JPH04218661A - 耐食性、密着性、スポット溶接性に優れた蒸着めっき金属材 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は耐食性、密着性およびス
ポット溶接性に優れたＳｉＯｘ−Ｚｎ系の蒸着めっき金
属材料に関するものである。

【０００２】尚、本発明における蒸着めっきの対象とな
る金属材としては、鉄や鉄基合金の他、銅やＡｌ等の非
鉄金属あるいはそれらの合金等が含まれ、その形状につ
いても板状、管状、線状、棒状等の如何を問わないが、
以下の説明では最も代表的な鋼板を主体として説明する
。

【０００３】

【従来の技術】各種車輛や家庭用電製品等の内・外板用
、あるいは各種建材用などとして用いられる鋼板の防錆
手段として、従来よりＺｎめっきが広く採用されている
。また最近、耐食鋼板の用途が多様化すると共に高グレ
ード化が進むにつれて、耐食性だけでなく、密着性やス
ポット溶接性等にも優れたものが要求されている。

【０００４】このような状況に対処するため、最近では
様々なＺｎ系合金めっきが検討されている。

【０００５】例えば、電気めっき法によるＺｎ−Ｆｅ，
Ｚｎ−Ｎｉ，Ｚｎ−Ｃｏ，Ｚｎ−Ｍｎ等のＺｎ系合金め
っき鋼板、また、溶融めっき法によるＺｎ−Ａｌ−ミッ
シュメタル，Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ，Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｉ，Ｚ
ｎ−Ａｌ−Ｓｎ等のＺｎ−Ａｌ系多元合金めっき鋼板な
どが実用化されている。

【０００６】しかしながら、上記の方法でも需要者の要
求を十分に満足する特性は得られず、また生産性におい
ても様々な問題が指摘されている。

【０００７】このうちスポット溶接性は改善を強く求め
られている特性の１つである。即ち一般にＺｎ系合金め
っき鋼板をスポット溶接する場合には、溶接時に電極の
Ｃｕとめっき層中のＺｎが反応して電極先端に硬くて脆
い合金層が生成し、この合金層が次々と行なわれる溶接
によって剥離・生成を繰り返すため、電極寿命は冷延鋼
板をスポット溶接する場合に比べて著しく短縮される。

【０００８】そこでＺｎめっき鋼板のスポット溶接性を
改善するための手段として、種々の方法が提案されてい
る。例えば特開昭５５−１１０７８３号公報には、Ｚｎ
系めっき層の上に、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＴｉＯ２等
の酸化物被膜を形成させる方法、特開昭６３−１８６８
８２号公報には、Ｚｎ系めっき層の表面にＦｅ，Ｚｎ−
Ｆｅ，ＴｉＯ２　，Ａｌ２Ｏ３　，ＳｉＯ２　の様な電
極保護金属を付着させる方法、特開昭６３−１８６８８
３号公報には、Ｚｎ系めっき鋼板の表面を酸化させる方
法等が開示されている。

【０００９】しかしながら上記の様な方法では、スポッ
ト溶接性はある程度改善できるが、耐食性は殆ど改善さ
れず、また密着性に悪影響を及ぼすこともある。更に上
記の方法を実用化するには、既存のめっき設備を大幅に
改造しなければならない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の様に従来のＺｎ
系めっき鋼板では、耐食性、密着性及びスポット溶接性
のすべてにおいて需要者の要求を満たすものが提供され
ていない。こうした中にあって、Ｚｎめっき中に適量の
ＳｉＯｘ（但し、１．３　≦ｘ≦２．１　：以下、特記
しない限りｘはこの範囲とする）を混入させたＳｉＯｘ
−Ｚｎ系蒸着めっきは、耐食性、密着性、スポット溶接
性のすべてにおいて優れた性能を示すとされている。し
かしながら、ＳｉＯｘ−Ｚｎ系の蒸着めっき材では、十
分なスポット溶接性を確保し得るまでＳｉＯｘ濃度を高
めると、耐食性や密着性が低下するという問題がある。

【００１１】即ち図４は、ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき
層におけるＳｉ比［Ｓｉ原子濃度／（Ｓｉ原子濃度＋Ｚ
ｎ原子濃度）］と５％塩水噴霧試験（ＳＳＴ）による赤
錆発生時間の関係を示したグラフであり、防錆効果（赤
錆防止効果）を高めるうえで好ましいＳｉ比（めっき層
全体での平均）は０．０３〜０．２の範囲である。これ
に対し図５は、ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき層中のＳｉ
比とめっき密着性の関係を示したグラフ（めっき密着性
は、ドロービード試験によって剥離しためっき層をテー
ピング除去し、その前後の重量差によって評価）であり
、めっき密着性を高めるにはＳｉ比を０．２　以下に抑
えなければならず、より好ましいＳｉ比は０．１　以下
である。

