Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板とその製造方法および製造装置
【課題】設備寿命の大幅な短縮や生産性の低下、および大幅なコストアップを招くこと無く、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を得る。
【解決手段】めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成する。これにより、めっき層中のＳｉ粒子を微細化して、Ｓｉ粒子に起因して発生するクラックを微細化することができる。さらに、金属組織を微細化して、Ｚｎリッチ相の層数を増やして、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果を長期にわたって発揮させることができる。
【解決手段】めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成する。これにより、めっき層中のＳｉ粒子を微細化して、Ｓｉ粒子に起因して発生するクラックを微細化することができる。さらに、金属組織を微細化して、Ｚｎリッチ相の層数を増やして、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果を長期にわたって発揮させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工性と耐食性に優れるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板と、その製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板は、Ｚｎめっき鋼板などに比べて耐食性が高く、なかでも、めっき層に５５質量％のＡｌを含む５５％Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板が、壁材や屋根材などの外装材として広く利用されている。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の耐食性が高いのは、Ａｌが被覆防食効果を発揮し、さらにＺｎが犠牲防食効果を発揮するからである。
【０００３】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層は、特段の工夫を施さない限り脆く、曲げ加工等によってクラックが生じる。また、めっき層の表面に形成した塗装膜がクラックによって引き裂かれると、素地鋼板が露出して外観が悪化するうえ、Ａｌによる被覆防食効果が得られない。クラックの周囲にＺｎが存在するうちは、Ｚｎの犠牲防食作用によって、露出した素地鋼板の腐食をある程度抑制できるが、経時とともにＺｎが減耗すると赤錆が生じる。
【０００４】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層が脆いのは、その合金組成と金属組織に起因する。溶融めっきを素地鋼板に付着させて、通常の冷却速度（１００℃／ｓｅｃ以下）で冷却すると、溶融めっきは溶融状態を保ちながら融点以下に過冷され、Ａｌの初晶が樹枝状晶（デンドライト）として晶出する。Ａｌデンドライトは、凝固の第一段階としてＡｌ−Ｓｉ共晶反応、続いて第二段階としてＡｌ−Ｚｎ共晶反応によって成長する。デンドライトの成長は、凝固核から６または８本の一次アームが伸びること、および一次アームから枝分かれした二次、三次アームが伸びることによって進行する。二次および三次アームの間隔は、冷却速度とめっきの合金組成によって決まる。なお、Ａｌデンドライトは肉眼でも確認可能であり、雪の結晶のような模様を呈する。これは一般にスパングル模様と呼ばれ、めっき鋼板に独特の外観を与える。用途によってはこの外観に意匠性があるとされ、整ったスパングル模様が要求される場合もある。
【０００５】
初晶Ａｌの次に、Ｓｉ粒子が共晶として晶出する。このとき、初晶Ａｌから未凝固の液相に向かってＳｉが排出されるため、Ｓｉ粒子の多くはＡｌデンドライトアームの間に晶出する。凝固の最終段階では、Ａｌ−Ｚｎ共晶反応によってＡｌ濃度が高いＡｌリッチ相と、Ｚｎ濃度が高いＺｎリッチ相とに分かれる。以上のように、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層は、Ａｌリッチ相、Ｚｎリッチ相、およびＳｉ粒子の三相からなる。
【０００６】
析出するＳｉ粒子は、１００℃／ｓｅｃ以下の冷却速度においては板状であり、めっき層の厚み方向に分布するが、このＳｉ粒子は脆いことが知られている。一方、Ａｌリッチ相の中には微細なＺｎ粒子が多く析出しているため、Ａｌリッチ相はＳｉ粒子に比べて強靭である。したがって、めっき鋼板の面内に引張荷重を加えた場合、Ａｌリッチ相はほとんど変形せずにＳｉ粒子が脆性破壊し、Ｓｉ粒子はめっき層を分断するようなクラックの起点や伝播経路として働く。このようなメカニズムにより、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を加工する過程でめっき層に多くのクラックが生じる。
【０００７】
上記のようにＳｉ粒子は、クラックの起点や伝播経路となるが、めっき鋼板の加工性を向上するためには、Ｓｉを添加することは必要不可欠である。すなわち、Ａｌの濃度が比較的高い溶融めっきに素地鋼板を浸漬すると、鋼板の表面にＦｅ−Ａｌ化合物が合金層として形成される。この合金層は成長が早く、鋼板を数秒間めっき浴に浸漬した程度であっても、厚い合金層が形成されて、めっき鋼板の加工性が著しく低下する。これを防ぐために、Ｆｅ−Ａｌ化合物の成長を抑える効果をもつＳｉを添加するのである。
【０００８】
Ｓｉ粒子に起因するクラックの発生を軽減するため、従来から幾つかの方法が提案されている。一つは、Ｓｉ粒子を球状化させる元素、例えば特許文献１に記載されるようにＳｒを添加する方法である。Ｓｒを添加して、凝固過程で晶出するＳｉ粒子を球状化すると、Ｓｉ粒子がクラックの起点・伝播経路として働きにくくなるので、クラックの発生を軽減することができる。
【０００９】
他には、ポストアニール方法がある。例えば、特許文献２に記載されるように、コイル状に巻き取っためっき鋼板をバッチ式の加熱炉に挿入し、１００〜３００℃の温度で数時間加熱保持する。この処理によって、Ａｌリッチ相に含まれる微細Ｚｎ粒子のオストワルド成長を促進させて、Ａｌリッチ相を軟質化させる。これによってＳｉ粒子への応力集中が緩和されるので、Ｓｉ粒子に起因するクラックの発生を軽減することができる。同様の内容は特許文献３にも記載されており、そこでは８０〜２３５℃の温度で所定時間以上、めっき鋼板を加熱保持している。
【００１０】
また、本発明に関連して、鋼板表面の溶融めっきにミストを噴霧して４００℃以下になるまで冷却することが、特許文献４に記載されている。具体的には、６００℃から５００℃までの間の冷却速度を１００℃／秒以上、５００℃から４００℃までの間の冷却速度を５０℃／秒以上に設定している。ただし、特許文献４は、スパングル模様の微細化を目的としており、クラック発生の軽減による加工性および耐食性の向上を目的とする本発明とは本質的に異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２８４７１８号公報（段落番号００２３）
【特許文献２】特開２００２−１９４５１９号公報（段落番号００１８〜００１９）
【特許文献３】特開２００３−２１３３９７号公報（段落番号００３７）
【特許文献４】特開２００３−０１３１９３号公報（段落番号００３６〜００３７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１のようにＳｒを添加する方法は、添加量がＳｉに対して僅か（数十ｐｐｍ）であるため大きなコストアップは無いが、ボトムドロスが大量に発生する問題がある。Ｓｒはめっき浴中のＳｉと反応して金属間化合物を形成し、これがめっきポットの底部に大量に堆積する。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造においては、めっき浴の加熱に溝型誘導炉を用いることが多いが、この溝型誘導炉の底部にボトムドロスが堆積すると、流路が閉塞して寿命短縮の大きな要因となる。
