JPWO2010150537A1 - 耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年6月25日に日本に出願された特願2009−151303号、2009年6月25日に日本に出願された特願2009−151304号、および2009年6月25日に日本に出願された特願2009−151438号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(2) 上記(1)のめっき鋼線で、前記めっき本体層中の初晶の径が10μm以下であり;前記鋼線の母相の前記金属組織組成における前記伸線加工パーライト組織の分率が90%以上であってもよい。
(3) 上記(1)又は(2)のめっき鋼線で、前記Fe−Al系合金生成層の金属組織組成において、Al3.2Feの柱状晶の層とAl5Fe2の柱状晶の層が最も多く含まれる種類の組織であってもよい。
(4) 上記(1)又は(2)のめっき鋼線で、前記Zn−Alめっきの平均組成が、更に、質量%で、Siを0.01%以上2.0%以下含んでもよい。
(5) 上記(4)のめっき鋼線で、前記Fe−Al系合金生成層の金属組織組成において、Al3.2Feの層と、Al5Fe2の柱状晶の層と、Fe−Al−Siの粒状晶の層とが最も多く含まれる種類の組織であってもよい。
(6) 上記(1)〜(5)の何れかのめっき鋼線で、前記Zn−Alめっきの平均組成のAl量が、質量%で、6.0以上15.0%以下であってもよい。
(7) 上記(1)〜(6)の何れかのめっき鋼線で、前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、Crを0%以上0.5%以下、Niを0%以上1.0%以下、Cuを0%以上0.5%以下、Moを0%以上0.5%以下、Vを0%以上0.5%以下、Bを0%以上0.0070%以下、のうち1種又は2種以上を含有してもよい。
(8) 上記(1)〜(7)の何れかのめっき鋼線で、前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、Alを0%以上0.1%以下、Tiを0%以上0.1%以下、Nbを0%以上0.05%以下、Zrを0%以上0.1%以下、のうちの1種又は2種以上を含有してもよい。
(9) 上記(1)〜(8)の何れかのめっき鋼線で、ねじり試験による破断までのねじり回数の最小値が18回以上であってもよい。
(10)上記(1)〜(9)の何れかのめっき鋼線で、部分片振り引張り疲れ限度と引張強さとの比が、0.22以上であってもよい。
(11)本発明の一態様にかかる製造方法は、上記(1)〜(10)の何れかのめっき鋼線を製造する方法であって、前記鋼線の伸線加工を250℃以下の温度で行う伸線処理と;前記鋼線の酸洗処理と;前記鋼線のフラックス処理と;前記フラックス処理後の前記鋼線に対するZn−Alめっき処理と;を含み、前記Zn−Alめっき処理が、前記めっき鋼線を製造する方法に含まれる唯一の前記鋼線のめっき処理である。
(12) 上記(11)のめっき鋼線の製造方法で、前記Zn−Alめっき処理では、前記伸線加工後の前記鋼材を、質量%で、Alを3.0%以上15.0%以下、含有する溶融Zn−Al浴に浸漬してもよい。
(13) 上記(11)のめっき鋼線の製造方法は、鋼材を熱間圧延する工程と;熱間圧延に続いて500℃以上600℃以下のソルト浴中に前記鋼材を浸漬するパテンティング処理と;をさらに有してもよい。
(14) 上記(11)〜(13)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、溶融Zn−Al浴が、更に、質量%で、Si:2.0%以下を含有し、上記(4)、(5)、(7)〜(10)のいずれかのめっき鋼線が製造されてもよい。
(15) 上記(11)〜(13)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、溶融Zn−Al浴のAl量が、質量%で、6.0%以上15.0%以下であり、上記(6)〜(10)のいずれかのめっき鋼線が製造されてもよい。
(16) 上記(11)〜(15)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、前記伸線加工の後に、更に、ローラー矯直加工、400〜500℃で1〜60s保持する加熱処理の一方または双方を施してもよい。
なお、本明細書において、引張強度が1500MPa以上1800MPa以下のめっき鋼線を「1500MPaクラス」、引張強度が1800MPa以上2000MPa以下のめっき鋼線を「1800MPaクラス」、引張強度が2000MPa超のめっき鋼線を「2000MPaクラス」、と分類する。