【００１２】さらに図６は、同じくＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸
着めっき層のＳｉ比とスポット溶接時の電極寿命の関係
を示すグラフである。但し、電極寿命は、電極　　　　
：ドーム型 溶接電流：１０ＫＡ 通電時間：１２サイクル 加圧力：２２０Ｋｇ の溶接条件により連続スポット溶接を行ない、ナゲット
径が

【００１３】

【数１】 を満たす最大打点数により評価した。

【００１４】図６からも明らかである様に、スポット溶
接性を高めるうえで好ましいＳｉ比は０．２　〜　０．
９、より好ましくは　０．３〜０．８　の範囲である。

【００１５】この様にＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき鋼板
における好ましいＳｉ比の範囲は、耐食性、密着性、ス
ポット溶接性のそれぞれで異なっており、これらの要求
特性を同時に満足することのできるＳｉ比は存在しない
。

【００１６】本発明はこの様な事情に着目してなされた
ものであって、その目的は耐食性、密着性及びスポット
溶接性のすべてを同時に満足し得る様なＳｉＯｘ−Ｚｎ
系蒸着めっき金属材を提供しようとするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するこ
とができた本発明に係る蒸着めっき金属材の構成は、金
属材料の表面にＳｉＯｘ−Ｚｎ系（但し、１．３　≦ｘ
≦２．１　）の蒸着めっき層が形成され、該めっき層中
のＳｉＯｘ濃度は、最表層部が最も高くて最深部側が最
も低く、且つ該めっき層における［Ｓｉ原子濃度／（Ｓ
ｉ原子濃度＋Ｚｎ原子濃度）］をＳｉ比と定義するとき
、めっき層全体の平均Ｓｉ比が０．０３〜０．２　、め
っき層最表層部のＳｉ比が０．２　〜０．９　であると
ころに要旨を有するものである。

【００１８】

【作用】前述の如くＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっきにおい
ては、Ｓｉ比を特定した場合、耐食性、密着性、スポッ
ト溶接性の全てを同時に満足させることはできない。そ
こでこうした矛盾を解消すべく研究を重ねた結果、めっ
き層の深さ方向にＳｉＯｘの濃度勾配を設ければよいの
ではないかという着想を得た。本発明はこうした着想を
実現するものであって、めっき層の最表層は、良好なス
ポット溶接性を確保するためにＳｉＯｘ濃度を高めに設
定し、且つめっき層の最深部（即ち金属素材との界面側
）のＳｉＯｘ濃度を最も低くすることによって、めっき
層全体としての耐食性および密着性を同時に高めるもの
である。

【００１９】以下、本発明の構成を詳細に説明する。

【００２０】まず本発明においては、めっき層全体とし
ての平均Ｓｉ比を０．０３〜０．２　とすることにより
良好な耐食性と密着性を確保する。即ちめっき層の平均
Ｓｉ比が小さ過ぎると、ＳｉＯｘ添加による耐食性改善
効果が十分に発揮されず、Ｚｎ単独のめっき層と格別の
差が認められない。一方平均Ｓｉ比が大き過ぎると、め
っき層の硬度が上昇してめっき密着性が劣化し、また０
．３０を超えるとＳｉＯｘ添加による耐食性改善効果が
Ｚｎ濃度の減少に伴う耐食性の低下を補いきれなくなっ
てめっき層の耐食性も低下してくる。平均Ｓｉ比のより
好ましい範囲は０．０５〜０．１５の範囲である。

【００２１】次にスポット溶接性については、めっき層
の最表層部のＳｉ比を０．２　〜０．９　とすることに
より良好な溶接性を確保する。最表層部のＳｉ比が低過
ぎると、めっき層中のＺｎと電極中のＣｕの反応を十分
に抑制することができず、一方多過ぎると絶縁性が高く
なり、めっき鋼板と電極との間の発熱量が過大となって
電極の損耗が著しくなる。安定したスポット溶接性を確
保するうえでより好ましい最表層部のＳｉ比は０．３　
〜０．８　の範囲である。

【００２２】尚本発明を実施する際の蒸着めっき法につ
いては後で詳述するが、いずれにしても蒸着法によって
形成されるＳｉＯｘ−Ｚｎ系めっき層には、ＳｉＯｘと
Ｚｎがミクロな状態で混在しており、成形加工時に軟質
のＺｎが変形して応力を吸収する作用を発揮する。また
、蒸着めっき層中のＳｉＯｘ濃度が最表層部から深さ方
向にいくにつれて徐々に若しくは段階的に低くなる様な
濃度勾配を設けてやれば、たとえばＺｎめっき層の表面
にＳｉＯｘめっき層を設けた場合などに見られる異種め
っき層界面におけるクラックの伝播による層間剥離とい
った問題もより効果的に防止することができるので好ま
しい。しかも蒸着めっき層の最下部、即ち被めっき金属
材との境界側はＺｎ濃度が最も高く軟質で且つ被めっき
金属材と親和性の高い組成となっているので、めっき層
自体の密着性が良く加工時にめっき層が剥離する現象も
抑えられる。