【００１３】
特許文献２および３のようにポストアニール処理を行うためには、めっきポット以外にバッチ式の加熱炉が必要であり、その分だけコストが嵩む。また、加熱炉で一度に処理できる量は、多くの場合１００ｔ程度であり、しかも、加熱保持とその前後に行う昇温・炉冷とに長時間を要することから、生産性が大きく低下する。さらに、加熱に都市ガスなどを使用することによるコストアップが避けられない。
【００１４】
本発明の目的は、設備寿命の大幅な短縮や生産性の低下、および大幅なコストアップを招くこと無く、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るめっき鋼板は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板に関する。めっき層が、めっきポットから引き上げられた溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、急速に凝固させて形成してあることを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係るめっき鋼板の製造方法は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法に関する。めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成することを特徴とする。
【００１７】
上記のめっき鋼板の製造方法においては、溶融めっきにおけるＡｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了することが好ましい。
【００１８】
また本発明に係るめっき鋼板の製造装置は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置に関する。前記合金を溶融させた溶融めっきを湛えるめっきポットと、鋼板表面に付着した溶融めっきに対して３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施す急冷設備とを含み、溶融めっきを急速に凝固させることによりめっき層を形成することを特徴とする。
【００１９】
上記のめっき鋼板の製造装置においては、急冷設備を、水をミスト化して噴霧するものとすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成する。これによれば、めっき層中のＳｉ粒子を微細化して、Ｓｉ粒子に起因して発生するクラックを微細化できる。したがって、めっき鋼板を曲げ加工したときに、めっき層の表面に形成した塗装膜がクラックによって引き裂かれるのを軽減して、曲げ加工部の外観を良好に保つことができる。また、クラックを微細化することにより、素地鋼板の露出面積を狭小化して、赤錆の発生量を抑制することができる。
【００２１】
めっき層がＡｌリッチ相、Ｚｎリッチ相、およびＳｉ粒子の三相からなることと、Ａｌリッチ相のデンドライトアームの間を埋めるようにＺｎリッチ相が形成されることは、先に述べた通りである。溶融めっきを急速に凝固させると、金属組織が微細化されて、Ａｌデンドライトのアーム間隔が狭くなり、めっき層の厚み方向でＡｌリッチ相が観察される頻度が高くなる。Ａｌリッチ相の間を埋めるように形成されるＺｎリッチ相もまた、観察される頻度が高くなる。急冷処理を施さない通常の方法で製造しためっき鋼板では、Ｚｎリッチ相は１〜２層程度であるが、急冷処理を施しためっき鋼板では、２〜４層のＺｎリッチ相が形成される。Ｚｎリッチ相の層数が増えると、クラックの周囲にＺｎリッチ相が存在する確率が高くなり、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果が長期にわたって発揮される。したがって、クラックによる素地鋼板の露出部位に赤錆が発生するのを長期にわたって抑制できる。
【００２２】
以上のように、本発明では、クラックの微細化によるめっき鋼板の加工性の向上と、クラックによる素地鋼板の露出部位における耐食性の向上とを、急冷処理を施すことによって実現する。これによれば、特許文献１のＳｒを添加する方法のように、ボトムドロスの発生による溝型誘導炉の寿命短縮を招くことは無い。また急冷処理は、ミストの噴霧などによって低コストかつ短時間で行うことができるので、特許文献２および３のポストアニール処理のように、バッチ式の加熱炉を設ける必要が無く、生産性の低下や大幅なコストアップを招くことも無い。本発明によれば、設備寿命の大幅な短縮や生産性の低下、および大幅なコストアップを招くことが無く、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を得ることができる。
【００２３】
冷却速度を３００℃／ｓｅｃ以上としたのは、冷却速度がこれを下回ると、粗大なＳｉ粒子が晶出してしまい、本発明の効果が得られないためである。冷却速度は３６０℃／ｓｅｃ以上がより好ましい。
【００２４】
Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下になるまで急冷処理を行うと、溶融めっきを一気に凝固させて、めっき層の金属組織をより確実に微細化できる。したがって、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板をより確実に得ることができる。また、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了すると、急冷処理に要するコストを削減できる。Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度を大きく下回るまで急冷処理を行っても、金属組織の微細化の効果が飽和する一方で、急冷処理に要するコストが増大するので好ましくない。
【００２５】
急冷設備が水をミスト化して噴霧するものであると、急冷設備を簡易なものにしてコストを削減することができ、しかも、水の高い蒸発熱を利用して、必要な冷却速度を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る連続溶融めっき設備の概略構成図である。
【図２】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板のめっき層の断面の拡大写真である。
【図３】比較例および実施例に係る、めっき鋼板の曲げ加工度に対するクラックの平均広さを示すグラフである。
【図４】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板の曲げ加工部におけるめっき層の表面の拡大写真である。
【図５】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板の曲げ加工部の表面を湿潤試験後に撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明に係るＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板（以下、単にめっき鋼板と記す。）の製造方法を、図面を参照しながら具体的に説明する。図１に示すように連続溶融めっき設備は、めっき浴を湛えるめっきポット１と、めっきポット１内に設置された金属ロール２と、めっきポット１の上方に設置された一対のガスワイピングノズル３と、ガスワイピングノズル３の上方に設置された急冷設備４と、急冷設備４の上方に設置された強制空冷設備５などで構成される。
