JPH0524228B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は金属に溶融被覆金属（molten
coatant metal）を塗布することにより金属を被
覆することに関する。この技術は簡便には「フロ
ーコーテイング（flow coating）」と呼ばれる。

従来の技術 スチール製品の耐食性を改善するために、メタ
リツク塗装（metallic coatings）が広く用いら
れている。この塗装法は製造上の観点から、厚さ
によつて、(a)数ミクロンまでの場合と、(b)10ミク
ロン以上の場合の２群に大別される。典型的には
蒸着塗装および電着塗装を包含する(a)において最
も良く知られた製品は、電着塗装およびフローメ
ルテイング（flow melting）によつて製造され
るスズプレートであり、そのスズ被覆物は通常厚
さ１または２ミクロンである。つや消し面を有す
る非常に薄いスズ電着塗膜で被覆されたスチール
ストリツプを、室温空気中でスズの融点以上に加
熱すると、被覆物が溶融し、流動して光沢のある
仕上りを有する平滑な被覆物を生ずる。この方法
は、スズが緩慢に溶融されるので、フローメルテ
イングと呼ばれる。しかしながら、アルミニウム
はスズのようにはフローメルテイング挙動を示さ
ない。なぜなら、粘着性の（tenacious）酸化物
膜がアルミニウム粒子上に形成され、アルミニウ
ム粒子の合着または流動が妨げられれからであ
る。同様の挙動が亜鉛または亜鉛−アルミニウム
合金被覆物の場合にもみられる。

群(b)の場合は、10ミクロン以上のより厚い被覆
であるが、通常、ホツトデイツピング法（hot
dipping）、メタルスプレーイング（metal
spraying）またはロールボンデイング（roll
bonding）によつて製造される。これらの方法に
よつて得られる製品の耐食性は、薄い被覆物の場
合よりもはるかに優れている。最も良く知られた
ものとしては、ホツトデイツピング法によつて亜
鉛メツキされた、通常厚さ20〜40ミクロンのスチ
ールストリツプが例示される。ホツトデイツピン
グ法によつて亜鉛メツキ、アルミニウムメツキま
たはアルミニウム−亜鉛メツキされたスチールス
トリツプは大規模に製造される（典型的には、速
度150ｍ／minまでの連続運転プラントで製造さ
れる）。この場合、スチールストリツプを高温還
元雰囲気中を通過させることによつて表面上の酸
化物を除去した後、該スチールストリツプを保護
雰囲気中に保持しながら溶融金属沿へ直接導く。
被覆金属は酸化物を含まない加熱スチール表面と
接触して該面を被覆する。冷却後、被覆物（通常
は両面塗装）はスチールと冶金学的に結合する。

ホツトデイツピング法によるこれらの製品の主
な難点は、スチールストリツプが必然的に溶融金
属浴の温度よりも低温に保持されるホツトデイツ
ピング処理中の相当な拡散に起因する損傷であ
る。亜鉛またはアルミニウム層への鉄の拡散は、
境界面に脆性金属間化合物を生じさせ、これは延
性の大きな損失の原因となる。アルミニウムに珪
素を添加して鉄・アルミニウム金属間化合物の生
成を抑制することが知られているが、珪素は耐食
性を低下させるだけでなく延性も低下させる。こ
の方法によつて銅を用いてスチールを被覆する
と、銅はスチールの結晶粒界に沿つて拡散し、結
晶粒界の弱さの原因となる。

メタルスプレーイングによる被覆法は、大きな
静的構築物にしばしば用いられる。広範な被覆金
属および合金が使用できるが、最も頻繁に使用さ
れるのは、亜鉛およびアルミニウムである。これ
らの場合、通常鋼製構築物をグリツトブラステイ
ングして表面を磨き、大きなスケールを除去し、
表面を粗くし、その後、空気中で燃料ガス、アー
クプラズマまたはアークスプレー装置を用いて、
表面をスプレー塗装する。これらのスプレー被覆
物が比較的多孔性であり、酸化物を含有すること
に注目することは重要である。これらの被覆物は
スチール基材に冶金学的には結合していない。な
ぜなら、グリツトブラステイング後にスチールス
トリツプ上に存在する薄い酸化物被覆によつて結
合が妨害されるからである。その結果、グリツト
ブラステイングした粗い表面に主に機械的な結合
により、被覆物はスチールストリツプ上に保持さ
れている。結合力の弱さおよびスプレー沈着物の
固有の脆性のために、被覆物の延性は非常に小さ
い。基材製品との合金はほとんどまたはまつたく
生じていない。

