WO2023176075A1 - めっき鋼材及びめっき鋼材の製造方法 - Google Patents

めっき鋼材及びめっき鋼材の製造方法 Download PDF

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WO2023176075A1
WO2023176075A1 PCT/JP2022/046530 JP2022046530W WO2023176075A1 WO 2023176075 A1 WO2023176075 A1 WO 2023176075A1 JP 2022046530 W JP2022046530 W JP 2022046530W WO 2023176075 A1 WO2023176075 A1 WO 2023176075A1
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steel material
plating layer
plated steel
layer
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完 齊藤
靖人 後藤
英俊 新頭
真征 大和
悠人 福田
卓哉 宮田
康裕 眞嶋
公平 ▲徳▼田
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日本製鉄株式会社
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C18/00Alloys based on zinc
    • C22C18/04Alloys based on zinc with aluminium as the next major constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
    • C23C2/06Zinc or cadmium or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C18/00Alloys based on zinc

Definitions

  • the present disclosure relates to a plated steel material and a method for manufacturing the plated steel material.
  • the first highly corrosion-resistant plated steel material for building materials was Zn-5% Al-plated steel material (Galfan plated steel material), which had Al added to the Zn-based plating layer to improve corrosion resistance. It is a well-known fact that corrosion resistance is improved by adding Al to the plating layer, and when 5% Al is added, Al crystals are formed in the plating layer (specifically, the Zn phase) and the corrosion resistance is improved.
  • Zn-55%Al-1.6%Si plated steel (galvalume steel) is basically a plated steel with improved corrosion resistance for the same reason.
  • the appeal of Zn-based plated steel is its sacrificial corrosion protection effect on base steel.
  • the surrounding plating layer is eluted before the base steel corrodes, and the eluted components of the plating are protected. Forms a film. Thereby, it is possible to prevent red rust from the base steel material to some extent.
  • the Al concentration is low and the Zn concentration is high because this effect is more likely to occur. Therefore, highly corrosion-resistant plated steel materials in which the Al concentration is kept to a relatively low concentration of about 5% to 25% have been put into practical use in recent years. In particular, plated steel materials that keep the Al concentration low and further contain about 1 to 3% Mg have better corrosion resistance than galvanized steel materials. Therefore, it has become a trend in the market as a plated steel material and is now widely known in the market.
  • a plated steel material disclosed in Patent Document 1 has been developed as a plated steel material containing a certain amount of Al and Mg.
  • Patent Document 1 states, ⁇ On the surface of the steel material, Al: 5 to 18% by mass, Mg: 1 to 10% by mass, Si: 0.01 to 2% by mass, the balance being Zn and unavoidable impurities.
  • Patent Document 2 describes "a plated steel material having a steel material and a plating layer including a Zn-Al-Mg alloy layer disposed on the surface of the steel material, the plating layer having Zn: 65.0%. It has a chemical composition containing super, Al: more than 5.0% to less than 25.0%, Mg: more than 3.0% to less than 12.5%, and Sn: 0.1% to 20.0%. , in a backscattered electron image of the Zn-Al-Mg alloy layer obtained when the surface of the Zn-Al-Mg alloy layer was polished to 1/2 of the layer thickness and then observed with a scanning electron microscope at 100x magnification. , a plated steel material in which Al crystals are present and the average value of the cumulative circumferential length of the Al crystals is 88 to 195 mm/mm 2 ” is disclosed.
  • Patent Document 1 JP2001-355053
  • Patent Document 2 WO2019/221193
  • the plating layer peels off when the plated steel material is processed, resulting in inferior workability. Furthermore, in environments where water tends to accumulate, such as when a plated steel plate is installed parallel to the ground and used, the corrosion resistance becomes inferior.
  • an object of the present disclosure is to provide a plated steel material that has excellent workability and excellent corrosion resistance even when used in an environment where water easily accumulates, and a method for manufacturing the same.
  • a plated steel material having a base steel material and a plating layer including a Zn-Al-Mg alloy layer arranged on the surface of the base steel material,
  • the plating layer is in mass%, Zn: more than 65.00%, Al: more than 5.00% to less than 25.00%, Mg: more than 3.00% to less than 12.50%, Sn: 0% to 3.00%, Bi: 0% to less than 5.00%, In: 0% to less than 2.00%, Ca: 0% to 3.00%, Y: 0% to 0.50%, La: 0% to less than 0.50%, Ce: 0% to less than 0.50%, Si: 0% to less than 2.50%, Cr: 0% to less than 0.25%, Ti: 0% to less than 0.25%, Zr: 0% to less than 0.25%, Mo: 0% to less than 0.25%, W: 0% to less than 0.25%, Ag: 0% to less than 0.25%, P: 0% 0% to less than 0.25%
  • ⁇ 2> The plated steel material according to ⁇ 1>, wherein the plating layer includes an Al-Fe alloy layer between the base steel material and the Zn-Al-Mg alloy layer.
  • the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer is 0.3 to 2.0 ⁇ m.
  • FIG. 1(A) shows the result obtained when the surface of the plating layer of the Zn-Al-Mg-based plated steel material of the present disclosure was polished to 1/2 of the layer thickness and then observed with a scanning electron microscope at 100x magnification. This is a backscattered electron image of a Zn-Al-Mg alloy layer.
  • FIG. 1(B) is a binarized backscattered electron image of the Zn--Al--Mg alloy layer.
  • the content of each element in the chemical composition is expressed as “%”, meaning “mass %”.
  • a numerical range expressed using “ ⁇ ” means a range that includes the numerical values written before and after " ⁇ ” as lower and upper limits.
  • a numerical range in which "more than” or “less than” is attached to the numerical value written before and after “ ⁇ ” means a range that does not include these numerical values as the lower limit or upper limit.
  • the content of elements in a chemical composition is sometimes expressed as element concentration (for example, Zn concentration, Mg concentration, etc.).
  • the plated steel material of the present disclosure includes a base steel material and a plating layer including a Zn--Al--Mg alloy layer disposed on the surface of the base steel material.
  • the plated steel material of the present disclosure has a plated layer having a predetermined chemical composition, and is obtained when observed at a magnification of 100 times with a scanning electron microscope after polishing the surface of the plated layer to 1/2 of the layer thickness.
  • a Zn/Al/MgZn two -component eutectic exists, and the average value of the cumulative perimeter length of the Zn/Al/MgZn two -component eutectic is 100. ⁇ 300mm/ mm2 .
  • the plated steel material of the present disclosure has excellent workability and is a plated steel material that has excellent corrosion resistance even when used in an environment where water tends to accumulate.
  • the plated steel material of the present disclosure was discovered based on the following findings.
  • the Zn/Al/ MgZn binary eutectic which causes local corrosion, is uniformly dispersed in the plating layer.
  • the average value of the cumulative circumferential length of the Zn/Al/MgZn binary ternary eutectic is set within a predetermined range.
  • local corrosion of the Zn/Al/MgZn binary ternary eutectic can be reduced.
  • the soft Zn/Al/ MgZn ternary eutectic functions as a buffer during processing, cracking of the surrounding intermetallic compound phase can be reduced.
  • the plated steel material of the present disclosure has excellent workability and excellent corrosion resistance even when used in an environment where water tends to accumulate due to the above structure.
  • base steel material There are no particular restrictions on the shape of the base steel material.
  • base steel materials include steel pipes, civil engineering construction materials (fence culverts, corrugated pipes, drain covers, sand prevention boards, bolts, wire mesh, guardrails, water-stop walls, etc.), and home appliance parts (air conditioner outdoor unit casings). Examples include molded base steel materials such as body parts, etc.) and automobile parts (suspension parts, etc.). Various plastic working methods such as press working, roll forming, and bending can be used for the forming process.
  • base steel There are no particular restrictions on the material of the base steel.
  • base steel materials include general steel, pre-plated steel, Al-killed steel, ultra-low carbon steel, high carbon steel, various high-strength steels, and some high-alloy steels (such as steels containing strengthening elements such as Ni and Cr).
  • Various types of base steel materials are applicable.
  • the base steel material is not particularly limited in terms of conditions such as the manufacturing method of the base steel material and the manufacturing method of the base steel plate (hot rolling method, pickling method, cold rolling method, etc.). Note that as the base steel material, hot rolled steel plates, hot rolled steel strips, cold rolled steel plates, and cold rolled steel strips described in JIS G 3302 (2010) can also be applied.
  • the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer is preferably 0.3 to 2.0 ⁇ m.
  • the surface roughness Ra of the base steel material By setting the surface roughness Ra of the base steel material to 0.3 ⁇ m or more, the average value of the cumulative circumferential length of the Zn/Al/MgZn binary ternary eutectic can be controlled within the above range.
  • the surface roughness Ra of the base steel material By setting the surface roughness Ra of the base steel material to 2.0 ⁇ m or less, unplating is suppressed. Note that the method for measuring the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer is as described later.
  • the base steel material may be a pre-plated steel material.
  • the pre-plated steel material is obtained, for example, by an electrolytic treatment method or a displacement plating method.
  • a pre-plated steel material is obtained by immersing a base steel material in a sulfuric acid bath or a chloride bath containing metal ions of various pre-plating components and subjecting it to electrolytic treatment.
  • a pre-plated steel material is obtained by immersing a base steel material in an aqueous solution containing metal ions of various pre-plating components and having its pH adjusted with sulfuric acid to cause displacement precipitation of metals.
  • a representative example of the pre-plated steel material is pre-Ni plated steel material.
  • the plating layer includes a Zn-Al-Mg alloy layer.
  • the plating layer may include an Al-Fe alloy layer in addition to the Zn-Al-Mg alloy layer.
  • the Al--Fe alloy layer is arranged between the base steel material and the Zn--Al--Mg alloy layer.
  • the plating layer may have a single layer structure of a Zn--Al--Mg alloy layer, or may have a laminated structure including a Zn--Al--Mg alloy layer and an Al--Fe alloy layer.
  • the Zn-Al-Mg alloy layer is preferably a layer constituting the surface of the plating layer.
  • an oxide film of the elements constituting the plating layer may be formed on the surface of the plating layer to a thickness of about 50 nm, it is thin compared to the overall thickness of the plating layer (about 8 to 60 ⁇ m) and is the main part of the plating layer. It is assumed that there is no such thing.
  • the amount of plating layer deposited is preferably 40 to 300 g/m 2 per side.
  • the coating weight of the plating layer is 40 g/m 2 or more, corrosion resistance can be ensured more reliably.
  • the amount of the plating layer is 300 g/m 2 or less, appearance defects such as sagging patterns of the plating layer can be suppressed.
