JPH02159366A - Ｚｎ蒸着めっき鋼材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は耐食性および加工性が優れていると共に外観の
良好なＺｎ蒸着めっき鋼材およびその製造方法に関する
ものである。

［従来の技術］ 鋼材を防食加工する手段としてＺｎめっきが汎用されて
おり、Ｚｎめっき層の素地鋼材に対する犠牲防食能はＺ
ｎめっきの目付量（ｇ／ｃｍ２）に比例し、使用環境が
腐食性の強い場合は、めっきの目付量を大きくして素地
鋼材の腐食、即ち赤錆発生や穴あきを長期間抑制してい
る。そのためＺｎめっき鋼材のユーザは防錆能の向上を
主眼とする場合厚目付めっき志向となっている。

［発明が解決しようとする課Ｎ］ Ｚｎの厚目付めっき方法としては、主に■電気めっき法
、■溶融めっき法、■真空蒸着めっき法の３つの方法が
挙げられるが、夫々次の様な一長一短がある。

■電気めっき法ではめっきセル数を増やしたり、めっぎ
ラインスピードを低下させたりすることによってＺｎめ
っきの厚目付が可能となる。この方法によればめっき層
と素地鋼材との界面にＦｅ−Ｚｎ合金層が形成されるこ
とはなく、成形加工性に問題はない（このＺｎ−Ｆｅ合
金層は硬くて脆く、成形加工を施す時のめっき層剥離の
原因となり、めっき層剥離が生ずると耐食性が著しく低
下する）、シかし生産コストの大幅な上昇を招き、電気
めっき法で純Ｚｎめっきの厚目付を行うことは実操業上
大きな問題となる。

■溶融めっき法では比較的安価にＺｎめっきの厚目付が
可能である。しかしこの方法で得られるめっき外観は電
気めっき法で得られるものに比べて劣るので美観が要求
される場合には好ましくない。また素地鋼材とめつき層
の界面にはＦｅ−Ｚｎ合金（例えばＦｅ３Ｚｎ＋ｏ）層
が形成され易く、プレス加工等の成形時にめっき層が剥
離する現象（バクダリング）を生じることがあり好まし
くない。また同じ目付量の溶融めっき鋼材と電気めっき
鋼材とでは溶融めっき鋼材の方が若干耐食性が劣る。

■真空蒸着法で製造されるＺｎめつき鋼材は、めっき表
面性状が電気めっきと同等もしくはそれ以上であり、美
観が要求される場合には好ましいものと言える。尚同じ
目付量の場合、真空蒸着法による製品コストは溶融めっ
き法よりコスト高となるが、電気めっき法よりは低くな
る。またＺｎ蒸気を得るための加熱源の出力を上げれば
Ｚｎの溶湯温度が容易に上昇し、蒸発量もこれに比例し
て増加するので、厚目付めっき層を得る場合であっても
電気めっき法の様にラインスピードを低下させる必要は
ない。この様にＺｎ蒸着めっき法ではめっき性状や外観
および生産性も一応は問題がない様に見える。ところが
蒸着めっきの場合でもある程度以上の厚目付になるとＦ
ｅ−Ｚｎ合金層が生成することがわかった。この原因に
ついて調べてみると、Ｚｎ蒸着厚目付めっき鋼材の製造
工程において、めっき操業中に素地鋼材とめっき層の温
度がかなり高められる様な状況が発生し易く、これによ
ってＦｅ−Ｚｎ合金層が生成してしまうということが分
かった。

ここでめっぎ後のＺｎ蒸着めっき鋼板の温度を支配する
因子について述べると次の４つが主なものとして挙げら
れる。

■　Ｚｎ蒸気の顕熱 ■　Ｚｎ蒸気が蒸着する際の凝固潜熱 ■　蒸着室からの輻射熱 ■　加熱巻き付はロールからの熱伝導 ■、■についてはＺｎの蒸気温度が高ければ高い程、ま
ためっき目付量が多ければ多い程鋼材の受ける熱量も多
くなり温度上昇が著しくなる。中でも目付量の影響は大
きい、■については例えば第２図に示す様に、矢印方向
に走行している素地鋼板１が蒸着室２内、特にＺｎの溶
解槽３上を通過するときに受ける輻射熱によって温度が
上昇する。尚蒸着室２の外壁にはＺｎ蒸気その内壁に付
着しない様にヒーター５で加熱しており、そのため素地
鋼板１の温度上昇が認められる。■については例えば第
３図に示す様に、鋼板巻き付はロール６は、素地鋼板１
が該ロール６と接触している側の面にＺｎ蒸気が接触し
てＺｎめっきが施されるのを防止するためのものである
が、この巻き付はロール６自体にＺｎ蒸気が付着しない
ようにするためにはロール６の内部にも加熱用ヒーター
を設けてロール表面温度をＺｎの蒸発温度レベルまで高
温保持することが必要であり、この熱が鋼板に伝導され
て鋼板の温度上昇を促進する要因となるのである。