【００２３】さらに最表層部のＳｉＯｘ濃度が高く硬質
化されているので、加工時の摺動抵抗が小さく、またス
ポット溶接時にも焼付き等を起こし難いという利点も得
られる。

【００２４】次に、本発明に係るＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着
めっき金属材料を得るためのめっき方法について説明す
る。

【００２５】ＳｉＯ２　−Ｚｎ系の分散めっきについて
は、現在電気めっき法でも検討が行われている。しかし
ながらこの方法ではＳｉＯ２　の共折効率が低いため、
得られるめっき層中のＳｉＯ２　濃度は低濃度に限定さ
れており、しかも均一な組成と組織のＳｉＯ２−Ｚｎ系
めっきを得るための浴管理が複雑であるため、工業的規
模での実用化は非常に困難である。

【００２６】しかしながら、以下に示す様な蒸着めっき
法を採用すると、任意の濃度のＳｉＯｘ−Ｚｎめっきを
容易に形成することができるばかりでなく、めっき層の
深さ方向に向けてＳｉＯｘの濃度勾配を設けることも容
易である。

【００２７】図１は本発明で採用される蒸着めっき法を
例示する概略縦断面説明図であり、真空蒸着室２内を矢
印Ａ方向へ走行する鋼板１の下方部に、鋼板１の走行方
向に沿って２個のるつぼ３ａ，３ｂを配置し、走行方向
上流側のるつぼ３ａ内にはＺｎを装入すると共に、下流
側のるつぼ３ｂ内にはＳｉＯ２を装入する。そしてＺｎ
およびＳｉＯ２　を、たとえば電子銃４から照射される
電子線５によって夫々加熱蒸発せしめ、図示する様に各
蒸気を鋼板１の走行方向でラップさせながら蒸着を行う
。 図中、７はサポートロール、８は真空排気口を示す。

【００２８】鋼板１にはまずＺｎ蒸気比率の高い混合蒸
気が蒸着され、その上へＺｎ蒸気比率が徐々に少なくな
った混合蒸気が順次蒸着され、走行方向最下流側ではＳ
ｉＯ２　蒸気比率の最も高い混合蒸気が蒸着される。そ
の結果、最表層部ではＳｉＯｘ濃度の高いめっき層が形
成され、下層部に行くについて徐々にＳｉＯｘ濃度の低
いＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき層が形成されることにな
る。

【００２９】この時、ＳｉＯ２　の一部は分解して気化
するため、蒸着する酸化珪素は化学量論組成である「Ｓ
ｉＯ２　」に対して酸素量が若干増減するが、本発明者
らがＳｉＯ２　の加熱蒸発条件や蒸着条件を変化させて
調査したところ、蒸着するＳｉＯｘにおけるｘの値は１
．３　〜２．１　の範囲に収まっており、この組成範囲
においては耐食性、密着性、スポット溶接性に悪影響を
及ぼすことはなかった。また蒸着工程でＳｉＯ２　とＺ
ｎの加熱温度を調整することにより各々の蒸発量を任意
にコントロールすることができ、それにより蒸着するＳ
ｉＯｘ−Ｚｎ系めっき層の組成を任意に調整することが
できる。更にめっき付着量についても、ＳｉＯ２　およ
びＺｎの蒸発量あるいは鋼板の走行速度を調整すること
によって自在にコントロールすることができる。

【００３０】尚、図１の例では２個のるつぼ３ａ，３ｂ
からＳｉＯ２とＺｎを夫々蒸発させる例を示したが、場
合によっては３個以上のるつぼにＳｉＯ２　とＺｎを任
意に分割収納してそれらを蒸発させて組成変化を微妙に
制御することも有効である。また図２に示す如く下流側
のるつぼ３ｂ内にＳｉを装入して加熱蒸着させると共に
、Ｓｉの蒸発領域に向けて酸素もしくは酸素イオンを吹
き込み、鋼板１の下方部でＳｉＯｘを生成させながら蒸
着させることも可能である。

【００３１】ＳｉＯ２　やＺｎの加熱法も図示した様な
電子線加熱に限定される訳ではなく、抵抗加熱、高周波
加熱等を採用することも勿論可能であるが、特にＳｉＯ
２　は融点が高く蒸気圧も低いため電子ビーム、レーザ
ビーム等の高密度エネルギーを利用しとて蒸発させるの
が望ましい。一方、Ｚｎは融点が低く蒸気圧も高いので
、抵抗加熱や高周波加熱等によっても十分に蒸発させる
ことができる。