  • the chemical composition of the plating layer is in mass%, Zn: more than 65.00%, Al: more than 5.00% to less than 25.00%, Mg: more than 3.00% to less than 12.50%, Sn: 0% to 3.00%, Bi: 0% to less than 5.00%, In: 0% to less than 2.00%, Ca: 0% to 3.00%, Y: 0% to 0.50%, La: 0% to less than 0.50%, Ce: 0% to less than 0.50%, Si: 0% to less than 2.50%, Cr: 0% to less than 0.25%, Ti: 0% to less than 0.25%, Zr: 0% to less than 0.25%, Mo: 0% to less than 0.25%, W: 0% to less than 0.25%, Ag: 0% to less than 0.25%, P: 0% to less than 0.25%, Ni: 0% to less than 0.25%, Co: 0% to less than 0.25%, V: 0% to less than less than less than 0.25%,
  • Sn, Bi, In, Ca, Y, La, Ce, Si, Cr, Ti, Zr, Mo, W, Ag, P, Ni, Co, V, Nb, Cu, Mn, Li ,Na, K, Fe, Sr, Sb, Pb, and B are optional components. In other words, these elements do not need to be included in the plating layer. When these optional components are included, the content of each optional element is preferably within the range described below.
  • the chemical composition of this plating layer is the average chemical composition of the entire plating layer (if the plating layer has a single layer structure of a Zn-Al-Mg alloy layer, the average chemical composition of the Zn-Al-Mg alloy layer, the plating layer
  • the chemical composition of this plating layer is the average chemical composition of the entire plating layer (if the plating layer has a single layer structure of a Zn-Al-Mg alloy layer, the average chemical composition of the Zn-Al-Mg alloy layer, the plating layer
  • the average chemical composition of the total of the Al--Fe alloy layer and the Zn--Al--Mg alloy layer is the average chemical composition of the total of the Al--Fe alloy layer and the Zn--Al--Mg alloy layer.
  • Zn more than 65.00% Zn is an element necessary to obtain corrosion resistance.
  • the plating layer is composed of low specific gravity elements such as Al and Mg, so it is necessary that the atomic composition ratio also be Zn-based. Therefore, the Zn concentration is set to exceed 65.00%.
  • the Zn concentration is preferably 70.00% or more. Note that the upper limit of the Zn concentration is the concentration of elements other than Zn and the remainder other than impurities.
  • Al more than 5.00% to less than 25.00%
  • Al is an essential element for forming Al crystals and ensuring corrosion resistance. Further, Al is an essential element in order to improve the adhesion of the plating layer and ensure workability. Therefore, the lower limit of the Al concentration is set to exceed 5.00% (preferably 10.00% or more). On the other hand, if the Al concentration increases too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Al concentration is less than 25.00% (preferably 23.00% or less).
  • Mg More than 3.00% to less than 12.50% Mg is an essential element to ensure corrosion resistance. Therefore, the lower limit of the Mg concentration is set to exceed 3.0% (preferably exceed 4.00%). On the other hand, if the Mg concentration increases too much, processability tends to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Mg concentration is less than 12.50% (preferably 10.00% or less).
  • Sn 0-3.00%
  • Sn is an element that contributes to corrosion resistance and initial discoloration resistance. Therefore, the lower limit of the Sn concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.05% or more, more preferably 0.10% or more). On the other hand, if the Sn concentration increases too much, corrosion resistance and initial discoloration resistance tend to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Sn concentration is set to 3.00% or less.
  • Bi 0% to less than 5.00% Bi is an element that contributes to corrosion resistance. Therefore, the lower limit of the Bi concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.10% or more, more preferably 3.00% or more). On the other hand, if the Bi concentration increases too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Bi concentration is less than 5.00% (preferably 4.80% or less).
  • In 0% to less than 2.00% In is an element that contributes to corrosion resistance. Therefore, the lower limit of the In concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.10% or more, more preferably 1.00% or more). On the other hand, if the In concentration increases too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit of the In concentration is less than 2.00% (preferably 1.80% or less).
  • Ca 0% to 3.00% Ca is an element that can adjust the optimal amount of Mg elution to impart corrosion resistance. Therefore, the lower limit of the Ca concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.05% or more). On the other hand, if the Ca concentration increases too much, corrosion resistance and workability tend to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Ca concentration is set to 3.00% or less (preferably 1.00% or less).
  • Y 0% to 0.50% Y is an element that contributes to corrosion resistance. Therefore, the lower limit of the Y concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.10% or more). On the other hand, if the Y concentration increases too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Y concentration is set to 0.50% or less (preferably 0.30% or less).
  • La and Ce 0% to less than 0.50%
  • La and Ce are elements that contribute to corrosion resistance. Therefore, the lower limits of the La concentration and the Ce concentration are each preferably greater than 0.00% (preferably 0.10% or more). On the other hand, if the La concentration and Ce concentration increase too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limits of the La concentration and Ce concentration are each less than 0.50% (preferably 0.40% or less).
  • Si 0% to less than 2.50% Si is an element that suppresses the growth of the Al--Fe alloy layer and contributes to improving corrosion resistance. Therefore, the Si concentration is preferably more than 0.00% (preferably 0.05% or more, more preferably 0.10% or more). In particular, when Sn is not included (that is, when the Sn concentration is 0%), the Si concentration is preferably 0.10% or more (preferably 0.20% or more) from the viewpoint of ensuring corrosion resistance. On the other hand, if the Si concentration increases too much, corrosion resistance and workability tend to deteriorate. Therefore, the upper limit of the Si concentration is set to be less than 2.50%. In particular, from the viewpoint of corrosion resistance, the Si concentration is preferably 2.40% or less, more preferably 1.80% or less, and still more preferably 1.20% or less.
  • the concentrations of Cr, Ti, Zr, Mo, W, Ag, P, Ni, Co, V, Nb, Cu, Mn, Li, Na, and K increase too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit values of the concentrations of Cr, Ti, Zr, Mo, W, Ag, P, Ni, Co, V, Nb, Cu, Mn, Li, Na, and K are each less than 0.25%. .
  • the upper limit of the concentration of Cr, Ti, Zr, Mo, W, Ag, P, Ni, Co, V, Nb, Cu, Mn, Li, Na, and K is preferably 0.22% or less.
  • Fe 0% to 5.00%
  • a certain Fe concentration is contained in the Zn-Al-Mg alloy layer and the Al-Fe alloy layer. It has been confirmed that up to a Fe concentration of 5.00%, there is no adverse effect on performance even if it is included in the plating layer (particularly in the Zn--Al--Mg alloy layer). Since much of Fe is often contained in the Al--Fe alloy layer, the Fe concentration generally increases as the thickness of this layer increases.
  • Sr, Sb, Pb and B 0% to less than 0.50% Sr, Sb, Pb and B are elements that contribute to corrosion resistance. Therefore, the lower limit values of the concentrations of Sr, Sb, Pb, and B are each preferably greater than 0.00% (preferably 0.05% or more, more preferably 0.10% or more). On the other hand, if the concentrations of Sr, Sb, Pb, and B increase too much, corrosion resistance tends to deteriorate. Therefore, the upper limit values of the concentrations of Sr, Sb, Pb, and B are each less than 0.50%.
  • Impurities refer to components contained in raw materials or components mixed in during the manufacturing process, but not intentionally included. For example, trace amounts of components other than Fe may be mixed into the plating layer as impurities due to mutual atomic diffusion between the base steel material and the plating bath.
  • the chemical components of the plating layer are measured by the following method. First, an acid solution is obtained by removing and dissolving the plating layer with an acid containing an inhibitor that suppresses corrosion of the base steel material. Next, by measuring the obtained acid solution by ICP analysis, the chemical composition of the plating layer (if the plating layer has a single layer structure of a Zn-Al-Mg alloy layer, the chemical composition of the Zn-Al-Mg alloy layer) , when the plating layer has a laminated structure of an Al--Fe alloy layer and a Zn--Al--Mg alloy layer, the total chemical composition of the Al--Fe alloy layer and the Zn--Al--Mg alloy layer can be obtained.
  • the components of the pre-plating are also detected.
  • ICP analysis detects not only Ni in the plating layer but also Ni in the pre-Ni plating.
  • a pre-plated steel material with a Ni coating amount of 1 g/m 2 to 3 g/m 2 (thickness of about 0.1 to 0.3 ⁇ m) is used as a base steel material, if the amount of Ni deposited in the plating layer is Even if the Ni concentration is 0%, when measured by ICP analysis, the Ni concentration is detected as 0.1 to 15%.
  • the method for determining whether the base steel material is a pre-Ni plated steel material is as follows.
  • a sample is taken from the steel material to be measured, with the cross section cut along the thickness direction of the plating layer serving as the measurement surface.
  • a line analysis is performed on the measurement surface of the sample near the interface between the plating layer and the base steel material in the steel material using an electron probe microanalyzer (FE-EPMA) to measure the Ni concentration.
  • the measurement conditions were an acceleration voltage of 15 kV, a beam diameter of about 100 nm, an irradiation time of 1000 ms per point, and a measurement pitch of 60 nm.
  • the measurement distance may be any distance that allows confirmation of whether the Ni concentration is concentrated at the interface between the plating layer and the base steel material in the steel material. If the Ni concentration is concentrated at the interface between the plating layer and the base steel in the steel material, the base steel is determined to be pre-Ni-plated steel. Further, when a pre-Ni plated steel material is used as the base steel material, the Ni concentration of the plating layer is defined as a value measured as follows. First, using a high-frequency glow discharge luminescent surface analyzer (GDS: manufactured by Horiba, model number: GD-Profiler2), three or more types of standard samples (Zn alloy standard samples manufactured by BAS, IMN ZH1, ZH2, and ZH4) with different Ni concentrations were analyzed.
  • GDS high-frequency glow discharge luminescent surface analyzer
  • the luminescence intensity of Ni is measured.
  • a calibration curve is prepared from the relationship between the obtained Ni luminescence intensity and the Ni concentration of the standard sample.
  • the luminescence intensity of Ni at a position of 1/2 the thickness of the plating layer of the plated steel material to be measured is measured using a high frequency glow discharge luminescence surface analyzer (GDS: manufactured by Horiba, model number: GD-Profiler 2).
  • GDS glow discharge luminescence surface analyzer
  • the Ni concentration at the 1/2 position of the plating layer is determined from the obtained Ni emission intensity and the prepared calibration curve.
  • the Ni concentration at the obtained 1/2 position of the plating layer is defined as the Ni concentration of the plating layer.
  • the Zn concentration of the plating layer is defined as the Zn concentration calculated from the following formula.