本発明の一態様にかかる鋼線では、C量を0.70〜1.2%の範囲に限定する。なお、1500MPaクラスのめっき鋼線ではC量を0.70〜0.95%の範囲に更に限定してもよい。1800MPaクラスのめっき鋼線ではC量を0.8〜1.0%の範囲に更に限定してもよい。2000MPaクラスのめっき鋼線ではC量を0.9〜1.2%の範囲に更に限定してもよい。
めっき鋼線のC量が上記範囲の下限値以上であれば、その他の合金元素を添加した時パテンティング処理後の線材の引張強さが十分に確保され、また伸線加工硬化率も十分大きい値となり、目的とする高強度の橋梁用鋼線を得ることできる。一方、C量が、上記範囲の上限値以下であれば、中心偏析を軽減するための処理コストが許容できる範囲となる。
Siは、めっき浴で加熱された際の、鋼線の強度低下の抑制にも有効であるため、0.1%以上を添加することが更に、好ましい。
Mnは、脱酸及び脱硫に有効な元素であるため、上記範囲の下限値以上を添加する。鋼の焼入性を向上させ、パテンティング処理後の引張強度を高めるためには、0.1%以上を添加することが更に好ましい。一方、Mn量が上記範囲の上限値以下であれば、偏析度が増加せず、パテンティング処理時にねじり回数を低下させるベイナイトの発生が抑制される。なお、焼入れ性を高め、他の合金成分の添加量を低減するためには、1500MPaクラスおよび1800MPaクラスではMnを0.3%以上、2000MPaクラスではMnを0.2%以上添加することが更に好ましい。
一方、本発明の一態様にかかる合金層(Fe−Al系合金生成層)の合金部分は、下に詳述するように、実質的にZnを含まない、無Zn合金ないし低Znの合金(Al−Fe柱状晶)である。この合金層近辺に少量の残留Znが含まれる場合であっても、Znは、AlおよびFeの合金の柱状晶の間隙に単独で存在する。従って、合金層の合金部分は、実質的にAlおよびFeの合金からなる。このFe−Al系合金生成層は、上記のFe−Zn−Al合金層Aと比較して、疲労特性に優れ、疲労破壊が発生しにくい。
合金層の合金部分は、Zn−AlめっきがSiを含有しない場合は、Al3.2Feの柱状晶の層と、Al5Fe2の柱状晶の層とからなる。つまり、合金層の金属組織組成において、上記の2種の柱状晶が最も多く含まれる種類の組織である。即ち、合金層は複層構造であり、鋼線側の層(下層)はFe比率が高く合金化が進んだAl5Fe2、めっき側の層(上層)は合金化度の低いAl3.2Feとなる。このような複層構造を形成すると、層自体の内部応力の低下及び下層と上層との界面の応力差が低減され、めっきの密着性が更に向上すると推定される。
ソルト浴温度を上記の下限温度以上にすれば、伸線加工性や疲労特性を劣化させるベイナイト組織の発生頻度を抑制できる。一方、ソルト浴温度を上記上限温度以下にすれば、パーライト組織の好適な微細性が確保できる。したがって、Zn−Alめっき鋼線の強度、延性及び疲労特性を向上させるために、ソルト浴の温度を上記範囲に制限することが好ましい。
従来の技術である、二浴式のZn−Al合金めっき方法では、塩化アンモニウムを主成分とするフラックスが用いられていた。しかし、従来の塩化アンモニウムフラックス処理後に、Zn−Al合金めっき浴を行っても、めっきが十分に付着しない。これは、塩化アンモニウムフラックスが、Alを含むZn−Alめっき浴中で分解するためである。従来技術では、この問題を回避するために、Znめっきによる前めっき処理を行う必要が生じる。このため、全体として2度のめっき工程を含む、二浴式のZn−Al合金めっき方法が行われていた。
本発明の一態様にかかる方法では、Znめっきによる前めっき処理を行わない。これに替わって、塩化アンモニウム以外の成分を含むフラックスが開発された。以下に記載するフラックスを用いることで、Zn−Alめっきを効率的に付着させることができる。
フラックス処理:フラックス処理には、塩化亜鉛、塩化アンモニウム、アルカリ金属の塩化物、ふっ化物、塩化すず等を用いる。フラックスは、塩化亜鉛を主成分とし、塩化カリウム、ふっ化すずを含むものが好ましく、塩化アンモニウム、アルカリ金属の塩化物、塩化すずの1種又は2種以上を更に含有してもよい。フラックス処理を施した後、被めっき鋼線を乾燥させ、めっき浴に浸漬する。フラックスの組成は、特に限定しないが、例えば、フラックス全濃度が10〜40%水溶液で、Zn2+イオンが30〜40%、K+イオンが8〜12%、Sn2+イオンが2〜3%、Cl−イオンとF−イオンが合計で45〜60%になり、かつpHが0.5〜2.0の範囲に収まるものを使用すればよい。フラックスの浸漬時間は0.5s以上とすることが好ましい。