【００２８】
連続溶融めっき設備に通板する鋼帯Ｓとしては、酸洗した熱延鋼板、あるいは酸洗後に所定板厚に冷間圧延した冷延鋼板が適用される。鋼帯Ｓは、めっきポット１に浸漬される前に、水素・窒素混合雰囲気の焼鈍炉において加熱されて、所定の材質になるよう熱処理されるとともに、水素による還元作用等で、表面の酸化物や汚れなどが除去される。焼鈍炉を経てめっきポット１に浸漬された鋼帯Ｓは、金属ロール２で上向きに変向される。ガスワイピングノズル３は、めっき浴から立ち上がった直後の鋼帯Ｓにガスを吹き付けて、溶融めっきの付着量を調整する。
【００２９】
ガスワイピングノズル３を通過した鋼帯Ｓは、急冷設備４で急冷処理を施される。急冷処理を開始するタイミングは、めっき浴の温度にも依るが、鋼帯Ｓがガスワイピングノズル３を通過してから２秒、遅くとも５秒以内である必要がある。これよりも開始が遅れると、鋼帯Ｓからの放熱によって鋼帯Ｓの温度が低下してＡｌ−Ｓｉ共晶反応が進み、めっき層中に粗大なＳｉ粒子が晶出してしまうおそれがあるためである。急冷処理を早期に開始できるように、鋼帯Ｓの搬送速度にあわせて、ガスワイピングノズル３から急冷設備４までの距離を設定する。例えば、搬送速度が１３０ｍ／ｍｉｎの場合、ガスワイピングノズル３から急冷設備４までの距離を約１０ｍ以内に設定すると、ガスワイピングノズル３を通過してから５秒以内に急冷処理を開始することができる。
【００３０】
急冷設備４としては、ミスト噴霧装置、気水噴霧装置、金属粒子噴霧装置などを適用できるが、以下では、水をミスト化して噴霧するミスト噴霧装置を例に挙げて説明する。鋼帯Ｓの表面に付着した溶融めっきにミストを噴き付けると、水の蒸発時の吸熱作用によって、溶融めっきと鋼帯Ｓが急速に冷却される。つまり、急冷設備４での溶融めっきおよび鋼帯Ｓからの抜熱量は、急冷設備４で蒸発するミストの潜熱（蒸発熱）の量によって決まる。水の蒸発によって急冷設備４内の露点温度が上昇すると、水の蒸発速度が低下して、鋼帯Ｓの冷却速度が低下するので、これを避けるために水蒸気を排気する必要がある。排気方法としては、外気を急冷設備４内に吹き込むブロワを設置する方法や、急冷設備４内の多湿空気を吸い出すブロワを設置する方法などがあり、これら２つの方法を併用してもよい。
【００３１】
急冷設備４で噴霧されるのは、平均粒子径３０μｍ以下の微小なミストである。ミストの粒子径がこれより大きいと、めっき層の表面に水滴マークと呼ばれる梨地状の表面外観不良が発生するおそれがあるためである。ミスト噴霧装置のノズルとしては、平均粒子径３０μｍ以下を実現できればどのようなノズルを用いても良く、例えば市販の一流体ノズルや二流体ノズルを適用することができる。
【００３２】
急冷設備４で噴霧する単位時間毎の水量は、急冷設備４に入るときの鋼帯Ｓの温度、鋼帯Ｓの寸法（厚さ・幅）、鋼帯Ｓの搬送速度、必要とする冷却速度や冷却後の温度などに基づいて決定する。ミストを過剰に噴霧すると、ミストどうしが衝突して粗大な水粒子が発生しやすくなり、先述の水滴マークが発生する原因となり、また、周辺設備へ水が飛散して故障の原因となるおそれがあるため避けたほうが良い。適切な水量は、急冷設備４の構造によって異なるため、実験によって決定する必要がある。
【００３３】
急冷設備４において鋼帯Ｓを幅方向で均一に冷却するために、幅方向におけるミストの噴霧量のばらつきを１０％以内に調節する。これよりも大きなばらつきが存在すると、鋼帯Ｓ内の熱応力によって鋼帯Ｓの形状が崩れるおそれがある。鋼帯Ｓのエッジ部分まで充分に冷却するために、鋼帯Ｓよりも広い幅でミストを噴霧する。
【００３４】
ミスト噴霧装置のノズルヘッダ４ａは、鋼帯Ｓを両面側から挟むように配置される。このとき、鋼帯Ｓの一側と他側のノズルヘッダ４ａを、鋼帯Ｓに対して対称に配置する必要は無い。特に、鋼帯Ｓのエッジ部分においては、エッジ部分の外方に噴霧されたミストどうしが衝突して粗大な水粒子となり、水滴マークが発生しやすくなる。これを避けるために、ノズルヘッダ４ａを上下に位置ずれした状態で千鳥状に配置するとよい。
【００３５】
急冷設備４で急冷処理を施された鋼帯Ｓは、必要に応じて強制空冷設備５でさらに冷却される。強制空冷設備５は、鋼帯Ｓに風を吹き付けることにより冷却を行うものであり、冷却速度は１０〜１００℃／ｓｅｃ程度である。急冷設備４で充分な冷却を行う場合には、強制空冷設備５は省略しても差し支えない。強制空冷設備５を通過した鋼帯Ｓは、めっき付着量計、スキンパスミル、テンションレベラー、化成処理設備などで各種処理を施された後、コイル状に巻き取られる。
【００３６】
〈実施例１〉 次に、本発明の実施例１を示す。ここでは、焼鈍炉で所定の熱処理を施された鋼帯Ｓをめっきポット１に浸漬し、鋼帯Ｓの表面に溶融めっきを付着させた。次いで、ガスワイピングノズル３でめっきの付着量を調整してから、鋼帯Ｓを急冷設備４に通して急冷処理を施して、その後、先に述べた各種の処理を施してからコイル状に巻き取った。その後、めっき層の表面にアクリル系塗料を塗布して最終製品とした。
【００３７】
めっきポット１のめっき浴は、Ａｌを５５質量％、Ｓｉを１．６質量％含有し、残部がＺｎからなる合金を溶融させて６００℃に保持したものである。この合金の融点は約５８０℃である。鋼帯Ｓの板厚は０．３５ｍｍ、板幅は９１４ｍｍであり、鋼帯Ｓの搬送速度は１３０ｍ／ｍｉｎに設定した。
【００３８】
急冷設備４は、水をミスト化して噴霧するミスト噴霧装置で構成した。このミスト噴霧装置は、最大で５０ｌ／ｍｉｎのミストを噴霧することができる。鋼帯Ｓの一側と他側のノズルヘッダ４ａは、エッジ部分の外方に噴霧されたミストどうしが衝突して粗大な水粒子となるのを避けるため、鋼帯Ｓの搬送方向に１ｍずらして配置してある。ノズルヘッダ４ａの周囲に、外気を急冷設備４内に取り込むためのスリットが設けてあり、このスリットの外側にブロワが設置してある。
【００３９】
急冷設備４は、ガスワイピングノズル３の上方２ｍの位置に設置した。鋼帯Ｓの搬送速度は１３０ｍ／ｍｉｎであるから、鋼帯Ｓはガスワイピングノズル３を通過してから約１秒で急冷設備４に至り、急冷処理を施される。急冷設備４に入る直前の鋼帯Ｓの温度は５７０℃であった。急冷設備４における冷却速度を３６０℃／ｓｅｃに設定し、これに合わせてミストの噴霧量を設定した。鋼帯Ｓは急冷設備４を０．５秒間で通過する。換言すれば、鋼帯Ｓは０．５秒間急冷処理を施される。急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は３９０℃であり、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度である３８０℃とほぼ同等であった。
【００４０】
〈実施例２〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の１２０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は４２０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は３６０℃であった。
【００４１】
〈実施例３〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の８０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は３００℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は４２０℃であった。
【００４２】
〈比較例１〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の６０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は２００℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は４７０℃であった。