  • Zn concentration 100 - (element concentration other than Zn and Ni determined by ICP analysis + NI concentration determined by GDS)
  • the measurement conditions of the high frequency glow discharge luminescent surface analyzer are as follows. ⁇ H. V. :630V ⁇ Anode diameter: ⁇ 4mm ⁇ Gas: Ar ⁇ Gas pressure: 600Pa ⁇ Output: 35W
  • the Al-Fe alloy layer may be formed on the surface of the base steel material (specifically, between the base steel material and the Zn-Al-Mg alloy layer), and is a layer whose main phase is Al 5 Fe phase as a structure. be.
  • the Al--Fe alloy layer is formed by mutual atomic diffusion between the base steel material and the plating bath. Since the steel material of the present disclosure forms a plating layer by a hot-dip plating method, an Al--Fe alloy layer is likely to be formed in the plating layer containing the Al element. Since the plating bath contains Al at a certain concentration or more, the Al 5 Fe phase is formed in the largest amount.
  • the Al--Fe alloy layer may partially contain a small amount of AlFe phase, Al 3 Fe phase, Al 5 Fe 2 phase, etc. Furthermore, since Zn is also included at a certain concentration in the plating bath, the Al--Fe alloy layer also contains a small amount of Zn.
  • Corrosion resistance here refers to corrosion resistance in areas not affected by welding.
  • Si when Si is contained in the plating layer, Si is particularly easily incorporated into the Al--Fe alloy layer and may become an Al--Fe--Si intermetallic compound phase.
  • the intermetallic compound phase identified is the AlFeSi phase, and the isomers include ⁇ , ⁇ , q1, q2-AlFeSi phases, etc. Therefore, these AlFeSi phases may be detected in the Al--Fe alloy layer.
  • the Al--Fe alloy layer containing these AlFeSi phases is also referred to as an Al--Fe--Si alloy layer. Note that since the Al--Fe--Si alloy layer is also smaller in thickness than the Zn--Al--Mg alloy layer, its influence on the corrosion resistance of the entire plating layer is small.
  • the structure of the Al--Fe alloy layer may change depending on the amount of pre-plating applied. Specifically, if the pure metal layer used for pre-plating remains around the Al-Fe alloy layer, an intermetallic compound phase (for example, (Al 3 Ni phase, etc.) to form an alloy layer, to form an Al-Fe alloy layer in which some of the Al atoms and Fe atoms have been substituted, or to form an Al-Fe alloy layer in which some of the Al atoms, Fe atoms, and Si atoms have been substituted. In some cases, an Al--Fe--Si alloy layer is formed.
  • an intermetallic compound phase for example, (Al 3 Ni phase, etc.
  • the Al--Fe alloy layer is a layer that includes alloy layers of the various embodiments described above in addition to the alloy layer mainly composed of the Al 5 Fe phase.
  • an Al-Ni-Fe alloy layer will be formed as an Al-Fe alloy layer.
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is, for example, 0 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is preferably 0.05 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less from the viewpoint of improving the adhesion of the plating layer (specifically, the Zn-Al-Mg alloy layer) and ensuring corrosion resistance and workability.
  • the Zn-Al-Mg alloy layer is thicker than the Al-Fe alloy layer, so the contribution of the Al-Fe alloy layer to the corrosion resistance of the plated steel is greater than that of the Zn-Al-Mg alloy layer. Then it's small.
  • the Al--Fe alloy layer contains Al and Zn, which are corrosion-resistant elements, at a certain concentration or more, as estimated from the results of component analysis. Therefore, the Al--Fe alloy layer has a certain degree of corrosion resistance with respect to the base steel material.
  • an Al-Fe alloy layer of 100 nm or more is often formed between the base steel material and the Zn-Al-Mg alloy layer. .
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is preferably 0.05 ⁇ m or more.
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is preferably 7 ⁇ m or less.
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is more preferably 5 ⁇ m or less, and still more preferably 2 ⁇ m or less.
  • the thickness of the Al--Fe alloy layer is measured as follows. After embedding the sample in resin, it was polished and an SEM backscattered electron image of the cross section of the plating layer (cut surface along the thickness direction of the plating layer) was obtained (magnification: 10,000 times, field of view size: 50 ⁇ m in height x 200 ⁇ m in width, The thickness is measured at five arbitrary locations of the identified Al--Fe alloy layer. Then, the arithmetic average of the five locations is taken as the thickness of the Al--Fe alloy layer.
  • the thickness of the plating layer is also determined by the above-mentioned cross-sectional SEM backscattered electron image (magnification: 500 times, field of view size: 198 ⁇ m in height x 244 ⁇ m in width, with a field of view in which the entire plating layer is visible). Measure the thickness at five locations. Then, the arithmetic average of the five locations is taken as the thickness of the plating layer.
  • the Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic becomes coarse, which causes local corrosion. Corrosion resistance deteriorates. In particular, when used in an environment where water tends to accumulate, the Zn/Al/ MgZn binary eutectic in the plating layer corrodes locally, and corrosion quickly reaches the base metal.
  • the Zn/Al/MgZn binary ternary eutectic does not function as a buffer material, the intermetallic compound phase cracks, the plating layer easily peels off, and the workability becomes inferior.
  • the Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic If the average value of the cumulative perimeter of the Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic exceeds 300 mm/ mm2 , the Zn/Al/ MgZn binary eutectic becomes too fine, so when processing the plated steel material, The Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic does not function as a buffer material, the intermetallic compound phase cracks, the plating layer easily peels off, and the workability becomes inferior.
  • the average value of the cumulative circumferential length of the Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic is 100 to 300 mm/mm 2 .
  • the average value of the cumulative circumferential length of the Zn/Al/ MgZn binary ternary eutectic is preferably 105 to 290 mm/mm 2 , more preferably 110 to 280 mm/mm 2 .
  • the area fraction of the Zn/Al/MgZn binary ternary eutectic is not particularly limited, but from the viewpoint of workability and corrosion resistance, it is preferably 10 to 50%, and 13 to 50%. 45% is more preferred.
  • Examples of residual structures other than the Zn/Al/MgZn two- dimensional eutectic include Al crystal and MgZn two- phase.
  • the average value of the cumulative perimeter length of the Zn/Al/MgZn two -dimensional eutectic and the area fraction of the Zn/Al/MgZn two -dimensional eutectic were determined by polishing the surface of the plating layer to 1/2 of the layer thickness. Afterwards, it is measured using a backscattered electron image of the Zn--Al--Mg alloy layer obtained when observed with a scanning electron microscope at a magnification of 100 times. Specifically, it is as follows.
  • a sample is taken from the plated steel material to be measured.
  • the sample is taken from a location other than the vicinity of the punched end face of the plated steel material (2 mm from the end face) and from a location where there are no defects in the plating layer.
  • the surface of the plating layer (substantially a Zn--Al--Mg alloy layer) of the sample is polished in the thickness direction of the plating layer (hereinafter also referred to as "Z-axis direction").
  • Z-axis direction the thickness direction of the plating layer.
  • a finishing solution containing alumina with an average particle size of 3 ⁇ m, a finishing solution containing alumina with an average particle size of 1 ⁇ m, and a finish containing colloidal silica were applied. Final polishing is performed using each solution in this order.
  • the Zn intensity on the surface of the plating layer was measured by XRF (X-ray fluorescence analysis) before and after polishing, and when the Zn intensity after polishing became 1/2 of the Zn intensity before polishing, the plating layer was The thickness should be 1/2. Since the Zn-Al-Mg alloy layer occupies 1/2 or more of the thickness of the plating layer, the polished surface of the surface of the plating layer polished to 1/2 of the layer thickness is similar to the polished surface of the Zn-Al-Mg alloy layer. Become. Therefore, by analyzing the polished surface, it is possible to understand the metal structure contained in the Zn--Al--Mg alloy layer.
  • SEM backscattered electron image a backscattered electron image (hereinafter also referred to as "SEM backscattered electron image").
  • the SEM observation conditions are acceleration voltage: 15 kV, irradiation current: 10 nA, and field of view size: 1000 ⁇ m ⁇ 800 ⁇ m.
  • Zn/Al/MgZn was analyzed in the SEM backscattered electron image (grayscale image saved in 8 bits, 256 color display). 2 Identify the ternary eutectic. Note that in a grayscale image saved in 8 bits, when the luminous intensity is 0, it represents black, and when the maximum value is 255, it represents white. Usually, the phase that has a higher content of Al and Mg with a smaller atomic number tends to exhibit black color, and the phase that has a higher amount of Zn tends to exhibit white color.
  • the structure that appears the whitest is the Zn/Al/MgZn two- component eutectic (see FIG. 1(A)).
  • the luminosity thresholds are set to 160 and 215, Z It has been found from the identification results by FE-SEM or TEM that the n/Al/ MgZn binary ternary eutectic can be identified with high accuracy. Therefore, the image is processed so that the color changes in the luminous intensity range of 160 to 215, and the Zn/Al/MgZn two- component eutectic is identified (see FIG. 1(B)).
  • the area fraction of the Zn/Al/MgZn two- component eutectic can also be determined using the automatic shape feature measurement function of WinROOF2015 (image analysis software) manufactured by Mitani Corporation. Specifically, in the backscattered electron image of the Zn-Al-Mg alloy layer, the area fraction (area fraction relative to the visual field area) of the Zn/Al/MgZn two -dimensional eutectic binarized and identified is Calculate using this function. Then, this operation is performed in three fields of view, and the arithmetic average thereof is taken as the area fraction of "Zn/Al/MgZn two -element ternary eutectic".
  • WinROOF2015 image analysis software
  • the plated steel material of the present disclosure is obtained by forming a plating layer having the above-described predetermined chemical composition and metal structure on the surface (i.e., one or both sides) of a base steel material (base steel plate, etc.) by a hot-dip plating method.
  • hot-dip plating is performed under the following conditions.
  • a base steel material with a surface roughness Ra of 0.3 to 2.0 ⁇ m on the surface to be plated is immersed in a plating bath, and after being removed from the plating bath, the temperature range is 450 to 395°C at an average cooling rate of 5. Cool at ⁇ 20°C/s.
  • the temperature range of 395 to 340°C is cooled at an average cooling rate of 3°C/s or less.
  • the temperature range of 340 to 280°C is cooled at an average cooling rate of 10 to 20°C/s.
  • the plating is performed by, for example, a continuous hot-dip metal plating method such as the Sendzimir method.