【００３２】図３は上記の方法によって形成したＳｉＯ
ｘ−Ｚｎ系蒸着めっき鋼板におけるめっき層深さ方向の
組成変化の一例を示したものであり、めっき層最表層部
のＳｉ比は０．５　であり、めっき層全体の平均Ｓｉ比
は０．１８となっている。

【００３３】

【実施例】図１に示した方法に準じて真空蒸着室内に２
つのるつぼ３ａ，３ｂを配置して夫々にＺｎとＳｉＯ２
　を装入し、電子線５によって加熱蒸発させた。その上
方に、電解脱脂により清浄化した後２００℃に予熱した
冷延鋼板（厚さ０．７ｍｍ　）を走行させ、該鋼板上に
ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっきを施した。このとき電子銃
４の出力を調節することによってＳｉＯ２　とＺｎの各
蒸発量をコントロールし、表１に示す如くめっき層最表
面部のＳｉ比およびめっき層全体の平均Ｓｉ比を調整し
た。尚めっき付着量はいずれも約２０ｇ／ｍ２とした。

【００３４】得られた各蒸着めっき鋼板の耐食性、密着
性およびスポット溶接性を前述の方法により評価した。 結果を表１に一括して示す。尚、比較のため電気Ｚｎめ
っき鋼板（ＧＩ）、合金化溶融Ｚｎめっき鋼板（ＧＡ）
についても同様の性能評価を行ない、結果を表１に併記
した。

【００３５】

【表１】 表１から次の様に考えることができる。

【００３６】Ｎｏ．１〜５は本発明の規定要件をすべて
満足する実施例であり、耐食性、めっき密着性、スポッ
ト溶接性のいずれにおいても良好な結果が得られている
。 これらに対しＮｏ．　６〜１３は、本発明で定めるいず
れかの要件を欠く比較例および従来例であり、以下に示
す通りいずれかの性能に問題がある。

【００３７】Ｎｏ．６：めっき層の平均Ｓｉ比および最
表層部のＳｉ比がいずれも低すぎる比較例であり、密着
性は良好であるが耐食性およびスポット溶接性が悪い。

【００３８】Ｎｏ．７：めっき最表層部のＳｉ比が低す
ぎるためスポット溶接性が悪い。

【００３９】Ｎｏ．８〜１０：めっき層の平均Ｓｉ比が
高すぎる比較例であり、めっき密着性が悪い。

【００４０】Ｎｏ．１１：めっき層全体としての平均Ｓ
ｉ比は適正であるが、最表層部のＳｉ比が高すぎる比較
例でありスポット溶接性が悪い。

【００４１】Ｎｏ．１２：従来の電気Ｚｎめっき鋼板で
あり、密着性は良好であるが耐食性およびスポット溶接
性が悪い。

【００４２】Ｎｏ．１３：合金化溶融Ｚｎめっき鋼板で
あり、特に耐食性とめっき密着性が劣悪である。

【００４３】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、耐
食性、めっき密着性、スポット溶接性のすべての要求特
性を満たすＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき金属材を提供し
得ることになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で採用される蒸着めっき法を例示する概
略縦断面説明図である。

【図２】本発明で採用される蒸着めっき法を例示する概
略縦断面説明図である。

【図３】本発明で得た蒸着めっき層の厚さ方向の組成変
化の一例を示すグラフである。

【図４】ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき層のＳｉ比と赤錆
発生時間の関係を示すグラフである。

【図５】ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき層のＳｉ比とドロ
ービード試験によるめっき剥離量の関係を示すグラフで
ある。

【図６】ＳｉＯｘ−Ｚｎ系蒸着めっき層のＳｉ比とスポ
ット溶接における連続打点数の関係を示すグラフである
。

【符号の説明】

１　　鋼板 ２　　真空蒸着室 ３ａ　　るつぼ ３ｂ　　るつぼ ４　　電子銃 ５　　電子線 ７　　サポートロール ８　　真空排気口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属材料の表面にＳｉＯｘ−Ｚｎ系（但し
   、１．３　≦ｘ≦２．１　）の蒸着めっき層が形成され
   、該めっき層中のＳｉＯｘ濃度は最表層部が最も高くて
   最深部側が最も低く、且つ該めっき層における［Ｓｉ原
   子濃度／（Ｓｉ原子濃度＋Ｚｎ原子濃度）］をＳｉ比と
   定義するとき、めっき層全体の平均Ｓｉ比が０．０３〜
   ０．２　、めっき層最表層部のＳｉ比が０．２〜０．９
   　であることを特徴とする耐食性、密着性、スポット溶
   接性に優れた蒸着めっき金属材。