英国特許公報第2115014号には加温スチール基
材上にアルミニウムを溶射することが提案されて
いるが、この場合、基材の温度は200〜500℃にす
ぎない。

発明の解決しようとする問題点 これらの方法とは対照的に、本発明方法によれ
ば、冶金学的に結合した製品の製造が可能とな
り、該製品は従来の製品と比較してより大きい延
性、より薄い金属間化合物層および改善された外
観を有する。被覆物は、所望により、片面塗装ま
たは両面塗装に仕上げることも可能である。

問題点を解決するための手段 即ち本発明には、酸化物不含表面を有し、温度
を被覆金属の融点領域内（例えば絶対温度目盛り
で５％以内）に維持した被スプレー処理基材製品
に、被覆金属を溶融霧化（molten atomised）
（好ましくはガス霧化）粒子のスプレー形態で噴
霧し、該基材製品に衝突するスプレーによつて形
成される液状スプラツト（splats）を共融合させ
て平滑流動被覆層を形成させ、該被覆層を冷却さ
せて十分緊密な冶金学的に結合した製品を得る金
属被覆製品の製造方法が含まれる。該冷却は、い
ずれの所定点においても、最初の液状スプラツト
の衝突後１秒以内に被覆物を凍結させるのに十分
急速におこなうのが好ましい。

この方法によると、ある種の新規の製品を得る
ことができる。例えば、全被覆厚の1/4以下の金
属間化合物層を介して鉄含有金属ストリツプに結
合したアルミニウムで被覆した鉄含有金属ストリ
ツプが挙げられ、該アルミニウムは珪素をほとん
どまたはまつたく含まないキヤスト構造を有す
る。従来は、アルミニウムの構造を修正するため
に、あるいは、金属間化合物の生成を抑制するた
めに、珪素を添加してキヤスト構造に類似させな
ければならなかつた。

金属被覆物は純粋金属からなつてもよいし、あ
るいは合金であつてもよい。後者の場合、融点は
合金の液相線であり、基材製品の最低温度は溶融
合金スプラツトが隣接物に流動するような温度で
ある。溶融霧化粒子スプレーは、いずれの適当な
方法で製造してもよいが、特に効果的な方法はガ
ス霧化法、好ましくは不活性ガス霧化方法であ
り、好ましくは実質的に室温で行なう。この場
合、溶融霧化粒子は、周囲の霧化気体よりもかな
り高温である。この方法においては、冷却気体が
重要な役割を果たす。なぜなら、冷却気体は被覆
過程中および被覆過程後に加熱製品にあたつて、
霧化ガスによつて生ずる保護雰囲気中での被覆に
続いて製品の表面温度を急速に降下させるからで
ある。これによつて境界面における金属間化合物
および合金の形成、基材製品への被覆粒子の結晶
粒界拡散およびこれに関連した影響が低減され、
より延性のある改善された製品が得られる。

本発明方法は、被覆金属が基材よりも低い融点
を有するいづれの金属の組合せにも適用できる
が、商業的観点から連続的に製造されるスチール
ストリツプ上への亜鉛、アルミニウムまたは亜
鉛・アルミニウムの被覆の場合が特に重要であ
る。これらの製品は本発明方法を説明するための
例示にすぎず、該方法が他の被覆製品、例えば連
続法、半連続法、あるいは、個別法またはバチツ
法による銅被覆スチールの製造に適していること
は自明である。