以上めっき操業中後に鋼材温度が上昇する４つの因子に
ついて述べた様に、厚目付にすればする程これらの因子
によって鋼材の温度が大幅に上昇しＺｎめっき層と素地
鋼材との界面にＦｅ−Ｚｎ合金層を形成してしまうこと
は不可避となる。尚めっき操業中におけるこの様な鋼材
の温度の上昇を考慮に入れて鋼材の予熱温度を低くする
という試みもあるが、予熱温度を低くすればめっき密着
性が悪くなるばかりでなくめっき外観が悪化したりめっ
き層の色が灰色になって好ましくない。

以上の様に蒸着めっぎ法は耐食性や外観あるいは製造コ
ストの点から考慮して好ましいと思われる方法でありな
がら、ある程度以上の厚目付になるとＦｅ−Ｚｎ合金層
の形成という唯一の欠点が現われ、厚目付タイプのもの
を製造することが困難になっている。

そこで本発明においては、蒸着めっき法を採用する厚目
付の時でもＦｅ−Ｚｎ合金層が形成されることがなく、
加工性に優れていると共に耐食性およびめっき外観も良
好なＺｎ蒸着めつ辣鋼材を得る技術について検討した。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するこεのできた本発明のＺｎ蒸着めフ
き鋼材とは素地鋼材上にまずＡＩ。

Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ｚｎ合
金よりなる群から選択される１種以上のめっき層を０．
１μＩ以上の厚さで施し、さらにＺｎ蒸着めっき層を施
すことによって得られる点に要旨を有するものである。

この様なＺｎ蒸着めっき鋼材は走行鋼材に対して上流側
に下地めっき用蒸着室、下流側にＺｎめっき用蒸着室を
配置し、これらの蒸着室を内部が非酸化性に保たれてい
るダネトで連結しておき、鋼材を下地めっき用蒸着室、
ダクトおよびＺｎめっき用蒸着室と順次通すことによっ
て製造することができる。

［作用］ 鋼材の温度上昇による素地鋼材とＺｎめっき層との界面
に形成される硬くて脆弱なＦｅ−Ｚｎ合金層の生成を抑
制をするためには、鋼材とめフき層との界面でＦｅ−Ｚ
ｎが拡散しない、又は拡散しにくいような薄いバリアー
層を設けることによって解決できるのではないかと考え
られる。そこでその考えに基づいて研究を進めた。ただ
しこのようなバリアー層を形成する上においては次のこ
とを前提条件とした。

■得られためっき層は加工性が良好なこと、即ちバリア
ー層と素地鋼材、又はバリアー層とＺｎ蒸着めっぎ層と
の密着性が良好なこと ■バリアー層がＺｎめっき鋼材の耐食性、即ち防錆能力
に悪影響をおよぼさないことはもちろん助錯能力向上に
資するものであれば、なお好ましい。

上記２点に留意して素地鋼材とＺｎ蒸着めっき層の間に
設けるバリアー層について検討を進めた。

まず本発明者等は第１図に概略を示す真空蒸着めっき装
置（後に説明する）により下地めっき（バリアー層）の
種類をいろいろと変え蒸着めっきを施した後、Ｚｎ蒸着
めっきを行ない高温保持後のめっき鋼材の断面観察によ
ってＦｅ−Ｚｎ合金層の形成如何を調べた。

その結果ＦｅとＺｎの拡散を防いでＦａ−Ｚｎ合金層の
生成を抑制する下地めっきとしては、Ａ１．Ｍｇ、Ａｌ
−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ｚｎ合金。

Ａｌ−Ｍｇ合金、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｔ、Ｚｎ−３ｔ合金、
Ｐ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｚｎ合金等が優れた効果を有するもの
であることが分かった。そこで上記下地めっき層に絞り
更に詳細に検討を進めた。

まずＳｉめっきについては、高エネルギーを有する電子
銃を加熱源として使用しても、Ｓｔの蒸発量は極めて小
さく、ある程度のめっき膜厚を得るためには製造ライン
スピードを低くするか、電子銃のパワーをアップするか
しなければならず製造コスト面での問題がある。またＳ
ｔ溶融浴はスプラッシュ現象が生じやすく、これが鋼材
表面に付着し製品の外観を悪くすることが判明した。こ
の様な問題はＺｎ−５ｔめっき、Ｔｉめっき、Ｔｉ−Ｚ
ｎ合金めっきでも認められた。