(第1実施例)
A:界面合金層がAl5Fe2の柱状晶と、Al3.2Feの柱状晶と、Fe−Al−Siの粒状晶とからなる3層
B:界面合金層がAl5Fe2、Al3.2Feの柱状晶と、Alの柱状晶とからなる2層
C:界面合金層がFe−Alの柱状晶からなる1層
D:界面合金層がZn−Fe、もしくはZn−Fe−Alからなる1層
A:赤錆発生までの時間が360時間以上
B:赤錆発生までの時間が300時間以上360時間未満
C:赤錆発生までの時間が240時間以上300時間未満
D:赤錆発生までの時間が240時間未満
表1〜3にめっき組成と腐食試験結果、界面合金層観察結果を示す。
以下、別の実施例により本発明の別の一態様の効果を更に具体的に説明する。
本発明の要求される範囲を満たす合金層の厚さ及び初晶の径を有するものが耐疲労性に優れることは、以下の実施例により示される。
(第2実施例)
表9に第3実施例に係る供試材の化学成分を示す。これらの供試材を用いて熱間圧延を行い、熱間圧延後にそのままソルト浴に冷却してパテンティング処理を施した。得られた線材の組織をSEM観察及びTEM観察を行い、パーライト分率及びセメンタイトの厚みを測定した。引張強さは、JIS Z 2241に準拠して測定した。また、引張強さの差は、3巻のコイルから試験片を採取して、合計36本の引張試験を行い、その引張強さの最大値と最小値の差である。表10に、パテンティング処理の温度、線材のパーライト分率及びセメンタイトの厚み、引張強さ、引張強さの差を示す。また、表10には、0.027×Cの計算値も示した。
B:界面合金層がAl5Fe2、Al3.2Fe の柱状晶Alの柱状晶からなる2層
C:界面合金層がFe−Alの柱状晶からなる1層
D:界面合金層がZn−Fe、もしくはZn−Fe−Alからなる1層
めっき鋼線の疲れ限度は、部分片振り引張り疲労試験で評価した。490MPaを基準とし、めっき鋼線の引張強度に応じて最小応力を固定し、最大応力を変化させて、繰返し数が200万サイクルでの疲れ限度(最大応力から最小応力を引いた値)を求めた。
B:赤錆発生までの時間が300時間以上360時間未満
C:赤錆発生までの時間が240時間以上300時間未満
D:赤錆発生までの時間が240時間未満
結果を表14〜16に示す。なお、初晶(デンドライド)の幅の欄の記号は、下記のとおりである。
A:初晶(デンドライド)幅が5μm以下
B:初晶(デンドライド)幅が10μm以下
D:初晶(デンドライド)幅が10μm超
(第4実施例)
溶融めっきは、鋼線を脱脂、酸洗後、60℃のフラックス水溶液に10秒浸漬し、乾燥後、所定の化学組成の溶融めっき浴に30秒浸漬する工程で行った。溶融めっきは浴温度が450〜470℃で行い、溶融めっき後の冷却速度は線径によって異なるが、いずれの溶融めっきも15℃/秒前後になるように調整した。
更に、溶融めっき厚みは、ワイピングにより、いずれのめっきも約50μmになるように調整した。また、二浴のZn−Alめっきは、450℃の溶融Znめっきを施した後、フラックス処理なしで直ちに溶融Zn−Alめっき浴に浸漬する工程で製造した。
B:界面合金層がAl5Fe2、Al3.2Fe の柱状晶Alの柱状晶からなる2層
C:界面合金層がFe−Alの柱状晶からなる1層
D:界面合金層がZn−Fe、もしくはZn−Fe−Alからなる1層
B:赤錆発生までの時間が300時間以上360時間未満
C:赤錆発生までの時間が240時間以上300時間未満
D:赤錆発生までの時間が240時間未満
結果を表22〜24に示す。なお、初晶(デンドライド)の幅の欄の記号は、下記のとおりである。
A:初晶(デンドライド)幅が5μm以下
B:初晶(デンドライド)幅が10μm以下
D:初晶(デンドライド)幅が10μm超
(2) 上記(1)のめっき鋼線で、前記めっき本体層中の初晶の径が10μm以下であり;前記鋼線の母相の前記金属組織組成における前記伸線加工パーライト組織の分率が90%以上であってもよい。
(3) 上記(1)又は(2)のめっき鋼線で、前記Zn−Alめっきの平均組成が、更に、質量%で、Siを0.01%以上2.0%以下含んでもよい。
(4) 上記(3)のめっき鋼線で、前記Fe−Al系合金生成層が、前記鋼線側の層にあってAl 3.2 Feの柱状晶を最も多く含む層と、前記Zn−Alめっき側にあってAl 5 Fe 2 の柱状晶を最も多く含む層と、前記Al 3.2 Feを最も多く含む層と前記Al 5 Fe 2 を最も含む層との間にあるFe−Al−Siの粒状晶の層と、からなる複層構造であってもよい。