【００４３】
〈比較例２〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の２０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は４０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は５５０℃であった。
【００４４】
〈比較例３〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の５％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は２０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は５６０℃であった。
【００４５】
〈比較例４〉 急冷設備４においてミストの噴霧を行わない以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。
【００４６】
実施例１〜３、および比較例１〜４のめっき鋼板の性能を表１に示す。表中の加工性および耐食性は、比較例４のめっき鋼板の性能を基準として、優位差が無ければ△、優れていれば○、さらに優れていれば◎として評価した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
〈金属組織の観察〉
各実施例および比較例のめっき鋼板のめっき層を走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す。）で確認した。具体的には、めっき鋼板を切断して機械研磨し、次いでイオンビームで精密研磨してから、めっき層の断面をＳＥＭで観察した。比較例４および実施例１に係るめっき層の断面のＳＥＭ写真を図２に示す。左側の比較例４に係るＳＥＭ写真において、符号６はＳｉ粒子、符号７はＺｎリッチ相、符号８はＡｌリッチ相を示す。これから明らかなように、比較例４に係るめっき層には粗大なＳｉ粒子が晶出しており、確認できるＺｎリッチ相は、めっき層の厚み方向で１〜２層であった。比較例１〜３も比較例４と同様の結果であった。一方、図２の右側の実施例１に係るＳＥＭ写真には粗大なＳｉ粒子が見られず、また、Ｚｎリッチ相が２〜４層になっていることを確認できた。実施例２、３においても同様の結果を確認することができた。
【００４９】
〈加工性の評価〉 塗料を塗布する前のめっき鋼板を基準線に沿って曲げ加工し、曲げ加工部の表面のめっき層に生じたクラックの広さで、めっき鋼板の加工性を評価した。詳しくは、基準線に直交する長さ１ｍｍの検定線を、３ｍｍ×２ｍｍの視野範囲に５本引き、検定線と交わるクラックの数と広さから、クラックの平均広さを算出した。クラックの観察にはＳＥＭを使用し、これを５視野において行った。また、上記の測定を、曲げ加工度が異なる複数の曲げ加工部において行った。
【００５０】
図３は、実施例１と比較例３のめっき鋼板に関して測定結果をまとめたグラフであり、各曲げ加工度において、実施例１に係るめっき鋼板の方が、クラック平均広さの値が小さくなっている。なお、曲げ加工度に係る０Ｔ〜５Ｔの記号は、曲げ加工部の曲率の大きさを示しており、数字が大きいほど曲率は小さい。また図４は、曲げ加工部におけるめっき層の表面のＳＥＭ写真であり、左側の比較例３よりも、右側の実施例１の方が、クラックが小さかったことを示している。
【００５１】
曲げ加工部で発生するクラックの大きさに関して、比較例１〜３では、ミストを噴霧しない比較例４と比べて改善は見られなかった。一方、実施例１〜３では、各比較例と比べてクラックが小さくなり、実施例１〜３に係るめっき鋼板が加工性に優れることを確認できた。クラックが小さく加工性に優れるのは、めっき層中に脆く粗大なＳｉ粒子が見られない（図２参照）ためであると考えられる。
【００５２】
〈耐食性の評価〉 ここでは、塗装を施して曲げ加工しためっき鋼板に対して湿潤試験を行って、曲げ加工部の耐食性を評価した。詳しくは、めっき鋼板に、曲げ加工度が０Ｔ、２Ｔ、３Ｔ、４Ｔ（図３参照）の４つの曲げ加工部を形成した。湿潤試験の条件はＪＩＳ−Ｋ２２４６に従い、温度５０℃、相対湿度９５％の雰囲気に５００時間曝して、各曲げ加工部における赤錆の発生状況を観察した。図５は、湿潤試験後のめっき鋼板の曲げ加工部における表面の写真であり、左側の比較例４よりも、右側の実施例１の方が、赤錆の発生量が少ないことを確認できる。
【００５３】
湿潤試験後の赤錆の発生量に関して、比較例１〜３では、ミストを噴霧しない比較例４と比べて改善は見られなかった。一方、実施例１〜３では、各比較例と比べて赤錆の発生量が少なくなり、実施例１〜３に係るめっき鋼板が耐食性に優れることを確認できた。耐食性に優れるのは、クラックが小さいため素地鋼板の露出が少なく（図４参照）、さらに、２〜４層のＺｎリッチ相が形成される結果、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果が長期にわたって発揮されるためであると考えられる。
【００５４】
表１に示すように、実施例１、２に係るめっき鋼板は、実施例３よりもさらに優れた加工性および耐食性を示した。実施例１、２における冷却速度が実施例３に比べて大きいことや、実施例１、２における急冷処理後の鋼帯Ｓの温度が、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度（３８０℃）とほぼ同等もしくはそれ以下であったことなどが理由として考えられる。
【００５５】
以上の評価から明らかなように、急冷設備４で多くのミストを噴霧して冷却速度を大きくすると、加工性および耐食性に優れるめっき鋼板を得ることができる。急冷設備４は水をミスト化して噴霧するだけのものであるから、これを導入することによるコストアップは小さくて済む。本発明は、大きなコストアップ無しにめっき鋼板の加工性と耐食性を向上する方法として好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１ めっきポット
２ 金属ロール
３ ガスワイピングノズル
４ 急冷設備
４ａ ノズルヘッダ
５ 強制空冷設備
６ Ｓｉ粒子
７ Ｚｎリッチ相
８ Ａｌリッチ相
Ｓ 鋼帯
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工性と耐食性に優れるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板と、その製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板は、Ｚｎめっき鋼板などに比べて耐食性が高く、なかでも、めっき層に５５質量％のＡｌを含む５５％Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板が、壁材や屋根材などの外装材として広く利用されている。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の耐食性が高いのは、Ａｌが被覆防食効果を発揮し、さらにＺｎが犠牲防食効果を発揮するからである。
【０００３】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層は、特段の工夫を施さない限り脆く、曲げ加工等によってクラックが生じる。また、めっき層の表面に形成した塗装膜がクラックによって引き裂かれると、素地鋼板が露出して外観が悪化するうえ、Ａｌによる被覆防食効果が得られない。クラックの周囲にＺｎが存在するうちは、Ｚｎの犠牲防食作用によって、露出した素地鋼板の腐食をある程度抑制できるが、経時とともにＺｎが減耗すると赤錆が生じる。
【０００４】
Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層が脆いのは、その合金組成と金属組織に起因する。溶融めっきを素地鋼板に付着させて、通常の冷却速度（１００℃／ｓｅｃ以下）で冷却すると、溶融めっきは溶融状態を保ちながら融点以下に過冷され、Ａｌの初晶が樹枝状晶（デンドライト）として晶出する。Ａｌデンドライトは、凝固の第一段階としてＡｌ−Ｓｉ共晶反応、続いて第二段階としてＡｌ−Ｚｎ共晶反応によって成長する。デンドライトの成長は、凝固核から６または８本の一次アームが伸びること、および一次アームから枝分かれした二次、三次アームが伸びることによって進行する。二次および三次アームの間隔は、冷却速度とめっきの合金組成によって決まる。なお、Ａｌデンドライトは肉眼でも確認可能であり、雪の結晶のような模様を呈する。これは一般にスパングル模様と呼ばれ、めっき鋼板に独特の外観を与える。用途によってはこの外観に意匠性があるとされ、整ったスパングル模様が要求される場合もある。
【０００５】
初晶Ａｌの次に、Ｓｉ粒子が共晶として晶出する。このとき、初晶Ａｌから未凝固の液相に向かってＳｉが排出されるため、Ｓｉ粒子の多くはＡｌデンドライトアームの間に晶出する。凝固の最終段階では、Ａｌ−Ｚｎ共晶反応によってＡｌ濃度が高いＡｌリッチ相と、Ｚｎ濃度が高いＺｎリッチ相とに分かれる。以上のように、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板のめっき層は、Ａｌリッチ相、Ｚｎリッチ相、およびＳｉ粒子の三相からなる。
【０００６】
析出するＳｉ粒子は、１００℃／ｓｅｃ以下の冷却速度においては板状であり、めっき層の厚み方向に分布するが、このＳｉ粒子は脆いことが知られている。一方、Ａｌリッチ相の中には微細なＺｎ粒子が多く析出しているため、Ａｌリッチ相はＳｉ粒子に比べて強靭である。したがって、めっき鋼板の面内に引張荷重を加えた場合、Ａｌリッチ相はほとんど変形せずにＳｉ粒子が脆性破壊し、Ｓｉ粒子はめっき層を分断するようなクラックの起点や伝播経路として働く。このようなメカニズムにより、Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を加工する過程でめっき層に多くのクラックが生じる。
【０００７】
上記のようにＳｉ粒子は、クラックの起点や伝播経路となるが、めっき鋼板の加工性を向上するためには、Ｓｉを添加することは必要不可欠である。すなわち、Ａｌの濃度が比較的高い溶融めっきに素地鋼板を浸漬すると、鋼板の表面にＦｅ−Ａｌ化合物が合金層として形成される。この合金層は成長が早く、鋼板を数秒間めっき浴に浸漬した程度であっても、厚い合金層が形成されて、めっき鋼板の加工性が著しく低下する。これを防ぐために、Ｆｅ−Ａｌ化合物の成長を抑える効果をもつＳｉを添加するのである。
【０００８】
Ｓｉ粒子に起因するクラックの発生を軽減するため、従来から幾つかの方法が提案されている。一つは、Ｓｉ粒子を球状化させる元素、例えば特許文献１に記載されるようにＳｒを添加する方法である。Ｓｒを添加して、凝固過程で晶出するＳｉ粒子を球状化すると、Ｓｉ粒子がクラックの起点・伝播経路として働きにくくなるので、クラックの発生を軽減することができる。
【０００９】
他には、ポストアニール方法がある。例えば、特許文献２に記載されるように、コイル状に巻き取っためっき鋼板をバッチ式の加熱炉に挿入し、１００〜３００℃の温度で数時間加熱保持する。この処理によって、Ａｌリッチ相に含まれる微細Ｚｎ粒子のオストワルド成長を促進させて、Ａｌリッチ相を軟質化させる。これによってＳｉ粒子への応力集中が緩和されるので、Ｓｉ粒子に起因するクラックの発生を軽減することができる。同様の内容は特許文献３にも記載されており、そこでは８０〜２３５℃の温度で所定時間以上、めっき鋼板を加熱保持している。
【００１０】
また、本発明に関連して、鋼板表面の溶融めっきにミストを噴霧して４００℃以下になるまで冷却することが、特許文献４に記載されている。具体的には、６００℃から５００℃までの間の冷却速度を１００℃／秒以上、５００℃から４００℃までの間の冷却速度を５０℃／秒以上に設定している。ただし、特許文献４は、スパングル模様の微細化を目的としており、クラック発生の軽減による加工性および耐食性の向上を目的とする本発明とは本質的に異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−２８４７１８号公報（段落番号００２３）
【特許文献２】特開２００２−１９４５１９号公報（段落番号００１８〜００１９）
【特許文献３】特開２００３−２１３３９７号公報（段落番号００３７）
【特許文献４】特開２００３−０１３１９３号公報（段落番号００３６〜００３７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１のようにＳｒを添加する方法は、添加量がＳｉに対して僅か（数十ｐｐｍ）であるため大きなコストアップは無いが、ボトムドロスが大量に発生する問題がある。Ｓｒはめっき浴中のＳｉと反応して金属間化合物を形成し、これがめっきポットの底部に大量に堆積する。Ａｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造においては、めっき浴の加熱に溝型誘導炉を用いることが多いが、この溝型誘導炉の底部にボトムドロスが堆積すると、流路が閉塞して寿命短縮の大きな要因となる。
【００１３】
特許文献２および３のようにポストアニール処理を行うためには、めっきポット以外にバッチ式の加熱炉が必要であり、その分だけコストが嵩む。また、加熱炉で一度に処理できる量は、多くの場合１００ｔ程度であり、しかも、加熱保持とその前後に行う昇温・炉冷とに長時間を要することから、生産性が大きく低下する。さらに、加熱に都市ガスなどを使用することによるコストアップが避けられない。
【００１４】
本発明の目的は、設備寿命の大幅な短縮や生産性の低下、および大幅なコストアップを招くこと無く、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るめっき鋼板は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板に関する。めっき層が、めっきポットから引き上げられた溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、急速に凝固させて形成してあることを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係るめっき鋼板の製造方法は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法に関する。めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成することを特徴とする。
【００１７】
上記のめっき鋼板の製造方法においては、溶融めっきにおけるＡｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了することが好ましい。
【００１８】
また本発明に係るめっき鋼板の製造装置は、鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置に関する。前記合金を溶融させた溶融めっきを湛えるめっきポットと、鋼板表面に付着した溶融めっきに対して３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施す急冷設備とを含み、溶融めっきを急速に凝固させることによりめっき層を形成することを特徴とする。
【００１９】
上記のめっき鋼板の製造装置においては、急冷設備を、水をミスト化して噴霧するものとすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成する。これによれば、めっき層中のＳｉ粒子を微細化して、Ｓｉ粒子に起因して発生するクラックを微細化できる。したがって、めっき鋼板を曲げ加工したときに、めっき層の表面に形成した塗装膜がクラックによって引き裂かれるのを軽減して、曲げ加工部の外観を良好に保つことができる。また、クラックを微細化することにより、素地鋼板の露出面積を狭小化して、赤錆の発生量を抑制することができる。