  • the surface roughness Ra of the surface to be plated of the base steel material By setting the surface roughness Ra of the surface to be plated of the base steel material to 0.3 ⁇ m or more, solidification nuclei of the structure of the plating layer are easily formed, so that Al primary crystals etc. are densely crystallized. As a result, the Zn/Al/MgZn two -component eutectic is finely dispersed, and the average value of the total circumference of the Zn/Al/MgZn two -component eutectic can be controlled within the above range. However, if the surface roughness Ra of the surface to be plated of the base steel material exceeds 2.0 ⁇ m, the wettability of the plating will be poor and non-plating will likely occur.
  • the surface roughness Ra of the surface to be plated of the base steel material is measured as follows in accordance with JIS B 0633:2001.
  • the average surface roughness is measured three times in each 10 mm length in two directions forming an arbitrary 90° using a contact type surface roughness meter.
  • the arithmetic mean value of the obtained average surface roughness measurements (2 directions x 3 measurements, total of 6 measurements) is calculated. This arithmetic mean value is taken as the surface roughness Ra of the surface to be plated of the base steel material.
  • the plating layer is removed from the plated steel material by dissolving it in hydrochloric acid containing an inhibitor. Thereafter, the surface of the base steel material on the side from which the plating layer has been removed is measured and the average value is calculated in the same manner as above. This is defined as the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer.
  • the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer in the plated steel material (that is, after plating) and the surface roughness Ra of the plated surface of the base steel material before plating generally match.
  • the interface roughness Ra between the base steel material and the plating layer in the plated steel obtained is 0.3 to 2.0 ⁇ m. It can be set to 0 ⁇ m.
  • the plating layer solidifies in the following order: Al primary crystal, Al/MgZn two phase, MgZn 2 peritectic crystallized around the Al primary crystal, and Zn/Al/MgZn two ternary eutectic.
  • the Al primary crystals and the Al/MgZn two phases are finely dispersed. Then, by cooling in the temperature range of 395 to 340° C. at an average cooling rate of 3° C./s or less, MgZn 2 peritectics are reliably crystallized around the Al primary crystals. Thereby, the Zn/Al/MgZn two- component eutectic can be refined.
  • the Zn/Al/MgZn two- component eutectic is refined. Thereby, the average value of the cumulative circumferential length of the Zn/Al/MgZn two -component eutectic is controlled within the above range.
  • a film may be formed on the plating layer.
  • the film can form one layer or two or more layers.
  • Examples of the type of film directly above the plating layer include a chromate film, a phosphate film, and a chromate-free film. Chromate treatment, phosphate treatment, and chromate-free treatment for forming these films can be performed by known methods.
  • Chromate treatment includes electrolytic chromate treatment, which forms a chromate film through electrolysis, reactive chromate treatment, which uses a reaction with the material to form a film and then washes away the excess treatment liquid, and a process in which the treatment liquid is applied to the object.
  • electrolytic chromate treatment which forms a chromate film through electrolysis
  • reactive chromate treatment which uses a reaction with the material to form a film and then washes away the excess treatment liquid, and a process in which the treatment liquid is applied to the object.
  • Electrolytic chromate treatment uses chromic acid, silica sol, resin (acrylic resin, vinyl ester resin, vinyl acetate acrylic emulsion, carboxylated styrene butadiene latex, diisopropanolamine-modified epoxy resin, etc.), and hard silica.
  • resin acrylic resin, vinyl ester resin, vinyl acetate acrylic emulsion, carboxylated styrene butadiene latex, diisopropanolamine-modified epoxy resin, etc.
  • Examples of the phosphate treatment include zinc phosphate treatment, zinc calcium phosphate treatment, and manganese phosphate treatment.
  • Chromate-free treatment is particularly suitable as it does not impose any burden on the environment.
  • Chromate-free treatment includes electrolytic chromate-free treatment, which forms a chromate-free film by electrolysis, reactive chromate-free treatment, which forms a film by reacting with the material and then washes away excess treatment liquid, and There is a paint-on type chromate-free treatment that is applied to the object to be coated and dries to form a film without washing with water. Either process may be adopted.
  • organic resin films may be provided on the film directly above the plating layer.
  • the organic resin is not limited to a specific type, and includes, for example, polyester resin, polyurethane resin, epoxy resin, acrylic resin, polyolefin resin, or modified products of these resins.
  • modified products are compounds in which the reactive functional groups contained in the structure of these resins are reacted with other compounds (monomers, crosslinking agents, etc.) that contain functional groups in the structure that can react with the functional groups. Refers to resin.
  • organic resin one type or a mixture of two or more types of organic resins (unmodified) may be used, or at least one type of other organic resin may be used in the presence of at least one type of organic resin.
  • Organic resins obtained by modifying organic resins may be used alone or in combination of two or more.
  • the organic resin film may contain any coloring pigment or antirust pigment. It is also possible to use those made into aqueous systems by dissolving or dispersing them in water.
  • Example 2 A plating bath was prepared in the atmosphere using a predetermined amount of pure metal ingot so that a plating layer having the chemical composition shown in Tables 1 and 2 was obtained.
  • a hot-dip plating simulator was used to fabricate the plated steel sheet.
