以上）
Figure 0007181993000001
 ＊表１のＡ／Ｗは、エアーワイピングを示す。
上記表１に示したとおり、めっき層成分でのＳｉ含有量が適正であり、エアーワイピング温度及び合金化温度が本発明の範囲以内である発明例１～７の場合、いずれもめっき上部層の厚さが全体めっき層の厚さに対し３０％以下であることが分かる。これにより、それぞれのめっき層に対する耐焼着性、ＬＭＥ、耐食性、及びめっき密着性の特性に優れることが分かる。
これに対して、めっき層成分でのＳｉ含有量が過多であるか、エアーワイピング温度及び合金化の温度範囲が本発明の範囲から外れた比較例１～４の場合には、特に耐焼着性及びめっき密着性が発明例に比べてよくないことが分かる。
したがって、本実験から、溶融めっき浴中のＳｉ含有量、エアーワイピング及び合金化の温度範囲の制御が、上部めっき層の厚さを全体めっき厚さの３０％以下に制御するための重要な技術因子であることが確認できる。
一方、図２は、本発明の実施例で形成された合金めっき層のめっき密着性の発生程度を示した図面であり、（ａ）は比較例１の場合を、（ｂ）は発明例１の場合を示す。
また、図３は、本発明の実施例で形成されためっき層の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ）は比較例１の場合を、（ｂ）は発明例１の場合を示す。図３に示したとおり、発明例１の場合は比較例１に比べて、下部層であるＡｌ－Ｆｅ相がより厚い厚さを有することが確認できる。言い換えると、発明例１は比較例１よりも上部めっき層の厚さが全体めっき層の厚さに対して３０％以下に管理可能であることが確認できる。
上述したとおり、本発明は、限定された実施例及び実験例によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の技術思想及び特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることはもちろんである。

Claims (7)

  1. 素地鋼板上にＡｌ－Ｚｎ溶融アルミニウムめっき層を有するめっき鋼板であって、
    前記めっき層は、下層部と上層部とを含み、前記下層部は、前記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％以下、及びその他の不可避不純物を含み、前記上層部は、前記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ、ならびに不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０～０．０５％、Ｓｉ：０～０．５％、及びその他の不可避不純物からなり、前記上層部の厚さは、全体めっき層の厚さの３０％以下である、熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板。
  2. 前記素地鋼板は、冷延鋼板または熱延鋼板である、請求項１に記載の熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板。
  3. 前記素地鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．３％、Ｓｉ：０．０１～２．５％、Ｍｎ：０．５～８％、Ａｌ：０．０１～０．５％、Ｂ：１００ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含む、請求項１に記載の熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板。
  4. 重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、Ｓｉ：１％以下、残部Ａｌ及び不可避不純物を含むめっき浴に鋼板を浸漬した後、排出する工程；
    前記めっき浴から排出された鋼板のめっき層の厚さを調節するために、２００～３００℃の温度範囲でａｉｒ ｗｉｐｉｎｇする工程；及び
    前記めっき層の厚さが調節された鋼板のめっき層を５００～６７０℃の温度範囲で合金化することで、合金めっき層を形成する工程；を含む、熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法であって、
    前記合金めっき層は、下層部と上層部とを含み、前記下層部は、前記下層部自体の重量％で、Ｆｅ：４０～５０％、Ａｌ：５０～６０％、Ｓｉ：１％以下、及びその他の不可避不純物を含み、前記上層部は、前記上層部自体の重量％で、Ｚｎ：１０～３０％、残部Ａｌ、ならびに不純物としてＣｒ、Ｍｏ、Ｎｉのうちの１種以上：０～０．０５％、Ｓｉ：０～０．５％、及びその他の不可避不純物からなり、前記上層部の厚さは全体めっき層の厚さの３０％以下である、Ａｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板を製造する、製造方法。
  5. 前記めっき層の厚さが調節された鋼板のめっき層を６３０～６７０℃の温度範囲で合金化する、請求項４に記載の熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
  6. 前記鋼板は、重量％で、Ｃ：０．０５～０．３％、Ｓｉ：０．０１～２．５％、Ｍｎ：
    ０．５～８％、Ａｌ：０．０１～０．５％、Ｂ：１００ｐｐｍ以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物を含む、請求項４に記載の熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
  7. 前記鋼板は、冷延鋼板または熱延鋼板である、請求項６に記載の熱間成形性及び耐食性に優れたＡｌ－Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
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