【００２１】
めっき層がＡｌリッチ相、Ｚｎリッチ相、およびＳｉ粒子の三相からなることと、Ａｌリッチ相のデンドライトアームの間を埋めるようにＺｎリッチ相が形成されることは、先に述べた通りである。溶融めっきを急速に凝固させると、金属組織が微細化されて、Ａｌデンドライトのアーム間隔が狭くなり、めっき層の厚み方向でＡｌリッチ相が観察される頻度が高くなる。Ａｌリッチ相の間を埋めるように形成されるＺｎリッチ相もまた、観察される頻度が高くなる。急冷処理を施さない通常の方法で製造しためっき鋼板では、Ｚｎリッチ相は１〜２層程度であるが、急冷処理を施しためっき鋼板では、２〜４層のＺｎリッチ相が形成される。Ｚｎリッチ相の層数が増えると、クラックの周囲にＺｎリッチ相が存在する確率が高くなり、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果が長期にわたって発揮される。したがって、クラックによる素地鋼板の露出部位に赤錆が発生するのを長期にわたって抑制できる。
【００２２】
以上のように、本発明では、クラックの微細化によるめっき鋼板の加工性の向上と、クラックによる素地鋼板の露出部位における耐食性の向上とを、急冷処理を施すことによって実現する。これによれば、特許文献１のＳｒを添加する方法のように、ボトムドロスの発生による溝型誘導炉の寿命短縮を招くことは無い。また急冷処理は、ミストの噴霧などによって低コストかつ短時間で行うことができるので、特許文献２および３のポストアニール処理のように、バッチ式の加熱炉を設ける必要が無く、生産性の低下や大幅なコストアップを招くことも無い。本発明によれば、設備寿命の大幅な短縮や生産性の低下、および大幅なコストアップを招くことが無く、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板を得ることができる。
【００２３】
冷却速度を３００℃／ｓｅｃ以上としたのは、冷却速度がこれを下回ると、粗大なＳｉ粒子が晶出してしまい、本発明の効果が得られないためである。冷却速度は３６０℃／ｓｅｃ以上がより好ましい。
【００２４】
Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下になるまで急冷処理を行うと、溶融めっきを一気に凝固させて、めっき層の金属組織をより確実に微細化できる。したがって、加工性および耐食性に優れたＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板をより確実に得ることができる。また、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了すると、急冷処理に要するコストを削減できる。Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度を大きく下回るまで急冷処理を行っても、金属組織の微細化の効果が飽和する一方で、急冷処理に要するコストが増大するので好ましくない。
【００２５】
急冷設備が水をミスト化して噴霧するものであると、急冷設備を簡易なものにしてコストを削減することができ、しかも、水の高い蒸発熱を利用して、必要な冷却速度を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る連続溶融めっき設備の概略構成図である。
【図２】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板のめっき層の断面の拡大写真である。
【図３】比較例および実施例に係る、めっき鋼板の曲げ加工度に対するクラックの平均広さを示すグラフである。
【図４】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板の曲げ加工部におけるめっき層の表面の拡大写真である。
【図５】比較例（左側）および実施例（右側）に係る、めっき鋼板の曲げ加工部の表面を湿潤試験後に撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
次に、本発明に係るＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板（以下、単にめっき鋼板と記す。）の製造方法を、図面を参照しながら具体的に説明する。図１に示すように連続溶融めっき設備は、めっき浴を湛えるめっきポット１と、めっきポット１内に設置された金属ロール２と、めっきポット１の上方に設置された一対のガスワイピングノズル３と、ガスワイピングノズル３の上方に設置された急冷設備４と、急冷設備４の上方に設置された強制空冷設備５などで構成される。
【００２８】
連続溶融めっき設備に通板する鋼帯Ｓとしては、酸洗した熱延鋼板、あるいは酸洗後に所定板厚に冷間圧延した冷延鋼板が適用される。鋼帯Ｓは、めっきポット１に浸漬される前に、水素・窒素混合雰囲気の焼鈍炉において加熱されて、所定の材質になるよう熱処理されるとともに、水素による還元作用等で、表面の酸化物や汚れなどが除去される。焼鈍炉を経てめっきポット１に浸漬された鋼帯Ｓは、金属ロール２で上向きに変向される。ガスワイピングノズル３は、めっき浴から立ち上がった直後の鋼帯Ｓにガスを吹き付けて、溶融めっきの付着量を調整する。
【００２９】
ガスワイピングノズル３を通過した鋼帯Ｓは、急冷設備４で急冷処理を施される。急冷処理を開始するタイミングは、めっき浴の温度にも依るが、鋼帯Ｓがガスワイピングノズル３を通過してから２秒、遅くとも５秒以内である必要がある。これよりも開始が遅れると、鋼帯Ｓからの放熱によって鋼帯Ｓの温度が低下してＡｌ−Ｓｉ共晶反応が進み、めっき層中に粗大なＳｉ粒子が晶出してしまうおそれがあるためである。急冷処理を早期に開始できるように、鋼帯Ｓの搬送速度にあわせて、ガスワイピングノズル３から急冷設備４までの距離を設定する。例えば、搬送速度が１３０ｍ／ｍｉｎの場合、ガスワイピングノズル３から急冷設備４までの距離を約１０ｍ以内に設定すると、ガスワイピングノズル３を通過してから５秒以内に急冷処理を開始することができる。
【００３０】
急冷設備４としては、ミスト噴霧装置、気水噴霧装置、金属粒子噴霧装置などを適用できるが、以下では、水をミスト化して噴霧するミスト噴霧装置を例に挙げて説明する。鋼帯Ｓの表面に付着した溶融めっきにミストを噴き付けると、水の蒸発時の吸熱作用によって、溶融めっきと鋼帯Ｓが急速に冷却される。つまり、急冷設備４での溶融めっきおよび鋼帯Ｓからの抜熱量は、急冷設備４で蒸発するミストの潜熱（蒸発熱）の量によって決まる。水の蒸発によって急冷設備４内の露点温度が上昇すると、水の蒸発速度が低下して、鋼帯Ｓの冷却速度が低下するので、これを避けるために水蒸気を排気する必要がある。排気方法としては、外気を急冷設備４内に吹き込むブロワを設置する方法や、急冷設備４内の多湿空気を吸い出すブロワを設置する方法などがあり、これら２つの方法を併用してもよい。
【００３１】
急冷設備４で噴霧されるのは、平均粒子径３０μｍ以下の微小なミストである。ミストの粒子径がこれより大きいと、めっき層の表面に水滴マークと呼ばれる梨地状の表面外観不良が発生するおそれがあるためである。ミスト噴霧装置のノズルとしては、平均粒子径３０μｍ以下を実現できればどのようなノズルを用いても良く、例えば市販の一流体ノズルや二流体ノズルを適用することができる。
【００３２】
急冷設備４で噴霧する単位時間毎の水量は、急冷設備４に入るときの鋼帯Ｓの温度、鋼帯Ｓの寸法（厚さ・幅）、鋼帯Ｓの搬送速度、必要とする冷却速度や冷却後の温度などに基づいて決定する。ミストを過剰に噴霧すると、ミストどうしが衝突して粗大な水粒子が発生しやすくなり、先述の水滴マークが発生する原因となり、また、周辺設備へ水が飛散して故障の原因となるおそれがあるため避けたほうが良い。適切な水量は、急冷設備４の構造によって異なるため、実験によって決定する必要がある。