  • a general hot-rolled steel plate (C concentration ⁇ 0.1%) with a thickness of 2.3 mm was used as the base steel material, brush-polished, and degreased and pickled immediately before the plating process.
  • the surface roughness Ra (denoted as "surface roughness Ra" in the table) of the surface to be plated of the base steel material was as shown in Tables 1 and 2.
  • pre-Ni plated steel material further subjected to pre-Ni plating was used as the base steel material.
  • the amount of Ni deposited was 1 g/m 2 to 3 g/m 2 .
  • examples in which pre-Ni plated steel was used as the base steel were written as "pre-Ni" in the column of "base steel” in the table.
  • a contact type K thermocouple was attached to the back side of the plated surface of the base steel material in order to monitor the temperature of the steel material during the process of producing a plated steel sheet.
  • the base steel material was subjected to the same reduction treatment method before being immersed in the plating bath. That is, the base steel material is heated from room temperature to 800°C by electrical heating in an N 2 -H 2 (5%) environment (dew point -40°C or less, oxygen concentration less than 25ppm), held for 60 seconds, and then N 2 It was cooled to the plating bath temperature +10° C. by gas blowing, and immediately immersed in the plating bath.
  • the plating bath temperature for all plated steel sheets was basically 500°C, and in some cases the temperature was increased further.
  • the immersion time in the plating bath was the time shown in the table (2 seconds).
  • the N 2 gas wiping pressure was adjusted so that the plating thickness was 30 ⁇ m ( ⁇ 1 ⁇ m).
  • a plating layer was obtained by a cooling process in which the average cooling rate of the first to third stages shown in Tables 1 to 2 was set to the conditions shown in Tables 1 to 2.
  • ⁇ 1st stage average cooling rate Average cooling rate in the temperature range of 450 to 395°C
  • ⁇ 2nd stage average cooling rate Average cooling rate in the temperature range of 395 to 340°C ⁇ 3rd stage average cooling rate: 340 to 280°C
  • the steel material was cooled by spraying N2 gas onto the steel material after plating. At this time, cooling was performed while adjusting the amount of N 2 gas sprayed so as to achieve a predetermined cooling rate in the above temperature range.
  • the examples corresponding to the plated steel materials of the present disclosure have excellent workability and corrosion resistance even when used in an environment where water easily accumulates, compared to the comparative examples.

Abstract

めっき層が、所定の化学組成を有し、めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、前記Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn2三元共晶が存在し、前記Zn/Al/MgZn2三元共晶の累計周囲長さの平均値が100~300mm/mm2であるめっき鋼材及びその製造方法。

Description

めっき鋼材及びめっき鋼材の製造方法
 本開示は、めっき鋼材及びめっき鋼材の製造方法に関する。
 例えば、建材分野では、多種多様なめっき鋼材が利用されている。その多くは、Znめっき鋼材である。建材の長寿命化ニーズから、Znめっき鋼材の高耐食性化の研究は古くから行われており、様々なめっき鋼材が開発されてきている。最初の建材用の高耐食性めっき鋼材は、Zn系めっき層中に、Alを添加し、耐食性を向上した、Zn-5%Alめっき鋼材(ガルファンめっき鋼材)である。めっき層にAlを添加して耐食性を向上させることは周知の事実であり、5%Al添加でめっき層(具体的にはZn相)中にAl晶が形成し耐食性が向上する。Zn-55%Al-1.6%Siめっき鋼材(ガルバリウム鋼材)も基本的には、同じ理由により耐食性が向上しためっき鋼材である。
 ここで、Zn系めっき鋼材の魅力は、素地鋼材に対する犠牲防食効果である。すなわち、めっき鋼材の切断端面部、加工時のめっき層割れ部、および、めっき層の剥離等により現れる素地鋼材むき出し部において、素地鋼材の腐食前に周囲のめっき層が溶出しめっき溶出成分が保護皮膜を形成する。これにより、素地鋼材からの赤錆をある程度防ぐことが可能である。
 一般的にはAl濃度が低く、Zn濃度が高い方が、この作用が発現しやすく好ましい。従って、Al濃度を5%~25%程度の比較的低い濃度等に抑えた高耐食化めっき鋼材が近年実用化されている。特に、Al濃度を低く抑え、さらに、1~3%程度のMgを含有しためっき鋼材がガルファンめっき鋼材よりも優れた耐食性を有する。そのため、めっき鋼材として市場のトレンドとなり、現在市場で広く知られている。
 この一定量のAlおよびMgを含有しためっき鋼材として、例えば、特許文献1に開示されためっき鋼材も開発されている。
 具体的には、特許文献1は、「鋼材の表面に、Al:5~18質量%、Mg:1~10質量%、Si:0.01~2質量%、残部Zn及び不可避的不純物とからなるめっき層を有するめっき鋼材表面に、Al相が1mm当たり200個以上存在する溶融Zn-Al-Mg-Siめっき鋼材」が開示されている。
 また、特許文献2には、「鋼材と、鋼材の表面に配されたZn-Al-Mg合金層を含むめっき層と、を有するめっき鋼材であって、めっき層が、Zn:65.0%超、Al:5.0%超~25.0%未満、Mg:3.0%超~12.5%未満、及びSn:0.1%~20.0%を含有する化学組成を有し、Zn-Al-Mg合金層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Al晶が存在し、前記Al晶の累計周囲長さの平均値が88~195mm/mmであるめっき鋼材」が開示されている。
 特許文献1:特開2001-355053号
 特許文献2:WO2019/221193号
 しかし、めっき層中のMg濃度が高いめっき鋼材では、めっき鋼材を加工すると、めっき層が剥離し、加工性が劣位となる。また、例えば、めっき鋼板を地面に対して平行な向きに設置して使用するなど、水が溜まりやすい環境では、耐食性が劣位となる。
 そこで、本開示の課題は、加工性に優れると共に、水が溜まりやすい環境で使用しても耐食性に優れるめっき鋼材及びその製造方法を提供することである。
 上記課題は、以下の手段により解決される。
<1>
 素地鋼材と、前記素地鋼材の表面に配されたZn-Al-Mg合金層を含むめっき層と、を有するめっき鋼材であって、
 前記めっき層が、質量%で、
 Zn:65.00%超、
 Al:5.00%超~25.00%未満、
 Mg:3.00%超~12.50%未満、
 Sn:0%~3.00%、
 Bi:0%~5.00%未満、
 In:0%~2.00%未満、
 Ca:0%~3.00%、
 Y :0%~0.50%、
 La:0%~0.50%未満、
 Ce:0%~0.50%未満、
 Si:0%~2.50%未満、
 Cr:0%~0.25%未満、
 Ti:0%~0.25%未満、
 Zr:0%~0.25%未満、
 Mo:0%~0.25%未満、
 W :0%~0.25%未満、
 Ag:0%~0.25%未満、
 P :0%~0.25%未満、
 Ni:0%~0.25%未満、
 Co:0%~0.25%未満、
 V :0%~0.25%未満、
 Nb:0%~0.25%未満、
 Cu:0%~0.25%未満、
 Mn:0%~0.25%未満、
 Li:0%~0.25%未満、
 Na:0%~0.25%未満、
 K :0%~0.25%未満、
 Fe:0%~5.00%、
 Sr:0%~0.5%未満、
 Sb:0%~0.5%未満、
 Pb:0%~0.5%未満、
 B :0%~0.5%未満、及び
 不純物からなる化学組成を有し、
 前記めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、前記Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn三元共晶が存在し、前記Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周
囲長さの平均値が100~300mm/mmであるめっき鋼材。
<2>
 前記めっき層が、前記素地鋼材と前記Zn-Al-Mg合金層との間に、Al-Fe合金層を含む<1>に記載のめっき鋼材。
<3>
 前記素地鋼材と前記めっき層との界面粗さRaが0.3~2.0μmである<1>又は<2>に記載のめっき鋼材
<4>
 被めっき処理面の表面粗さRaが0.3~2.0μmの素地鋼材を、めっき浴に浸漬して、前記めっき浴から引き上げた後、
 450~395℃の温度域を平均冷却速度5~20℃/sで冷却し、
 395~340℃の温度域を平均冷却速度3℃/s以下で冷却し、
 340~280℃の温度域を平均冷却速度10~20℃/sで冷却する、
 <1>~<3>のいずれか1項に記載のめっき鋼材の製造方法。
 本開示によれば、加工性に優れると共に、水が溜まりやすい環境で使用しても耐食性に優れるめっき鋼材及びその製造方法を提供できる。
図1(A)は、本開示のZn-Al-Mg系めっき鋼材における、めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、Zn-Al-Mg合金層の反射電子像である。 、図1(B)は、Zn-Al-Mg合金層の反射電子像を2値化した像である。
 以下、本開示の一例について説明する。
 なお、本開示において、化学組成の各元素の含有量の「%」表示は、「質量%」を意味する。
 「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
 「~」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。
 化学組成の元素の含有量は、元素濃度(例えば、Zn濃度、Mg濃度等)と表記することがある。
 本開示のめっき鋼材は、素地鋼材と、前記素地鋼材の表面に配されたZn-Al-Mg合金層を含むめっき層と、を有する。
 そして、本開示のめっき鋼材は、めっき層が所定の化学組成を有し、めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn三元共晶が存在し、前記Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が100~300mm/mmである。
 本開示のめっき鋼材は、上記構成により、加工性に優れると共に、水が溜まりやすい環境で使用しても耐食性に優れるめっき鋼材となる。そして、本開示のめっき鋼材は、次の知見により見出された。
 めっき層中のMg濃度が高いめっき鋼材では、めっき層中に硬い金属間化合物相が形成する。そのため、めっき鋼材を加工すると、金属間化合物相が割れて、めっき層が剥離し易くなる。