(5) 上記(1)〜(4)の何れかのめっき鋼線で、前記Zn−Alめっきの平均組成のAl量が、質量%で、6.0以上15.0%以下であってもよい。
(6) 上記(1)〜(5)の何れかのめっき鋼線で、前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、Crを0%以上0.5%以下、Niを0%以上1.0%以下、Cuを0%以上0.5%以下、Moを0%以上0.5%以下、Vを0%以上0.5%以下、Bを0%以上0.0070%以下、のうち1種又は2種以上を含有してもよい。
(7) 上記(1)〜(6)の何れかのめっき鋼線で、前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、Alを0%以上0.1%以下、Tiを0%以上0.1%以下、Nbを0%以上0.05%以下、Zrを0%以上0.1%以下、のうちの1種又は2種以上を含有してもよい。
(8) 上記(1)〜(7)の何れかのめっき鋼線で、ねじり試験による破断までのねじり回数の最小値が18回以上であってもよい。
(9) 上記(1)〜(8)の何れかのめっき鋼線で、部分片振り引張り疲れ限度と引張強さとの比が、0.22以上であってもよい。
(10) 本発明の一態様にかかる製造方法は、上記(1)〜(9)の何れかのめっき鋼線を製造する方法であって、前記鋼線の伸線加工を250℃以下の温度で行う伸線処理と;前記鋼線の酸洗処理と;30乃至40%のZnイオン、8乃至12%のKイオン、2乃至3%のSnイオン並びに合計で45乃至60%のClイオン及びFイオンを含む全濃度10乃至40%の水溶液フラックスを用いた前記鋼線のフラックス処理と;前記フラックス処理後の前記鋼線に対するZn−Alめっき処理と;を含み、前記Zn−Alめっき処理が、前記めっき鋼線を製造する方法に含まれる唯一の前記鋼線のめっき処理である。
(11) 上記(10)のめっき鋼線の製造方法で、前記Zn−Alめっき処理では、前記伸線加工後の前記鋼材を、質量%で、Alを3.0%以上15.0%以下、含有する溶融Zn−Al浴に浸漬してもよい。
(12) 上記(10)のめっき鋼線の製造方法は、鋼材を熱間圧延する工程と;熱間圧延に続いて500℃以上600℃以下のソルト浴中に前記鋼材を浸漬するパテンティング処理と;をさらに有してもよい。
(13) 上記(10)〜(12)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、溶融Zn−Al浴が、更に、質量%で、Si:2.0%以下を含有し、上記(3)、(4)、(6)〜(9)のいずれかのZn−Alめっき鋼線が製造されてもよい。
(14) 上記(10)〜(12)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、溶融Zn−Al浴のAl量が、質量%で、6.0%以上15.0%以下であり、上記(5)〜(9)のいずれかのZn−Alめっき鋼線が製造されてもよい。
(15) 上記(10)〜(14)のいずれかのめっき鋼線の製造方法で、前記伸線加工の後に、更に、ローラー矯直加工、400〜500℃で1〜60s保持する加熱処理の一方または双方を施してもよい。
Claims (16)
- 鋼線と;
めっき本体層、及び、前記鋼線の表層と前記めっき本体層との界面に生成したFe−Al系合金生成層を有するZn−Alめっきと;
を含む橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線であって、
前記鋼線の母相の成分組成が、質量%で、
Cを0.70%以上1.2%以下、
Siを0.01%以上2.5%以下、
Mnを0.01%以上0.9%以下、含有し、
Pを0.02%以下、
Sを0.02%以下、
Nを0.01%以下、に制限し、
残部がFe及び不可避的不純物を含み;
前記鋼線の母相の金属組織組成において、伸線加工パーライト組織が最も多く含まれる種類の組織であり;
前記Zn−Alめっきの平均成分組成が、質量%で、
Alを3.0以上15.0%以下含有し、
Feを3.0%以下に制限し;
前記Fe−Al系合金生成層の厚さが5μm以下である;
ことを特徴とする耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。 - 前記めっき本体層中の初晶の径が10μm以下であり;