【００３３】
急冷設備４において鋼帯Ｓを幅方向で均一に冷却するために、幅方向におけるミストの噴霧量のばらつきを１０％以内に調節する。これよりも大きなばらつきが存在すると、鋼帯Ｓ内の熱応力によって鋼帯Ｓの形状が崩れるおそれがある。鋼帯Ｓのエッジ部分まで充分に冷却するために、鋼帯Ｓよりも広い幅でミストを噴霧する。
【００３４】
ミスト噴霧装置のノズルヘッダ４ａは、鋼帯Ｓを両面側から挟むように配置される。このとき、鋼帯Ｓの一側と他側のノズルヘッダ４ａを、鋼帯Ｓに対して対称に配置する必要は無い。特に、鋼帯Ｓのエッジ部分においては、エッジ部分の外方に噴霧されたミストどうしが衝突して粗大な水粒子となり、水滴マークが発生しやすくなる。これを避けるために、ノズルヘッダ４ａを上下に位置ずれした状態で千鳥状に配置するとよい。
【００３５】
急冷設備４で急冷処理を施された鋼帯Ｓは、必要に応じて強制空冷設備５でさらに冷却される。強制空冷設備５は、鋼帯Ｓに風を吹き付けることにより冷却を行うものであり、冷却速度は１０〜１００℃／ｓｅｃ程度である。急冷設備４で充分な冷却を行う場合には、強制空冷設備５は省略しても差し支えない。強制空冷設備５を通過した鋼帯Ｓは、めっき付着量計、スキンパスミル、テンションレベラー、化成処理設備などで各種処理を施された後、コイル状に巻き取られる。
【００３６】
〈実施例１〉 次に、本発明の実施例１を示す。ここでは、焼鈍炉で所定の熱処理を施された鋼帯Ｓをめっきポット１に浸漬し、鋼帯Ｓの表面に溶融めっきを付着させた。次いで、ガスワイピングノズル３でめっきの付着量を調整してから、鋼帯Ｓを急冷設備４に通して急冷処理を施して、その後、先に述べた各種の処理を施してからコイル状に巻き取った。その後、めっき層の表面にアクリル系塗料を塗布して最終製品とした。
【００３７】
めっきポット１のめっき浴は、Ａｌを５５質量％、Ｓｉを１．６質量％含有し、残部がＺｎからなる合金を溶融させて６００℃に保持したものである。この合金の融点は約５８０℃である。鋼帯Ｓの板厚は０．３５ｍｍ、板幅は９１４ｍｍであり、鋼帯Ｓの搬送速度は１３０ｍ／ｍｉｎに設定した。
【００３８】
急冷設備４は、水をミスト化して噴霧するミスト噴霧装置で構成した。このミスト噴霧装置は、最大で５０ｌ／ｍｉｎのミストを噴霧することができる。鋼帯Ｓの一側と他側のノズルヘッダ４ａは、エッジ部分の外方に噴霧されたミストどうしが衝突して粗大な水粒子となるのを避けるため、鋼帯Ｓの搬送方向に１ｍずらして配置してある。ノズルヘッダ４ａの周囲に、外気を急冷設備４内に取り込むためのスリットが設けてあり、このスリットの外側にブロワが設置してある。
【００３９】
急冷設備４は、ガスワイピングノズル３の上方２ｍの位置に設置した。鋼帯Ｓの搬送速度は１３０ｍ／ｍｉｎであるから、鋼帯Ｓはガスワイピングノズル３を通過してから約１秒で急冷設備４に至り、急冷処理を施される。急冷設備４に入る直前の鋼帯Ｓの温度は５７０℃であった。急冷設備４における冷却速度を３６０℃／ｓｅｃに設定し、これに合わせてミストの噴霧量を設定した。鋼帯Ｓは急冷設備４を０．５秒間で通過する。換言すれば、鋼帯Ｓは０．５秒間急冷処理を施される。急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は３９０℃であり、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度である３８０℃とほぼ同等であった。
【００４０】
〈実施例２〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の１２０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は４２０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は３６０℃であった。
【００４１】
〈実施例３〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の８０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は３００℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は４２０℃であった。
【００４２】
〈比較例１〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の６０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は２００℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は４７０℃であった。
【００４３】
〈比較例２〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の２０％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は４０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は５５０℃であった。
【００４４】
〈比較例３〉 急冷設備４におけるミストの噴霧量を実施例１の５％とした以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。急冷設備４における冷却速度は２０℃／ｓｅｃであり、急冷設備４を通過した鋼帯Ｓの温度は５６０℃であった。
【００４５】
〈比較例４〉 急冷設備４においてミストの噴霧を行わない以外は、実施例１と同じ条件でめっき鋼板を形成した。
【００４６】
実施例１〜３、および比較例１〜４のめっき鋼板の性能を表１に示す。表中の加工性および耐食性は、比較例４のめっき鋼板の性能を基準として、優位差が無ければ△、優れていれば○、さらに優れていれば◎として評価した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
〈金属組織の観察〉
各実施例および比較例のめっき鋼板のめっき層を走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す。）で確認した。具体的には、めっき鋼板を切断して機械研磨し、次いでイオンビームで精密研磨してから、めっき層の断面をＳＥＭで観察した。比較例４および実施例１に係るめっき層の断面のＳＥＭ写真を図２に示す。左側の比較例４に係るＳＥＭ写真において、符号６はＳｉ粒子、符号７はＺｎリッチ相、符号８はＡｌリッチ相を示す。これから明らかなように、比較例４に係るめっき層には粗大なＳｉ粒子が晶出しており、確認できるＺｎリッチ相は、めっき層の厚み方向で１〜２層であった。比較例１〜３も比較例４と同様の結果であった。一方、図２の右側の実施例１に係るＳＥＭ写真には粗大なＳｉ粒子が見られず、また、Ｚｎリッチ相が２〜４層になっていることを確認できた。実施例２、３においても同様の結果を確認することができた。
【００４９】
〈加工性の評価〉 塗料を塗布する前のめっき鋼板を基準線に沿って曲げ加工し、曲げ加工部の表面のめっき層に生じたクラックの広さで、めっき鋼板の加工性を評価した。詳しくは、基準線に直交する長さ１ｍｍの検定線を、３ｍｍ×２ｍｍの視野範囲に５本引き、検定線と交わるクラックの数と広さから、クラックの平均広さを算出した。クラックの観察にはＳＥＭを使用し、これを５視野において行った。また、上記の測定を、曲げ加工度が異なる複数の曲げ加工部において行った。
【００５０】