 また、また、水が溜まりやすい環境での使用では、めっき層中のZn/Al/MgZn
三元共晶が局所的に腐食し、腐食が早期に地鉄まで至る。
 そこで、めっき層中における、局所的な腐食の原因となるZn/Al/MgZn三元共晶を均一に分散させる。つまり、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値を所定範囲内とする。
 それにより、Zn/Al/MgZn三元共晶の局所腐食を低減できる。加えて、柔らかいZn/Al/MgZn三元共晶が加工時に緩衝材として機能するため、周囲の金属間化合物相の割れを低減できる。
 以上の知見から、本開示のめっき鋼材は、上記構成により、加工性に優れると共に、水が溜まりやすい環境で使用しても耐食性に優れるめっき鋼材となることが見出された。
 以下、本開示のめっき鋼材の詳細について説明する。
(素地鋼材)
 素地鋼材の形状には、特に制限はない。素地鋼材は、鋼板の他、鋼管、土木建築材(柵渠、コルゲートパイプ、排水溝蓋、飛砂防止板、ボルト、金網、ガードレール、止水壁等)、家電部材(エアコンの室外機の筐体等)、自動車部品(足回り部材等)など、成形加工された素地鋼材が挙げられる。成形加工は、例えば、プレス加工、ロールフォーミング、曲げ加工などの種々の塑性加工手法が利用できる。
 素地鋼材の材質には、特に制限はない。素地鋼材は、例えば、一般鋼、プレめっき鋼、Alキルド鋼、極低炭素鋼、高炭素鋼、各種高張力鋼、一部の高合金鋼(Ni、Cr等の強化元素含有鋼等)などの各種の素地鋼材が適用可能である。
 素地鋼材は、素地鋼材の製造方法、素地鋼板の製造方法(熱延方法、酸洗方法、冷延方法等)等の条件についても、特に制限されるものではない。
 なお、素地鋼材としては、JIS G 3302(2010年)に記載されている熱延鋼板、熱延鋼帯、冷延鋼板、冷延鋼帯も適用できる。
 素地鋼材とめっき層との界面粗さRaは、0.3~2.0μmが好ましい。
 素地鋼材の表面粗さRaを0.3μm以上とすることで、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値を上記範囲に制御できる。
 素地鋼材の表面粗さRaを2.0μm以下とすることで、不めっきが抑制される。
 なお、素地鋼材とめっき層との界面粗さRaの測定方法は、後述する通りである。
 素地鋼材は、プレめっきされたプレめっき鋼材でもよい。プレめっき鋼材は、例えば、電解処理方法または置換めっき方法により得られる。電解処理方法では、種々のプレめっき成分の金属イオンを含む硫酸浴又は塩化物浴に、素地鋼材を浸漬して電解処理することにより、プレめっき鋼材が得られる。置換めっき方法では、種々のプレめっき成分の金属イオンを含み、硫酸でpH調整した水溶液に、素地鋼材を浸漬して、金属を置換析出させて、プレめっき鋼材が得られる。
 プレめっき鋼材としては、プレNiめっき鋼材が代表例として挙げられる。
(めっき層)
 めっき層は、Zn-Al-Mg合金層を含む。めっき層は、Zn-Al-Mg合金層に加え、Al-Fe合金層を含んでもよい。Al-Fe合金層は、素地鋼材とZn-Al-Mg合金層との間に配される。
 つまり、めっき層は、Zn-Al-Mg合金層の単層構造であってもよく、Zn-Al-Mg合金層とAl-Fe合金層とを含む積層構造であってもよい。積層構造の場合、Zn-Al-Mg合金層は、めっき層の表面を構成する層とすることがよい。
 ただし、めっき層の表面にめっき層構成元素の酸化被膜が50nm程度形成されていることもあるが、めっき層全体の厚さ(8~60μm程度)に対して薄くめっき層の主体を構成していないと見なす。
 めっき層の付着量は、片面あたり40~300g/mが好ましい。
 めっき層の付着量を40g/m以上にすると、より確実に耐食性が確保できる。また、めっき層の付着量を300g/m以下にすると、めっき層の垂れ模様等の外観不良が抑制できる。
 次に、めっき層の化学組成について説明する。
 めっき層の化学組成は、質量%で、
 Zn:65.00%超、
 Al:5.00%超~25.00%未満、
 Mg:3.00%超~12.50%未満、
 Sn:0%~3.00%、
 Bi:0%~5.00%未満、
 In:0%~2.00%未満、
 Ca:0%~3.00%、
 Y :0%~0.50%、
 La:0%~0.50%未満、
 Ce:0%~0.50%未満、
 Si:0%~2.50%未満、
 Cr:0%~0.25%未満、
 Ti:0%~0.25%未満、
 Zr:0%~0.25%未満、
 Mo:0%~0.25%未満、
 W :0%~0.25%未満、
 Ag:0%~0.25%未満、
 P :0%~0.25%未満、
 Ni:0%~0.25%未満、
 Co:0%~0.25%未満、
 V :0%~0.25%未満、
 Nb:0%~0.25%未満、
 Cu:0%~0.25%未満、
 Mn:0%~0.25%未満、
 Li:0%~0.25%未満、
 Na:0%~0.25%未満、
 K :0%~0.25%未満、
 Fe:0%~5.00%、
 Sr:0%~0.50%未満、
 Sb:0%~0.50%未満、
 Pb:0%~0.50%未満、
 B :0%~0.50%未満、及び
 不純物からなる化学組成とする。
 めっき層の化学組成において、Sn、Bi、In、Ca、Y、La、Ce、Si、Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、Na、
K、Fe、Sr、Sb、Pb、及びBは、任意成分である。つまり、これら元素は、めっき層中に含まなくてもよい。これら任意成分を含む場合、任意元素の各含有量は、後述する範囲が好ましい。
 ここで、このめっき層の化学組成は、めっき層全体の平均化学組成(めっき層がZn-Al-Mg合金層の単層構造の場合、Zn-Al-Mg合金層の平均化学組成、めっき層がAl-Fe合金層及びZn-Al-Mg合金層の積層構造の場合、Al-Fe合金層及びZn-Al-Mg合金層の合計の平均化学組成)である。
 以下、めっき層の各元素について説明する。
 Zn:65.00%超
 Znは、耐食性を得るために必要な元素である。Zn濃度は、原子組成比で考慮した場合、Al、Mg等の低比重の元素と共に構成されるめっき層であるので、原子組成比率でもZn主体とする必要がある。
 よって、Zn濃度は、65.00%超とする。Zn濃度は、70.00%以上が好ましい。なお、Zn濃度の上限は、Znを除く元素及び不純物以外の残部となる濃度である。
 Al:5.00%超~25.00%未満
 Alは、Al晶を形成し、耐食性を確保するために必須の元素である。そして、Alは、めっき層の密着性を高め、加工性を確保するためにも、必須の元素である。よって、Al濃度の下限値は、5.00%超え(好ましくは10.00%以上)とする。
 一方、Al濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、Al濃度の上限値は、25.00%未満(好ましくは23.00%以下)とする。
 Mg:3.00%超~12.50%未満
 Mgは、耐食性を確保するために必須の元素である。よって、Mg濃度の下限値は、3.0%超え(好ましくは4.00%超え)とする。
 一方、Mg濃度が増加し過ぎると、加工性が劣化する傾向となる。よって、Mg濃度の上限は、12.50%未満(好ましくは10.00%以下)とする。
 Sn:0~3.00%
 Snは、耐食性及び耐初期変色性に寄与する元素である。よって、Sn濃度の下限値は、0.00%超え(好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上)が好ましい。
 一方、Sn濃度が増加し過ぎると、耐食性及び耐初期変色性が劣化する傾向となる。よって、Sn濃度の上限値は3.00%以下とする。
 Bi:0%~5.00%未満
 Biは、耐食性に寄与する元素である。よって、Bi濃度の下限値は、0.00%超え(好ましくは0.10%以上、より好ましくは3.00%以上)が好ましい。
 一方、Bi濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、Bi濃度の上限値は5.00%未満(好ましくは4.80%以下)とする。
 In:0%~2.00%未満
 Inは、耐食性に寄与する元素である。よって、In濃度の下限値は、0.00%超え(好ましくは0.10%以上、より好ましくは1.00%以上)が好ましい。
 一方、In濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、In濃度の上限値は2.00%未満(好ましくは1.80%以下)とする。
 Ca:0%~3.00%
 Caは、耐食性を付与するのに最適なMg溶出量を調整することができる元素である。よって、Ca濃度の下限値は、0.00%超え(好ましくは0.05%以上)が好ましい。
 一方、Ca濃度が増加し過ぎると、耐食性および加工性が劣化する傾向となる。よって、Ca濃度の上限値は3.00%以下(好ましくは1.00%以下)とする。
 Y :0%~0.50%
 Yは、耐食性に寄与する元素である。よって、Y濃度の下限値は、0.00%超え(好ましくは0.10%以上)が好ましい。
 一方、Y濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、Y濃度の上限値は0.50%以下(好ましくは0.30%以下)とする。
 LaおよびCe:0%~0.50%未満
 LaおよびCeは、耐食性に寄与する元素である。よって、La濃度およびCe濃度の下限値は、各々、0.00%超え(好ましくは0.10%以上)が好ましい。
 一方、La濃度およびCe濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、La濃度およびCe濃度の上限値は、各々、0.50%未満(好ましくは0.40%以下)とする。
 Si:0%~2.50%未満
 Siは、Al-Fe合金層の成長を抑制して耐食性向上に寄与する元素である。よって、Si濃度は0.00%超え(好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上)が好ましい。特に、Snを含まない場合(つまり、Sn濃度が0%である場合)、耐食性の確保の観点から、Si濃度は0.10%以上(好ましくは0.20%以上)が好ましい。
 一方、Si濃度が増加し過ぎると、耐食性および加工性が劣化する傾向となる。よって、Si濃度の上限値は、2.50%未満とする。特に、耐食性の観点からは、Si濃度は、好ましくは2.40%以下、より好ましくは1.80%以下、さらに好ましくは1.20%以下である。
 Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、Na、およびK:0%~0.25%未満
 Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、NaおよびKは、耐食性に寄与する元素である。よって、Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、NaおよびKの濃度の下限値は、各々、0.00%超え(好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上)が好ましい。
 一方、Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、NaおよびKの濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、Na、およびKの濃度の上限値は、各々、0.25%未満とする。Cr、Ti、Zr、Mo、W、Ag、P、Ni、Co、V、Nb、Cu、Mn、Li、Na、およびKの濃度の上限値は、好ましくは0.22%以下である。
 Fe:0%~5.00%
 溶融めっき法によって、めっき層を形成する場合、Zn-Al-Mg合金層およびAl-Fe合金層に一定のFe濃度が含有される。
 Fe濃度が5.00%までは、めっき層(特にZn-Al-Mg合金層)に含まれても性能に悪影響がないことが確認されている。Feの多くは、Al-Fe合金層に含まれていることが多いため、この層の厚さが大きいと一般的にFe濃度は大きくなる。
 Sr、Sb、PbおよびB:0%~0.50%未満
 Sr、Sb、PbおよびBは、耐食性に寄与する元素である。よって、Sr、Sb、PbおよびBの濃度の下限値は、各々、0.00%超え(好ましくは0.05%以上、より好ましくは0.10%以上)が好ましい。
 一方、Sr、Sb、PbおよびBの濃度が増加し過ぎると、耐食性が劣化する傾向となる。よって、Sr、Sb、PbおよびBの濃度の上限値は、各々、0.50%未満とする。
 不純物
 不純物は、原材料に含まれる成分、または、製造の工程で混入する成分であって、意図的に含有させたものではない成分を指す。例えば、めっき層には、素地鋼材とめっき浴との相互の原子拡散によって、不純物として、Fe以外の成分も微量混入することがある。
 めっき層の化学成分は、次の方法により測定する。
 まず、素地鋼材の腐食を抑制するインヒビターを含有した酸でめっき層を剥離溶解した酸液を得る。次に、得られた酸液をICP分析で測定することで、めっき層の化学組成(めっき層がZn-Al-Mg合金層の単層構造の場合、Zn-Al-Mg合金層の化学組成、めっき層がAl-Fe合金層及びZn-Al-Mg合金層の積層構造の場合、Al-Fe合金層及びZn-Al-Mg合金層の合計の化学組成)を得ることができる。酸種は、めっき層を溶解できる酸であれば、特に制限はない。なお、化学組成は、平均化学組成として測定される。なお、ICP分析でZn濃度は、「式:Zn濃度=100%-他の元素濃度(%)」で求める。
 ここで、素地鋼材として、プレめっき鋼材を用いた場合、そのプレめっきの成分も検出される。
 例えば、プレNiめっき鋼材を用いた場合、ICP分析では、めっき層中のNiだけでなく、プレNiめっき中のNiも検出される。具体的には、例えば、Ni付着量が1g/m~3g/m(厚さ0.1~0.3μm程度)のプレめっき鋼材を素地鋼材として使用したとき、仮にめっき層に含まれるNi濃度が0%であっても、ICP分析で測定するとNi濃度が0.1~15%として検出される。
 ここで、素地鋼材がプレNiめっき鋼材か否かを判別する方法は、次の通りである。