前記鋼線の母相の前記金属組織組成における前記伸線加工パーライト組織の分率が90%以上である;ことを特徴とする請求項1に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。 - 前記Fe−Al系合金生成層の金属組織組成において、Al3.2Feの柱状晶の層とAl5Fe2の柱状晶の層が最も多く含まれる種類の組織であることを特徴とする請求項1又は2に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 前記Zn−Alめっきの平均組成が、更に、質量%で、Siを0.01%以上2.0%以下含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 前記Fe−Al系合金生成層の金属組織組成において、Al3.2Feの層と、Al5Fe2の柱状晶の層と、Fe−Al−Siの粒状晶の層とが最も多く含まれる種類の組織であることを特徴とする請求項4に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 前記Zn−Alめっきの平均組成のAl量が、質量%で、6.0以上15.0%以下であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、
Crを0%以上0.5%以下、
Niを0%以上1.0%以下、
Cuを0%以上0.5%以下、
Moを0%以上0.5%以下、
Vを0%以上0.5%以下、
Bを0%以上0.0070%以下、のうち1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。 - 前記鋼線の前記母相の成分組成が、更に、質量%で、
Alを0%以上0.1%以下、
Tiを0%以上0.1%以下、
Nbを0%以上0.05%以下、
Zrを0%以上0.1%以下、のうちの1種又は2種以上を含有することを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。 - ねじり試験による破断までのねじり回数の最小値が18回以上であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 部分片振り引張り疲れ限度と引張強さとの比が、0.22以上であることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線。
- 請求項1〜10の何れか1項に記載のZn−Alめっき鋼線を製造する方法であって、
前記鋼線の伸線加工を250℃以下の温度で行う伸線処理と;
前記鋼線の酸洗処理と;
前記鋼線のフラックス処理と;
前記フラックス処理後の前記鋼線に対するZn−Alめっき処理と;
を含み、
前記Zn−Alめっき処理が、前記めっき鋼線を製造する方法に含まれる唯一の前記鋼線のめっき処理であることを特徴とする耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。 - 請求項11に記載のZn−Alめっき鋼線の製造方法であって、
前記Zn−Alめっき処理では、前記伸線加工後の前記鋼材を、質量%で、Alを3.0%以上15.0%以下、含有する溶融Zn−Al浴に浸漬する;
ことを特徴とする耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。 - 請求項11に記載のZn−Alめっき鋼線の製造方法であって、
鋼材を熱間圧延する工程と;
熱間圧延に続いて500℃以上600℃以下のソルト浴中に前記鋼材を浸漬するパテンティング処理と;をさらに有することを特徴とする耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。 - 溶融Zn−Al浴が、更に、質量%で、Si:2.0%以下を含有し、
請求項4、5、7〜10の何れか1項に記載のZn−Alめっき鋼線を製造する、
ことを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。 - 溶融Zn−Al浴のAl量が、質量%で、6.0%以上15.0%以下であり、
請求項6〜10の何れか1項に記載のZn−Alめっき鋼線を製造する、
ことを特徴とする請求項11〜13のいずれか一項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。 - 前記伸線加工の後に、更に、ローラー矯直加工、400〜500℃で1〜60s保持する加熱処理の一方または双方を施すことを特徴とする請求項11〜15の何れか1項に記載の耐食性と疲労特性に優れた橋梁用高強度Zn−Alめっき鋼線の製造方法。
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