またＰについては比較的低い加熱温度で大きな蒸発量が
得られるが、得られためつき密着性に問題がある。また
蒸着室に付着するＰによる発火等の危険性の問題もあり
好ましくない。

Ｎｉ、Ｃｒについては電子銃による加熱で蒸発させるこ
とができるが、Ｃｒは昇華性金属であるので蒸発量を制
御することがむずかしい。また上層に施されたＺｎめっ
き層のピンホールやＺｎめっき層の加工による割れ等か
らＮｉ層、Ｃｒ層がミクロ的に露出していると腐食環境
下でＺｎめっき層とＮｉ層又はＺｎめっき層とＣｒ層と
の間で電気化学的な電位の差から、激しいガルバニック
コロ−ジョンを起こし、上層のＺｎめフき層の溶解溶出
が加速されるという非常に好ましくない結果を得た。

更にＮｉ層、Ｃｒ層にはその膜厚を厚く形成しない限り
、素地鋼材を完全に覆うことは不可能で且つＮｉ、Ｃｒ
はＦｅに比べて電気化学的にかなり責な電位を示すため
に、いったん、Ｎｉ層、Ｃｒ層が露出すると素地鋼材は
ガルパニックアクシジンにより加速度的に腐食を受け、
素地鋼材の防錆能力を高めるという意味では全く逆の効
果になる。

Ａｌ、Ａｌ−Ｚｎ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金。

Ｍｇ、Ｍｇ−Ｚｎ合金の各蒸着めっきについては、Ｚｎ
−Ｆｅ合金層の生成を抑制すると共にこれらのめっき層
と素地鋼材、あるいは上層の２０層との密着性は良好で
あるので加工性が優れていることを見出した。これは、
これらのめつき層の上に引き続き蒸着めっぎを施した時
にお互いに拡散を生じ、これらのめっき層が薄い場合は
、Ａｌ−Ｚｎ層、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ層、Ｍｇ−Ｚｎ層へ
と変化し、これらのめっき層と上層のＺｎ層との境界が
強固に結合され、めっき層間剥離を生じないからである
。中でもＡｌ、Ａｌ−Ｚｎ合金及びＡｌ−Ｍｇ合金めっ
きを下地めっきとして用いたものはＺｎ蒸着めっき鋼材
の耐食性を損うどころか逆に素地鋼材の腐食をより一層
抑制することを見い出した。上述の効果は、Ａｌ、Ａｌ
−Ｚｎ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金めっき層の上へ蒸着Ｚｎめ
っきを施したときに、Ｚｎ層との間で完全に拡散してＡ
ｌ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ層になってしまっている場
合はもとより、拡散しきれずに素地鋼板側めっ台の一部
がそのまま残っている場合であっても何ら問題なく発揮
されるものであることがわかった０次にＭｇめっきに関
しては素地鋼材とＺｎめっき層の拡散を抑制する効果は
大変源れているが、上層のＺｎ蒸着めっき層が施される
際に、Ｚｎめっき層と合金化してＺｎ−Ｍｇ合金層とな
り、純Ｍｇ層が残らない程度のものになればこのＺｎ−
Ｍｇ合金層の効果によって防錆能力はより向上すること
も分かった。最後にＭｇ−Ｚｎ合金めっき層については
、蒸着めっきを施した後このＺｎ層と拡散し、結果とし
てめっき層中にＭｇ単独相を残さない様なものであれば
、めっき膜厚が厚いほどＦｅ−Ｚｎ合金層の生成を抑制
する効果並びに、防錆能力は大きくなる。即ち、Ｍ　ｇ
　−Ｚ　ｎ合金めつき層が単独めっき層として形成され
た場合において、そのめつき層中にたとえＭｇＪＩＬ独
相が存在していたとしても、その上に純Ｚｎめつきを施
した後に、両めっき層間での拡散によってＭｇ単独相が
Ｍｇ−Ｚｎ合金相に変化し、最終的にＭｇ車独相が残ら
ない様に形成された場合には、防錆能力を低下させるこ
とがなく、かえって向上するものである。ただしＭｇ含
有量が少ないものほどＦｅ−Ｚｎ合金層の形成抑制効果
は小さくなることは避けられない。

以上の結果から、Ｚｎ蒸着めっぎ鋼材においてＦｅ−Ｚ
ｎ合金層の生成を抑制し、且つＺｎ蒸着めっき鋼材の耐
食性を損なわない下地めっきとしてＡｌ、Ｍｇ、Ａｌ−
Ｍｇ合金Ａｌ−Ｚｎ合金及びＭｇ−Ｚｎ合金めっきが適
したものであることが分かった。またこれらの層を１層
以上積層しても同様な効果が得られた。