 対象となる鋼材から、めっき層の厚さ方向に沿って切断した断面が測定面となる試料を採取する。
 試料の測定面に対して、電子線マイクロアナライザ(Electron Probe MicroAnalyser:FE-EPMA)により、鋼材におけるめっき層と素地鋼材との界面付近を線分析し、Ni濃度を測定する。測定条件は、加速電圧15kV、ビーム径100nm程度、1点あたりの照射時間1000ms、測定ピッチ60nmである。なお、測定距離は、鋼材におけるめっき層と素地鋼材との界面でNi濃度が濃化しているか否かが確認できる距離であればよい。
 そして、鋼材におけるめっき層と素地鋼材との界面で、Ni濃度が濃化していれば、素地鋼材がプレNiめっき鋼材と判別する。
 また、素地鋼材として、プレNiめっき鋼材を用いた場合、めっき層のNi濃度は、次の通り測定された値と定義する。
 まず、高周波グロー放電発光表面分析装置(GDS:堀場製作所製、型番:GD-Profiler2)で、Ni濃度が異なる3種類以上の標準試料(BAS製Zn合金標準試料 IMN ZH1、ZH2、ZH4)に対してNiの発光強度を測定する。得られたNiの発光強度と標準試のNi濃度との関係から、検量線を作製する。
 次に、高周波グロー放電発光表面分析装置(GDS:堀場製作所製、型番:GD-Profiler2)により、測定対象のめっき鋼材のめっき層の膜厚1/2位置におけるNiの発光強度を測定する。得られたNiの発光強度と作成した検量線から、めっき層1/2位置でのNi濃度を求める。得られためっき層1/2位置でのNi濃度を、めっき層のNi濃度と定義する。
 そして、素地鋼材として、プレNiめっき鋼材を用いた場合、めっき層のZn濃度は、下記式から算出されるZn濃度と定義する。
 式:Zn濃度=100-(ICP分析で求めたZn及びNi以外の元素濃度+GDSで求めたNI濃度)
 なお、高周波グロー放電発光表面分析装置の測定条件は、次の通りとする。
・H.V.:630V
・アノード径:φ4mm
・ガス:Ar
・ガス圧力:600Pa
・出力:35W
 次にAl-Fe合金層について説明する。
 Al-Fe合金層は、素地鋼材表面(具体的には、素地鋼材とZn-Al-Mg合金層との間)に形成されることがあり、組織としてAlFe相が主相の層である。Al-Fe合金層は、素地鋼材およびめっき浴の相互の原子拡散によって形成する。本開示の鋼材は、溶融めっき法によりめっき層を形成するので、Al元素を含有するめっき層では、Al-Fe合金層が形成され易い。めっき浴中に一定濃度以上のAlが含有されるので、AlFe相が最も多く形成する。しかし、原子拡散には時間がかかり、また、素地鋼材に近い部分では、Fe濃度が高くなる部分もある。そのため、Al-Fe合金層は、部分的には、AlFe相、AlFe相、AlFe相などが少量含まれる場合もある。また、めっき浴中にZnも一定濃度含まれるので、Al-Fe合金層には、Znも少量含有される。
 AlFe相、AlFe相、AlFe相、およびAlFe相の耐食性は、いずれの相であっても大差がない。ここでいう耐食性とは、溶接の影響を受けない部分での耐食性である。
 ここで、めっき層中にSiを含有する場合、Siは、特にAl-Fe合金層中に取り込まれ易く、Al-Fe-Si金属間化合物相となることがある。同定される金属間化合物相としては、AlFeSi相があり、異性体として、α、β、q1,q2-AlFeSi相等が存在する。そのため、Al-Fe合金層は、これらAlFeSi相等が検出されることがある。これらAlFeSi相等を含むAl-Fe合金層をAl-Fe-Si合金層とも称する。
 なお、Al-Fe-Si合金層もZn-Al-Mg合金層に対し、厚さは小さいため、めっき層全体における耐食性において与える影響は小さい。
 また、素地鋼材に各種プレめっき鋼材を使用した場合、プレめっきの付着量により、Al-Fe合金層の構造が変化することがある。具体的には、Al-Fe合金層周囲に、プレめっきに用いた純金属層が残存する場合、Zn-Al-Mg合金層の構成成分とプレめっき成分が結合した金属間化合物相(例えば、AlNi相等)が合金層を形成する場合、Al原子およびFe原子の一部が置換したAl-Fe合金層を形成する場合、または、Al原子、Fe原子およびSi原子の一部が置換したAl-Fe-Si合金層を形成する場合等がある。
 つまり、Al-Fe合金層とは、AlFe相を主体とする合金層以外に、上記種々の態様の合金層を包含する層である。
 なお、各種プレめっき鋼材のうち、プレNiめっき鋼材にめっき層を形成した場合、Al-Fe合金層として、Al-Ni-Fe合金層が形成されることになる。
 Al-Fe合金層の厚さは、例えば、0μm以上7μm以下である。
 Al-Fe合金層の厚さは、めっき層(具体的にはZn-Al-Mg合金層)の密着性を高め、耐食性および加工性を確保する観点から、0.05μm以上5μm以下が好ましい。
 通常、Al-Fe合金層よりもZn-Al-Mg合金層の厚さの方が厚いため、Al-Fe合金層のめっき鋼材としての耐食性への寄与は、Zn-Al-Mg合金層と比較すると小さい。しかし、Al-Fe合金層には、成分分析結果から推測されるように耐食性元素であるAlおよびZnを一定濃度以上含有する。そのため、Al-Fe合金層は、素地鋼材に対してある程度の耐食性を有している。
 また、溶融めっき法により本開示で規定する化学組成のめっき層を形成すると、素地鋼材とZn-Al-Mg合金層との間に、100nm以上のAl-Fe合金層が形成されることが多い。
 耐食性の観点からは、Al-Fe合金層は厚いほど好ましい。よって、Al-Fe合金層の厚さは、好ましくは0.05μm以上である。しかしながら、厚いAl-Fe合金層は著しく加工性を劣化させる原因となるから、Al-Fe合金層の厚さは7μm以下が好ましい。Al-Fe合金層の厚さが7μm以下であると、Al-Fe合金層を起点に発生するクラック及びパウダリング量が減少し、加工性が向上する。Al-Fe合金層の厚さは、さらに好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは2μm以下である。
 Al-Fe合金層の厚さは、次の通り測定する。
 試料を樹脂埋め込み後、研磨してめっき層断面(めっき層の厚さ方向に沿った切断面)のSEMの反射電子像(ただし、倍率10000倍、視野の大きさ:縦50μm×横200μmで、Al-Fe合金層が視認される視野とする。)において、同定されたAl-Fe合金層の任意の5箇所について、厚さを測定する。そして、5箇所の算術平均をAl-Fe合金層の厚さとする。
 なお、めっき層の厚さに関しても上記断面SEMの反射電子像(ただし、倍率500倍、視野の大きさ:縦198μm×横244μmで、めっき層全体が視認される視野とする。)において、任意の5箇所について厚さを測定する。そして、5箇所の算術平均をめっき層の厚さとする。
(めっき鋼材の特性)
-Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値-
 めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、前記Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn三元共晶が存在し、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が100~300mm/mmである。
 Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が100mm/mm未満であると、局所的な腐食の原因となるZn/Al/MgZn三元共晶が粗大化し、耐食性が劣化する。特に、水が溜まりやすい環境で使用すると、めっき層中のZn/Al/MgZn三元共晶が局所的に腐食し、腐食が早期に地鉄まで至る。加えて、めっき鋼材を加工したとき、Zn/Al/MgZn三元共晶が緩衝材として機能せず、金属間化合物相が割れて、めっき層が剥離し易くなり、加工性が劣位となる。
 Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が300mm/mmを超えると、Zn/Al/MgZn三元共晶が微細化し過ぎるため、めっき鋼材を加工したとき、Zn/Al/MgZn三元共晶が緩衝材として機能せず、金属間化合物相が割れて、めっき層が剥離し易くなり、加工性が劣位となる。
 よって、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値は、100~300mm/mmとする。Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値は、105~290mm/mmが好ましく、110~280mm/mmがより好ましい。
 Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn三元共晶の面積分率は特に限定されないが、加工性及び耐食性の観点から、10~50%が好ましく、13~45%がより好ましい。
 Zn/Al/MgZn三元共晶以外の残部組織としては、Al晶、MgZn相などが挙げられる。
 ここで、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値、およびZn/Al/MgZn三元共晶の面積分率の測定方法について説明する。
 Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値、およびZn/Al/MgZn三元共晶の面積分率は、めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、Zn-Al-Mg合金層の反射電子像を利用して測定される。具体的には、次の通りである。
 まず、測定対象となる、めっき鋼材から試料を採取する。ただし、試料は、めっき鋼材の打ち抜き端面部近傍(端面から2mm)以外で、めっき層の欠陥部がない場所から採取する。
 次に、試料のめっき層(実質的にはZn-Al-Mg合金層)の表面を、めっき層の厚み方向(以下「Z軸方向」とも称する)に研磨する。
 具体的には、めっき層の表面を、#1200番手の研磨シートで乾式研磨した後、平均粒径3μmのアルミナを含む仕上げ液、平均粒径1μmのアルミナを含む仕上げ液、コロイダルシリカを含む仕上げ液をそれぞれ、この順に用いて仕上げ研磨する。
 なお、研磨前後で、めっき層の表面のZn強度をXRF(蛍光X線分析)で測定し、研磨後のZn強度が研磨前のZn強度の1/2となったときを、めっき層の層厚の1/2とする。めっき層の層厚1/2以上をZn-Al-Mg合金層が占めるので、めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した研磨面は、Zn-Al-Mg合金層の研磨面となる。そのため、当該研磨面を解析することで、Zn-Al-Mg合金層に含まれる金属組織を把握することができる。
 次に、研磨面を走査型電子顕微鏡(SEM)により倍率100倍で観察し、反射電子像(以下「SEMの反射電子像」とも称する)を得る。SEM観察条件は、加速電圧:15kV、照射電流:10nA、視野の大きさ:1000μm×800μmとする。
 三谷商事製WinROOF2015(画像解析ソフト)の2つのしきい値による2値処理機能を用いて、SEMの反射電子像(8bitで保存されたグレースケール画像、256色表示)において、Zn/Al/MgZn三元共晶を識別する。なお、8bitで保存されたグレースケール画像では、光度が0のときは黒、最大値255のときは白を表す。通常、原子番号が小さいAl量、Mg量の含有量が多い相ほど黒色を呈し、Zn量が多い相ほど白色を呈する傾向がある。そして、めっき層の組織の内、もっとも白く呈する組織がZn/Al/MgZn三元共晶である(図1(A)参照))。
 SEMの反射電子像の場合、光度のしきい値として160と215とを設定すると、Z
n/Al/MgZn三元共晶が精度よく識別されることが、FE-SEM又はTEMによる同定結果から判明している。そこで、これらの光度160~215の範囲が色変わりするよう画像を処理し、Zn/Al/MgZn三元共晶を識別する(図1(B)参照)。
 次に、三谷商事製WinROOF2015(画像解析ソフト)の自動形状特徴測定機能を用いて、上記画像処理により識別されたZn/Al/MgZn三元共晶の周囲長さを累計し、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さを求める。そして、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さを視野の面積で除して、単位面積(mm)当たりのZn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さを算出する。
 この操作を3視野で実施し、単位面積(mm)当たりのZn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長の算術平均を「Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値」とする。
 また、Zn/Al/MgZn三元共晶の面積分率についても、三谷商事製WinROOF2015(画像解析ソフト)の自動形状特徴測定機能を用いて求めることができる。具体的には、上記Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、2値化して識別されたZn/Al/MgZn三元共晶の面積分率(視野面積に対する面積分率)を、本機能を用いて算出する。そして、この操作を3視野で実施し、その算術平均を「Zn/Al/MgZn三元共晶」の面積分率とする。
(めっき鋼材の製造方法)
 以下、本開示のめっき鋼材の製造方法の一例について説明する。
 本開示のめっき鋼材は、素地鋼材(素地鋼板など)の表面(つまり、片面又は両面)に溶融めっき法により、上記所定の化学組成および金属組織を有するめっき層を形成することで得られる。
 具体的には、一例として、次の条件で溶融めっき処理を行う。
 例えば、被めっき処理面の表面粗さRaが0.3~2.0μmの素地鋼材を、めっき浴に浸漬して、めっき浴から引き上げた後、450~395℃の温度域を平均冷却速度5~20℃/sで冷却する。