従来のホツトデイツピング法と本発明方法の間
の差違を考察することは有用である。典型的に
は、本発明の方法においては、清浄な平滑なほど
かれた（as−rolled）軟鋼ストリツプをN₂および
H₂からなる雰囲気中、高温例えば、700℃および
800℃の間に加熱された炉中を通過させる。純粋
なアルミニウム（融点660℃）を被覆金属として
使用する場合、例えば、680℃および650℃の間に
温度にN₂ジエツトが該ストリツプを冷却する冷
却室中へ該ストリツプを通過させる前に、平滑な
該ストリツプ表面上の酸化物は鉄に還元される。
次いで、該ストリツプを不活性雰囲気下において
スプレーチヤンバー内に導入し、該チヤンバー内
において、溶融霧化アルミニウム滴をストリツプ
の片面に注いで均一な被覆物を製造する。溶融金
属の小滴はスチール表面上で潰れ、酸化物が存在
しないのでスチール表面を濡らす。このような金
属スプラツトは速かには凍結せず、数十ミクロン
秒間液状のままであるが、これは、スチールの温
度がほぼアルミニウムの融点温度に等しいからで
ある。このため、金属スプラツトは共融合して比
較的平滑均一で緊密な被覆物を形成することが可
能になる。アルミニウム滴スプラツトの拡散作用
は、典型的には１ミリ秒以内でおこなわれ、スプ
ラツトの第一層は数十ミリ秒内にスチールストリ
ツプ上に形成される。被覆物の全厚さはおよそ
0.1秒で形成される。金属粒子を包囲すら霧化ガ
スの温度はかなり低いので、スチールストリツプ
の表面は速やかに冷却され、ストリツプ上に形成
される溶融フイルムを凍結させる。その結果、ス
チール表面を濡らす平滑流動被覆物はきわめて速
やかに形成され、これはフローイングプロセスを
補助する表面上の高速度ガスによつて促進され
る。同時に、比較的低温の霧化ガスは被覆された
スチールストリツプを冷却するので、凝固は0.2
から0.5秒の間に完了する。このため、境界面に
おいて金属間化合物または合金が形成される時間
はほとんどない。その結果、金属間化合物または
合金層の厚さは、スチールストリツプを溶融アル
ミニウムと２〜３秒間接触させる従来のホツトデ
イツピング法によつて製造される層の厚さよりも
小さくなる。アルミニウム被覆スチールの場合、
温度を550℃以下または500℃まで急速に冷却し続
けて合金層がさらに成長するのを避けることが賢
明であるが（同様の処理が従来のホツトデイツピ
ング法による製品の場合にもなされる）、凍結に
よつてアルミニウムの拡散速度は急激に低下す
る。温度は異なるが、亜鉛および亜鉛−アルミニ
ウム合金被覆物についても同様である。一般に、
急速冷却は絶対温度目盛りで被覆物融点の少なく
とも90〜85％までおこなうことが望ましい。

本発明方法において、被覆物はストリツプ表面
上で溶融するのではなく、該表面に達する前に既
に溶融しており、溶融スプラツトが単に共流動し
て平滑な被覆物を形成する。この点を明確にする
ために、本発明方法をフローメルテイング
（flow melting）ではなくフローコーデイング
（flow coating）と呼ぶ。すでにスズプレートに
関して説明したように、別の差異は最初のスプレ
ー塗装およびその後の空気中での加熱によつて被
覆物を溶融させる処理によつてはフローコーテイ
ングを模倣することができないことである。

フローコーテイングの他の利点は、浸漬塗装に
よるよりも薄い被覆物が得られること、および、
浸漬塗装よりも消費エネルギーが少ないこと（例
えば40トンの大きな溶融金属浴を維持する必要性
が避けられる）である。従来の方法でスチールス
トリツプが静止しているときに生じるような溶融
金属浴中でのスチールストリツプの溶解の危険性
を伴うことなしに瞬時の注意で操作を開始および
停止することができる。

いづれの霧化法を使用してもよいが、簡便な方
法はガス霧化法である。この方法は冷却に不活性
ガス流を使用するもので、これによつて液状スプ
ラツトの敷桁化と流動化も促進される。霧化ガス
の酸素含有量は低く維持すべきで、好ましくは
100p.p.m.以下にすべきである。均一被覆層をよ
り容易に得ることができるので、微細なスプレー
が特に有用である。

いくつかの霧化ガス法を本発明方法に使用する
ことができ、例えば被覆金属が通常ワイヤー形態
であるアークスプレー法が含まれる。この方法は
比較的小さな被覆面積の場合有用である。大部分
の他の場合、経済的な理由から溶融物のガム霧化
が好ましい。粉末を送給するアークプラズマの使
用によつてフローコーテイングをおこなうことが
できるが、界面における厚い金属間化合物または
合金の層の形成を避けるための急速な冷却を十分
におこなうことはできない。燃料ガス霧化法も同
じ問題を有するが、酸素をスプレーチヤンバーに
必然的に導入することに付随して、付着性と流動
性の両方が悪影響を受けるので、より好ましくな
い。