なおこれらのめっき層のＦｅ−Ｚｎ合金層生成抑制効果
はめっき膜厚が厚いほど大きいことは明らかであるが、
これらのめっき層を厚くすることはＦｅ−Ｚｎ合金層を
抑制するという本発明者らの本来の目的に沿わないもの
であり、また製造コストのアップ、鋼材ラインスピード
の低下等から好ましくない。そこで本来の目的である下
地めっき（バリアー層）としてのＦｅ−Ｚｎ合金層生成
抑制能を確かめるために、めっき膜厚をどれだけにすれ
ばよいかについて検討したところ、Ｆｅ−Ｚｎ合金層生
成抑制能を十分に発揮させるためにはめりき種類には関
係なく、めっき膜厚を０．１μｍ以上、より好ましくは
０．５μｍ以上とすれば良いことが分かった。

そしてこれらの下地めっき層を施した後にＺｎ蒸着めっ
きを施せば本発明に係るＺｎ蒸着めっき鋼材が得られる
。

本発明においては第１めっぎ層の形成方法については何
等限定されないが、次に上記Ｚｎ蒸着めりき鋼材の好ま
しい製造方法について第１図を参照して述べる。また本
発明における鋼材とは棒、板、菅笠形状も何等限定され
ないが、以下板材を代表例として述べる。

矢印方向に走行する鋼板１に対して上流側に下地めっき
用蒸着室２ａ、下流側にＺｎめっき用蒸着室２ｂを配置
し、これらの蒸着室２ａ、２ｂ間をダクト４で連結する
。該ダクト４内は真空状態にしておくか、あるいは不活
性ガスを充填して非酸化性に保っておく、蒸着室２ａ、
２ｂ内には溶解槽３ａ、３ｂが設けられており、溶解［
３ａ内には下地めっき用金属が、溶解槽３ｂにはＺｎが
投入されており、蒸着室２ａ、２ｂを真空状態に保つと
共に溶解槽３ａ、３ｂをヒーター５で加熱してそれぞれ
の金属の蒸気を得る。一方鋼板１を前記状態に保たれた
蒸着室２ａ、ダクト４および蒸着室２ｂ中を順次通すこ
とによって本発明に係るＺｎ蒸着めっき鋼板を得る。尚
ダクト４内を非酸化性に保っておくのは下地めっき層の
表面酸化を防止するためであり酸化によって下地めっぎ
層とＺｎめ、つき層の密着性が損なわれない様にするた
めである。また第１図において蒸着室２ｂには巻き付は
ロール６が設けられており、これは前述の如＜Ｚｎ蒸気
のまわり込みを防いで鋼板裏面へのＺｎ蒸着を防ぐもの
であるが、本発明においてこの巻き付はロール６の有無
は問わない（裏面へ多少蒸着してもかまわない場合には
巻き付はロール６はなくともよい）、また溶解槽３ｂ上
にはダクト８が設けられているが同様にこのダクト８の
有無も問わない、９は整流板でＺｎ蒸気の流れを整えて
鋼板上に均質に蒸着させるものである。

また本発明において真空蒸着めっき法は前記の様な一般
的な物理蒸着の他にイオンブレーティング法を通用して
も良い。特に下地めっき層をイオンブレーティング法に
よって施すと素地鋼板との密着性が向上するばかりでな
く、ピンホールの少ない下地めっき層となり、Ｆｅ−Ｚ
ｎ合金層の生成をより一層抑制する。

下地めっき金属を溶解する場合第１図に示す様にニクロ
ム線ヒーターやカンタル線ヒーター等の電気抵抗加熱方
法によるヒーター５の他に電子銃７や高周波を照射して
加熱してもよい。しかし融点が低く蒸発しやすい金属に
対しては電気抵抗加熱方式で十分な蒸発量を得ることが
できる。

［実施例］ 第１図を参照して本発明に係る実施例について述べる。

前処理室および予熱室（図示せず）で予め表面を還元法
で活性化し、２００〜２５０℃に加熱した鋼板１を下地
めっき用蒸着室２ａに導き、鋼板表面上にイオンブレー
ティング法により下地めっき層を施し、その後ひぎ続き
真空状態に保ったダクト４を通ってＺｎめっき用蒸着室
２ｂに鋼板を導いて抵抗加熱方式によりＺｎ蒸着めっき
層を施して、第１表に示す様なめっき鋼板を得た。