 次に、395~340℃の温度域を平均冷却速度3℃/s以下で冷却する。
 次に、340~280℃の温度域を平均冷却速度10~20℃/sで冷却する。
 ここで、めっきは、例えば、ゼンジミア法のような連続式溶融金属めっき法を実施する。
 素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRaを0.3μm以上とすることで、めっき層の組織の凝固核が形成され易くなるため、Al初晶等が密に晶出する。それにより、Zn/Al/MgZn三元共晶が微細分散し、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値を上記範囲に制御できる。
 ただし、素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRaが2.0μmを超えると、めっきの濡れ性が悪く、不めっきになりやすい。
 素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRaは、JIS B 0633:2001に準拠して次の通り測定される。めっき前の素地鋼材の被めっき処理面に対して、接触式表面粗度計で、任意の90°を成す2方向についてそれぞれ10mm長さでの平均表面粗さを3回ずつ測定する。得られた平均表面粗さの測定値(2方向×3回の計6測定値)の算術平均値を算出する。この算術平均値を素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRaとする。
 素地鋼材とめっき層との界面粗さRaを測定する場合、まず、めっき鋼材からめっき層を、インヒビターを添加した塩酸で溶解することにより除去する。その後、めっき層が除去された側の素地鋼材の表面を、上記と同様な方法で測定および平均値算出する。これを素地鋼材とめっき層との界面粗さRaとする。
 本開示では、めっき鋼材における(すなわち、めっき後の)素地鋼材とめっき層との界面粗さRaと、めっき前の素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRaとは、おおむね一致する。すなわち、被めっき処理面の表面粗さRaが0.3~2.0μmの素地鋼材を用いることで、得られるめっき鋼材における素地鋼材とめっき層との界面粗さRaは0.3~2.0μmとすることができる。
 ここで、めっき層は、Al初晶、Al/MgZn相、Al初晶の周囲に晶出するMgZn包晶、Zn/Al/MgZn三元共晶の順に凝固する。
 そのため、450~395℃の温度域を平均冷却速度5℃/s以上で冷却することで、Al初晶、及びAl/MgZn相を微細に分散させる。そして、395~340℃の温度域を平均冷却速度3℃/s以下で冷却することで、Al初晶の周囲にMgZn包晶を確実に晶出させる。それにより、Zn/Al/MgZn三元共晶を微細化することができる。
 ただし、450~395℃の温度域での平均冷却速度が20℃/sを超えると、Al初晶、及びAl/MgZn相が微細晶出しすぎて、Zn/Al/MgZn三元共晶も過度に微細化する。そうすると、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が上記範囲を上回ってしまう。
 次に、340~280℃の温度域を平均冷却速度10~20℃/sで冷却することで、Zn/Al/MgZn三元共晶が微細化される。それにより、Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が上記範囲に制御される。
 以下、本開示のめっき鋼材に適用できる後処理について説明する。
 本開示のめっき鋼材は、めっき層上に皮膜を形成してもよい。皮膜は、1層または2層以上を形成することができる。めっき層直上の皮膜の種類としては、例えば、クロメート皮膜、りん酸塩皮膜、クロメートフリー皮膜が挙げられる。これら皮膜を形成する、クロメート処理、りん酸塩処理、クロメートフリー処理は既知の方法で行うことができる。
 クロメート処理には、電解によってクロメート皮膜を形成する電解クロメート処理、素材との反応を利用して皮膜を形成させ、その後余分な処理液を洗い流す反応型クロメート処理、処理液を被塗物に塗布し水洗することなく乾燥して皮膜を形成させる塗布型クロメート処理がある。いずれの処理を採用してもよい。
 電解クロメート処理としては、クロム酸、シリカゾル、樹脂(アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、酢酸ビニルアクリルエマルション、カルボキシル化スチレンブタジエンラテックス、ジイソプロパノールアミン変性エポキシ樹脂等)、および硬質シリカを使用する電解クロメート処理を例示することができる。
 りん酸塩処理としては、例えば、りん酸亜鉛処理、りん酸亜鉛カルシウム処理、りん酸マンガン処理を例示することができる。
 クロメートフリー処理は、特に、環境に負荷がなく好適である。クロメートフリー処理には、電解によってクロメートフリー皮膜を形成する電解型クロメートフリー処理、素材との反応を利用して皮膜を形成させ、その後、余分な処理液を洗い流す反応型クロメートフリー処理、処理液を被塗物に塗布し水洗することなく乾燥して皮膜を形成させる塗布型クロメートフリー処理がある。いずれの処理を採用してもよい。
 さらに、めっき層直上の皮膜の上に、有機樹脂皮膜を1層もしくは2層以上有してもよい。有機樹脂としては、特定の種類に限定されず、例えば、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂、又はこれらの樹脂の変性体等を挙げられる。ここで変性体とは、これらの樹脂の構造中に含まれる反応性官能基に、その官能基と反応し得る官能基を構造中に含む他の化合物(モノマーや架橋剤など)を反応させた樹脂のことを指す。
 このような有機樹脂としては、1種又は2種以上の有機樹脂(変性していないもの)を混合して用いてもよいし、少なくとも1種の有機樹脂の存在下で、少なくとも1種のその他の有機樹脂を変性することによって得られる有機樹脂を1種又は2種以上混合して用いてもよい。また有機樹脂皮膜中には任意の着色顔料や防錆顔料を含んでもよい。水に溶解又は分散することで水系化したものも使用することができる。
(実施例)
 表1~表2に示す化学組成のめっき層が得られるように、所定量の純金属インゴットを使用して、大気中でめっき浴を建浴した。めっき鋼板の作製には、溶融めっきシミュレータを使用した。
 素地鋼材としては、板厚2.3mmの一般材熱延鋼板(C濃度<0.1%未満)を使用し、ブラシ研磨し、めっき工程直前に、脱脂、酸洗を実施した。素地鋼材の被めっき処理面の表面粗さRa(表中「表面粗さRa」と表記)は、表1~表2に示す通りであった、
 また、いくつかの例では、素地鋼材として、さらにプレNiめっきを施したプレNiめっき鋼材を使用した。Ni付着量は1g/m~3g/mとした。なお、素地鋼材として、プレNiめっき鋼材を使用した例は、表中の「素地鋼材」の欄に「プレNi」と表記した。
 素地鋼材の被めっき処理面の裏面には、めっき鋼板作成プロセスにおける鋼材の温度をモニタするため、接触型K熱電対を取り付けた。
 いずれのサンプル作製においても、素地鋼材について、めっき浴浸漬前に同等の還元処理方法を実施した。すなわち、素地鋼材をN-H(5%)(露点-40℃以下、酸素濃度25ppm未満)環境下、室温から800℃までを通電加熱で昇温し、60秒保持した後、Nガス吹き付けにて、めっき浴温+10℃まで冷却し、直ちにめっき浴に浸漬した。
 なお、いずれのめっき鋼板も、めっき浴温は500℃を基本とし、一部の水準でさらに温度を上げためっき浴温度とした。めっき浴への浸漬時間は表中の時間(2秒)とした。Nガスワイピング圧力を調整し、めっき厚みが30μm(±1μm)となるように調整した。
 そして、素地鋼材をめっき浴から引き上げ後、表1~表2に示す下記1~3段目の平均冷却速度を表1~表2に示す条件とする冷却プロセスでめっき層を得た。
・1段目平均冷却速度:450~395℃の温度域を平均冷却速度
・2段目平均冷却速度:395~340℃の温度域を平均冷却速度
・3段目平均冷却速度:340~280℃の温度域を平均冷却速度
 なお、冷却プロセスでは、めっき後の鋼材にNガスを吹き付けることにより、鋼材を冷却した。このとき、上記温度域で所定の冷却速度になるよう、Nガスの吹き付け量を調整しながら冷却した。
-各種の測定-
 得られためっき鋼板から試料を切り出した。そして、既述の方法にしたがって、下記事項を測定した。
・Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値(表中「三元共晶の周囲長」と表記)
・Zn/Al/MgZn三元共晶の面積分率(表中「三元共晶の面積分率」と表記)
・Al-Fe合金層の厚さ(ただし、素地鋼材としてプレNiめっき鋼板を使用した例では、Al-Ni-Fe合金層の厚さを示す。)
-加工性-
 得られためっき鋼板から試料を切り出した。そして、試料を1T曲げ加工後、加工部をテープ剥離し、テープに付着しためっき層の面積率を評価した。付着しためっき層の面積率が5%以下を「A」、5%超を「NG」と評価した。
-耐食性-
 得られためっき鋼板から試料を切り出した。そして、試料を平置きにして、腐食促進試験(JASO M609-91)に準拠した複合サイクル腐食試験(CCT)を21サイクル実施した。腐食試験実施後、腐食減量が35g/m以下の場合を「A」と評価し、35g/m超を「NG」と評価した。
 実施例について表1~表2に一覧にして示す。
 上記結果から、本開示のめっき鋼材に該当する実施例は、比較例に比べ、加工性と共に、水が溜まりやすい環境で使用しても耐食性に優れることがわかる。
 試験No.95では不めっきが多発して外観のばらつきが大きかったため、三元共晶の
周囲長及び面積分率を測定しなかった。
 以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態及び実施例について詳細に説明したが、本開示はかかる例に限定されない。本開示の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
 なお、日本国特許出願第2022-044295号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
 本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (4)

  1.  素地鋼材と、前記素地鋼材の表面に配されたZn-Al-Mg合金層を含むめっき層と、を有するめっき鋼材であって、
     前記めっき層が、質量%で、
     Zn:65.00%超、
     Al:5.00%超~25.00%未満、
     Mg:3.00%超~12.50%未満、
     Sn:0%~3.00%、
     Bi:0%~5.00%未満、
     In:0%~2.00%未満、
     Ca:0%~3.00%、
     Y :0%~0.50%、
     La:0%~0.50%未満、
     Ce:0%~0.50%未満、
     Si:0%~2.50%未満、
     Cr:0%~0.25%未満、
     Ti:0%~0.25%未満、
     Zr:0%~0.25%未満、
     Mo:0%~0.25%未満、
     W :0%~0.25%未満、
     Ag:0%~0.25%未満、
     P :0%~0.25%未満、
     Ni:0%~0.25%未満、
     Co:0%~0.25%未満、
     V :0%~0.25%未満、
     Nb:0%~0.25%未満、
     Cu:0%~0.25%未満、
     Mn:0%~0.25%未満、
     Li:0%~0.25%未満、
     Na:0%~0.25%未満、
     K :0%~0.25%未満、
     Fe:0%~5.00%、
     Sr:0%~0.50%未満、
     Sb:0%~0.50%未満、
     Pb:0%~0.50%未満、
     B :0%~0.50%未満、及び
     不純物からなる化学組成を有し、
     前記めっき層の表面を層厚の1/2まで研磨した後、走査型電子顕微鏡により倍率100倍で観察したときに得られる、前記Zn-Al-Mg合金層の反射電子像において、Zn/Al/MgZn三元共晶が存在し、前記Zn/Al/MgZn三元共晶の累計周囲長さの平均値が100~300mm/mmであるめっき鋼材。
  2.  前記めっき層が、前記素地鋼材と前記Zn-Al-Mg合金層との間に、Al-Fe合金層を含む請求項1に記載のめっき鋼材。
  3.  前記素地鋼材と前記めっき層との界面粗さRaが0.3~2.0μmである請求項1又は請求項2に記載のめっき鋼材。
  4.  被めっき処理面の表面粗さRaが0.3~2.0μmの素地鋼材を、めっき浴に浸漬して、前記めっき浴から引き上げた後、
     450~395℃の温度域を平均冷却速度5~20℃/sで冷却し、
     395~340℃の温度域を平均冷却速度3℃/s以下で冷却し、
     340~280℃の温度域を平均冷却速度10~20℃/sで冷却する、
     請求項1又は請求項2に記載のめっき鋼材の製造方法。
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JP2013014794A (ja) * 2011-06-30 2013-01-24 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp 外観均一性に優れた高耐食性溶融亜鉛めっき鋼板
JP2018506644A (ja) * 2014-12-24 2018-03-08 ポスコPosco 溶接性及び加工部耐食性に優れた亜鉛合金めっき鋼材及びその製造方法
WO2018139619A1 (ja) * 2017-01-27 2018-08-02 新日鐵住金株式会社 めっき鋼材

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