片面および両面被覆物の両方を本発明方法で製
造することができる。所望により片面を他面より
も厚くおよび／または異なる被覆物にしてもよ
い。これは沈着速度およびストリツプ移動速度に
よつて左右される。広い面積をスプレーによつて
被覆し、均一な沈着層を得るときはスプレーもし
くは製品の走査が通常必要とされる。ストリツプ
の場合には、明らかに走査ノズルが好ましく、本
発明方法に適した走査ノズルは英国特許第
1455862号明細書に記載されたものである。

本発明方法の制御は主にストリツプがスプレー
処理に付される温度に関連する。温度が高すぎる
と、流動は生じるが、凍結に長時間を要するの
で、その間に合金が生じ、界面に厚い合金層を有
する不十分な製品が得られる。アルミニウムの場
合、このような温度は約700℃以上（融点＋５％）
である。温度が低すぎると、被覆物の付着はおこ
なわれるが、十分な流動がおこなわれる前に凍結
し、表面が粗くなり、曲げると亀裂を生じる。ア
ルミニウムの場合、このような温度は620℃以下
（融点−５％）である。最適な結果を得るための
正確な温度範囲は、温度、圧力および霧化ガス量
に左右される。高いガス温度は合金を生成しやす
く、低いガス温度、高いガス圧力および多量の霧
化ガスは合金を生成しにくくする。

実施例 以下、本発明方法を実施する装置の一態様を模
式的に示す添付図に基づいて本発明の実施例を説
明する。

第１図は、20ミクロンのアルミニウムを用いて
幅１ｍのスチールストリツプを50ｍ／minの速度
で移動させながら被覆するプラントの模式図であ
る。ＡおよびＢの間の部分は、本発明において最
も重要である。

添付図中、厚さ0.80mm幅１ｍの軟鋼ストリツプ
１においてほどかれ、ダクト３中のバツフル２を
経て、絶縁ローラー７０上を速度50ｍ／minで通
過し、還元炉４へ送給される。該ストリツプは、
ポート６から炉４に供給される還元雰囲気（50％
H₂＋50％N₂）中で電気抵抗エレメント５によつ
て750℃±100℃に加熱される。ストリツプは絶縁
ローラー７上を通過してダクト８を通つてスプレ
ーチヤンバー９に入る。絶縁ローラー７およびス
プレーチヤンバー９の間においては、冷却窒素ジ
エツト１０がストリツプに衝突し、ストリツプの
温度を680℃±10℃に低下させる。ストリツプが
一連のバツフル１２を通過した後、スプレーチヤ
ンバー９に入る直前に、光学高温計１１を用いて
該ストリツプの温度を測定する。ストリツプの移
動方向に垂直な平面内において常に走査をおこな
うためにスプレーに偏向して配設された英国特許
第1455862号明細書に記載のような霧化および走
査用ノズル１４からストリツプの上部表面上には
霧化溶融アルミニウム小滴１３のスプレーが注が
れる。ノズル１４には加熱された保有容器１５
（700℃）から垂直方向に溶融アルミニウム流が供
給される。該保有容器１５はコンテナ中の溶融金
属ヘツドを一定の適当な高さに維持するために近
くの溶融炉（図示されていない）から補給され
る。ストリツプのスプレー走査はアルミニウム約
６Kg／minおよび霧化窒素ガス約２Kg／minを用
いて50サイクル／秒でおこなわれる。ノズル１４
に導かれる該ガスの温度は室温で、圧力は
15kNm^-2である。使用ガスの流出は、主として
ストリツプの上部のポート１７内のフイルター１
６を通しておこなわれる。過剰のスプレー粉末お
よびガスはストリツプの下部のポート１８を通し
て排出される。バツフル１２は霧化ガスがダクト
８の流入するのを効果的に防止する。実際、炉チ
ヤンバー４内の圧力をスプレーチヤンバー９内の
圧力よりも幾分高く維持することによつて過剰ガ
スはバツフル１２を経てスプレーチヤンバー９内
へ流入する。スプレー沈着物はストリツプの表面
上を流動して非常に薄い溶融層を形成し、該溶融
層はひき続きその上を通過する霧化ガスによつて
冷却され（約100〜300℃）、ほぼ１９によつて示
される点で凝固する。任意の冷却ガスジエツト
（図示されていない）をこの点においてまたはこ
の点の近くでストリツプの下部に注いでもよい。
ストリツプは連続的に急激に550℃以下まで冷却
され、鉄中へのアルミニウムの拡散は実質上阻止
される。ストリツプはさらにバツフル２０を通過
し、冷却ジエツト２１を浴びた後、プラントから
のストリツプを巻き取るコイラー２２へ導かれ
る。