図３は、実施例１と比較例３のめっき鋼板に関して測定結果をまとめたグラフであり、各曲げ加工度において、実施例１に係るめっき鋼板の方が、クラック平均広さの値が小さくなっている。なお、曲げ加工度に係る０Ｔ〜５Ｔの記号は、曲げ加工部の曲率の大きさを示しており、数字が大きいほど曲率は小さい。また図４は、曲げ加工部におけるめっき層の表面のＳＥＭ写真であり、左側の比較例３よりも、右側の実施例１の方が、クラックが小さかったことを示している。
【００５１】
曲げ加工部で発生するクラックの大きさに関して、比較例１〜３では、ミストを噴霧しない比較例４と比べて改善は見られなかった。一方、実施例１〜３では、各比較例と比べてクラックが小さくなり、実施例１〜３に係るめっき鋼板が加工性に優れることを確認できた。クラックが小さく加工性に優れるのは、めっき層中に脆く粗大なＳｉ粒子が見られない（図２参照）ためであると考えられる。
【００５２】
〈耐食性の評価〉 ここでは、塗装を施して曲げ加工しためっき鋼板に対して湿潤試験を行って、曲げ加工部の耐食性を評価した。詳しくは、めっき鋼板に、曲げ加工度が０Ｔ、２Ｔ、３Ｔ、４Ｔ（図３参照）の４つの曲げ加工部を形成した。湿潤試験の条件はＪＩＳ−Ｋ２２４６に従い、温度５０℃、相対湿度９５％の雰囲気に５００時間曝して、各曲げ加工部における赤錆の発生状況を観察した。図５は、湿潤試験後のめっき鋼板の曲げ加工部における表面の写真であり、左側の比較例４よりも、右側の実施例１の方が、赤錆の発生量が少ないことを確認できる。
【００５３】
湿潤試験後の赤錆の発生量に関して、比較例１〜３では、ミストを噴霧しない比較例４と比べて改善は見られなかった。一方、実施例１〜３では、各比較例と比べて赤錆の発生量が少なくなり、実施例１〜３に係るめっき鋼板が耐食性に優れることを確認できた。耐食性に優れるのは、クラックが小さいため素地鋼板の露出が少なく（図４参照）、さらに、２〜４層のＺｎリッチ相が形成される結果、クラックの周囲でＺｎの犠牲防食効果が長期にわたって発揮されるためであると考えられる。
【００５４】
表１に示すように、実施例１、２に係るめっき鋼板は、実施例３よりもさらに優れた加工性および耐食性を示した。実施例１、２における冷却速度が実施例３に比べて大きいことや、実施例１、２における急冷処理後の鋼帯Ｓの温度が、Ａｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度（３８０℃）とほぼ同等もしくはそれ以下であったことなどが理由として考えられる。
【００５５】
以上の評価から明らかなように、急冷設備４で多くのミストを噴霧して冷却速度を大きくすると、加工性および耐食性に優れるめっき鋼板を得ることができる。急冷設備４は水をミスト化して噴霧するだけのものであるから、これを導入することによるコストアップは小さくて済む。本発明は、大きなコストアップ無しにめっき鋼板の加工性と耐食性を向上する方法として好適である。
【符号の説明】
【００５６】
１ めっきポット
２ 金属ロール
３ ガスワイピングノズル
４ 急冷設備
４ａ ノズルヘッダ
５ 強制空冷設備
６ Ｓｉ粒子
７ Ｚｎリッチ相
８ Ａｌリッチ相
Ｓ 鋼帯
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板であって、
めっき層が、めっきポットから引き上げられた溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、急速に凝固させて形成してあることを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板。
【請求項２】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法であって、
めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成することを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
【請求項３】
溶融めっきにおけるＡｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了する請求項２に記載のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
【請求項４】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置であって、
前記合金を溶融させた溶融めっきを湛えるめっきポットと、鋼板表面に付着した溶融めっきに対して３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施す急冷設備とを含み、
溶融めっきを急速に凝固させることによりめっき層を形成することを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置。
【請求項５】
急冷設備が、水をミスト化して噴霧するものである請求項４に記載のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置。
【請求項１】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板であって、
めっき層が、めっきポットから引き上げられた溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、急速に凝固させて形成してあることを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板。
【請求項２】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法であって、
めっきポットから引き上げた鋼板の表面に付着した溶融めっきに対して、３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施して、溶融めっきを急速に凝固させることにより、めっき層を形成することを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
【請求項３】
溶融めっきにおけるＡｌ−Ｓｉ共晶反応が完了する温度以下まで急冷した後急冷処理を終了する請求項２に記載のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造方法。
【請求項４】
鋼板表面のめっき層が、Ａｌ：２０〜９５質量％、Ｓｉ：０．６〜３．０質量％を含み、残部がＺｎで構成される合金からなるＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置であって、
前記合金を溶融させた溶融めっきを湛えるめっきポットと、鋼板表面に付着した溶融めっきに対して３００℃／ｓｅｃ以上の冷却速度による急冷処理を施す急冷設備とを含み、
溶融めっきを急速に凝固させることによりめっき層を形成することを特徴とするＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置。
【請求項５】
急冷設備が、水をミスト化して噴霧するものである請求項４に記載のＡｌ−Ｚｎ合金めっき鋼板の製造装置。
【図１】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７０７１（Ｐ２０１３−７０７１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８８２８（Ｐ２０１１−１３８８２８）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００６９１０）株式会社淀川製鋼所 (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００６９１０）株式会社淀川製鋼所 (34)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]