得られた鋼板は全て断面観察を行ないめっき層と素地鋼
板との界面にＦｅ−Ｚｎ合金層が生成しているか否かを
調査した。

また両面めっきを施す場合は鋼板に多量の熱を与えるの
でＺｎめっき鋼板の温度上昇を考え、Ｆｅ−Ｚｎ合金層
の生成抑制能を見るため前記の様にして得たＺｎ蒸着め
っぎ終了後の鋼板を更に高温保持したものについても同
様に調査した。結果を第１表に示す。また比較例として
下地めっき層を施さなかったものについても、調査し第
１表に併記した。

尚加工性はドロービード試験及びカップ絞り試験を行な
い、めっき層のめつき剥離量を求めて評価した。

第１表から明らかな様に下地めっき層が０．１μｍと非
常に薄いときでも本発明のめっき鋼板にはＦｅ−Ｚｎ合
金層が生成せず加工性の優れていることが分かる。特に
下地めっぎ膜厚の薄いＮｏ。

３．４及び８については、上層に施されたＺｎ層との間
の拡散によってもとの下地層としての存在はなくなり、
各々Ｚｎ−Ａｌ層、Ｚｎ−Ｍｇ層。

Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ層になったが、加工性において優れた
効果を示すことは何ら変わりなかった。

Ｎｏ、５についても、下層は完全にＺｎ−Ｍｇ合金層に
変わっており純Ｍｇ層の存在は認められなかった。

Ｎｏ、９において加工性に若干のかげりが見られるのは
下地めっき性がやや厚くなったことによるものであり、
Ｎｏ、１０において加工性が回復しているのは純Ｍｇ層
の存在によるものと考えられる。但しＭｇ相の存在のた
めに高腐食性環境下での耐食性には多少の悪影響が生じ
る懸念がある。

また前記の様にして得た本発明のＺｎめっき鋼板をクロ
スカットあるいはエリクセン張り出し加工した後、塩水
噴霧試験（ＳＳＴ）により耐食性を調べたが、下地めっ
きなしの同じ目付量のＺｎめっき鋼板の耐食性と同等あ
るいはそれ以上の耐食性を有していた。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されているので本発明によれば
Ｚｎめっき層を厚目付にしてもＦｅ−Ｚｎ合金層が生成
することなく、加工性が良好で、耐食性および外観の優
れたＺｎ蒸着めっき鋼材が得られる。

尚本発明はＺｎめっき層が薄い場合にも当然のことなが
ら同様の効果を示す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＺｎめフき鋼板を製造するための
装置の概略図、第２図および第３図はＺｎめっき鋼板の
温度上昇の原因を説明するための図である。 １・・・鋼材（ｗＩ板）　　　２，２ａ、２ｂ・・・蒸
着室３．３ａ、３ｂ・・・溶解（曹　　４・・・ダクト
５・・・ヒーター　　　　６・・・巻き付はロール７・
・・電子銃 ８・・・ダクト ９・・・整流板 第２図 ○　○　○　○　○　○　○　○

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）素地鋼材上にまずＡｌ、Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ合金、
   Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ｚｎ合金よりなる群から選択さ
   れる１種以上の蒸着めっき層を０．１μｍ以上の厚さで
   施し、さらにＺｎ蒸着めっきを施すことによって得られ
   たものであることを特徴とするＺｎ蒸着めっき鋼材。
2. （２）素地鋼材上に、 ［１］Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、
   Ｍｇ−Ｚｎ合金よりなる群から選択される１種以上の蒸
   着めっき層 ［２］上記［１］の蒸着めっき層と下記［３］のＺｎ蒸
   着めっき層との相互拡散層 ［３］Ｚｎ蒸着めっき層 が順次形成されたものであることを特徴とするＺｎ蒸着
   めっき鋼材。
3. （３）素地鋼材上に、 ［１］Ａｌ、Ｍｇ、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｚｎ合金、
   Ｍｇ−Ｚｎ合金よりなる群から選択される１種以上の蒸
   着めっき層と下記［２］のＺｎ蒸着めっき層との拡散層 ［２］Ｚｎ蒸着めっき層 が順次形成されたものであることを特徴とするＺｎ蒸着
   めっき鋼材。
4. （４）走行鋼材に対して上流側に下地めっき用蒸着室、
   下流側にＺｎめっき用蒸着室を配置し、これらの蒸着室
   を内部が非酸化性に保たれているダクトで連結しておき
   、鋼材を下地めっき用蒸着室、ダクトおよびＺｎめっき
   用蒸着室と順次通すことによって請求項（１）〜（３）
   のいずれかのＺｎ蒸着めっき鋼材を製造する方法。