種々のプロセスパラメーター、特に温度に関す
るプロセスパラメーターは相互に関係づけられ
る。本発明方法の制御は、主として冷却ノズル１
０におけるガス圧力を変化させることによつてお
こない、正確な温度は放射高温計１１による測定
によつて維持される。１０における典型的なガス
消費量は、室温またはそれ以下の温度においては
霧化ガス１４の流量の半分である。監視ポート２
３を通してストリツプの上部表面を観察すること
によつて、さらに点検を行なうことができる。上
部表面には光沢があるべきである。即ち、固化に
よつてつや消し面となる点１９まではスプレーの
もとで溶融状態でなければならない。その地点が
出口に向つてさらに移動するとストリツプが熱く
なり過ぎ（逆の場合も同様である）、冷却ジエツ
ト１０を調整しなければならない。あるいは、還
元炉４の温度またはストリツプの移動速度または
霧化ガス圧力を調整してもよいが、これらの各フ
アクターは他のフアクター、例えば、酸化物の還
元度、被覆物の厚さおよび霧化度にそれぞれ影響
を与える。それゆえ、これらを適当な値に設定
し、主に冷却ジエツト１０によつて制御するのが
最良である。

該プラントから送り出されるストリツプは、界
面に厚さ約３ミクロンの金属間化合物層を含有す
る厚さ20ミクロンの被覆層を有する。表面は平滑
であり、曲げ試験で測定した延性は、このクラス
の材料としては優れたものである。ストリツプ
は、必ずしも必要ではないが、冷間圧延または熱
間圧延してもよい。

温度を適当に調整することによつて同様の装置
を亜鉛および亜鉛−アルミニウム合金被覆物に使
用することができる。

還元炉４においては、常に炉雰囲気が金属スト
リツプの酸化物を還元し、該雰囲気中の酸素含有
量がスプレーチヤンバー９内において100p.p.m.
以下に維持されるならば、いずれの加熱方式を採
用してもよい。特に有用な加熱方式（既にあるプ
ラントで使用されている）は、ストリツプ自体の
抵抗加熱方式であり、特に還元炉４の異なつた加
熱方式と併用することによつてチヤンバー９内の
ストリツプ温度はより正確に制御される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する装置の一態様を
示す模式図である。 ２はバツフル、３はダクト、４は還元炉、７は
ローラー、８はダクト、９はスプレーチヤンバ
ー、１０は冷却窒素ジエツト、１１は光学高温
計、１２はバツフル、１４はノズル、１５は保有
容器、１６はフイルター、２０はバツフル、２１
は冷却ジエツト、２２はコイラー、２３は監視ポ
ートを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化物不含表面を有し、スプレー処理に付さ
   れる基材製品の温度が、絶対温度目盛りで、被覆
   金属の融点±５％以内に維持した基材製品に、被
   覆金属を溶融霧化粒子スプレー状態で噴霧し、該
   基材製品に衝突するスプレーによつて形成される
   液状スプラツトを共融合させて平滑流動被覆層を
   形成させ、該被覆層を冷却させて冶金学的に結合
   した緻密な製品を得ることを含む金属被覆製品の
   製造方法。 ２ 最初の液状スプラツトの衝突後１秒以内にい
   ずれの所定点における被覆物を凍結させるのに十
   分急速に冷却処理をおこなう第１項記載の方法。 ３ 最初の液状スプラツトの衝突後0.2〜0.5秒以
   内にいずれの所定点における被覆物を凍結させる
   のに十分急速に冷却処理をおこなう第２項記載の
   方法。 ４ 霧化粒子がガス霧化粒子である第１項から第
   ３項いずれかに記載の方法。 ５ 霧化ガスの温度が実質上室温である第４項記
   載の方法。 ６ 被覆金属がアルミニウム、亜鉛またはアルミ
   ニウム−亜鉛合金で、基材製品が鉄を含有する第
   １項から第５項いずれかに記載の方法。 ７ 全被覆厚の４分の１以下の金属間化合物層を
   介してストリツプと結合し、キヤスト構造を有す
   るアルミニウムで被覆された鉄含有ストリツプ。