接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手
【課題】本発明は、亜鉛系合金めっき鋼板同士の溶接接合の際に生じる、前記問題点を解決し、接合強度を確保し、溶接接合部の耐食性の良好な亜鉛系合金めっき鋼板の溶接継手を得るための接合継手を提供することを目的とする。
【解決手段】亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合する。
【解決手段】亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、建材として使用される亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法に関し、特に、耐食性に優れた接合部を得るためのＡｌ系溶接材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛系合金めっき鋼板は、建築や自動車など構造部材の耐食性向上の観点から幅広く用いられている。しかしながら、亜鉛系合金めっき鋼板を溶接構造物として使用する場合、溶接時に溶融または加熱された溶接金属および溶接熱影響部（ＨＡＺ）で、亜鉛系合金めっき鋼板の表面に施されためっき層が消失または損傷するため耐食性が劣化する。このため、従来から溶接部の耐食性を確保するために溶接部にジンクリッチペイント等の塗料を後塗装することが一般的に行なわれている。
【０００３】
しかしながらこの方法も、溶接の後、塗装作業が必要となるため、手間がかかり、生産効率上問題がある。
【０００４】
また、塗料による防食は、使用環境にもよるが、比較的短時間で剥離したり、狭隘な個所への塗装が困難であったりなどの問題がある。その上、耐食性が十分であるとは言い難い。
【０００５】
一方で、近年、高耐食亜鉛系合金めっき鋼板として、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきを鋼板（例えば、特許文献１、参照。）が実用化されるなど、めっき鋼板そのものの耐食性は飛躍的に向上している。それに伴い、溶接部の耐食性も更に向上させる必要が生じており、従来の塗装による防食に代わり、新たな耐食性向上技術が求められていた。
【０００６】
これらの問題を解決するため、特許文献２では、亜鉛系合金めっき鋼板の接合材料にステンレス系溶接材料、および銅合金溶接材料を適用することを提案している。しかしながら、ステンレス系溶接材料、および銅合金溶接材料はともに融点が亜鉛の沸点（約９００℃）を超えるため、接合時の加熱で亜鉛めっきが蒸発し、接合部にブローホール等の欠陥を発生する問題がある。また、接合時の入熱による亜鉛めっき層の損傷も大きくなる。
【０００７】
特に、板厚２ｍｍ以下程度の薄い亜鉛系合金めっき鋼板の接合においては、溶接部裏面のめっき成分が蒸発してしまうため、耐食性劣化要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０６４０６１号公報
【特許文献２】特開２００６−３５２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、亜鉛系合金めっき鋼板同士の溶接接合の際に生じる、前記問題点を解決し、接合強度を確保し、溶接接合部の耐食性の良好な亜鉛系合金めっき鋼板の溶接継手を得るための接合継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述したように、ステンレス系溶接材料及び銅合金溶接材料とも、融点が亜鉛の沸点を超えていることが、問題の原因である。そこで、本発明者らは、亜鉛の沸点よりも融点の低い接合材料としてＡｌ（アルミニウム）系接合材料に着目し、その適用による接合部の耐食性向上を試みることとした。
【００１１】
通常、鋼板とアルミニウムを接合すると、異種金属間接合となり、金属材料間の電位差により接合部分の腐食が進行する。Ａｌ系接合材料による鋼材同士の接合でも、同じ現象が生じ、腐食が進行する。このため、鋼材の接合において、耐食性が必要な部位へのＡｌ系接合材料の適用は向かないと考えることが一般的であった。また、本発明者らが確認しうる限り、亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合にＡｌ系接合材料を適用したという従来技術はない。
【００１２】
本発明者らは、こうした概念を打破すべく鋭意検討した結果、Ａｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板同士を接合した継手の強度を確保するために、Ａｌ系接合材料の合金成分、および亜鉛系合金めっきのめっき組成およびめっき付着量を厳密に管理することにより、異種金属間電位差を抑え、腐食の進行を抑制できることが知見された。本発明は、この知見を基になされたものである。その要旨とするところは以下の通りである。
【００１３】
（１）亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合することを特徴とする接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手。
【００１４】
（２）前記亜鉛系合金めっきがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、および、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきの何れかであることを特徴とする（１）に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【００１５】
(３)亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、接合部長さが、当該亜鉛系合金めっき鋼板の板厚の３倍以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のＡｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法によれば、接合の後、接合部に防食塗装処理を行わなくても接合部の耐食性を飛躍的に向上させることが可能となる。反面、接合金属にＡｌ系接合材料を用いるため、接合継手強度は、鋼板母材の強度より低くなるが、厳しい腐食環境で、かつ接合部の密閉性が要求される容器など、その必要機能、必要特性を適正化すれば、顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】重ね隅肉継手の試験片を示す図である。
【図２】引張せん断試験方法を示す図である。
【図３】鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量とめっき付着量と接合継手強度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の詳細について、実施例に基づき説明する。
まず、Ａｌ系接合材料による溶接を亜鉛系合金めっき鋼板にて適用したときの耐食性について、当該めっき鋼板のめっき種類、Ａｌ系接合材料の種類を変えて、耐食実験により確認した。
【００１９】
表１に、試験に用いた亜鉛系合金めっき鋼板を示す。めっき成分、特にめっき中のＡｌ含有量、鋼板の片面めっき付着量、板厚とから９種類（Ａ〜Ｉ）の亜鉛系合金めっき鋼板を準備した。なお、亜鉛系合金めっき鋼板はＳＰＣＣ（ＪＩＳ Ｇ３１３１熱間圧延軟鋼板）を母材とした。
【００２０】
表２に、試験に用いた接合材料５種類を示す。Ａｌ系接合材料は、４種類（純Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ ３２３２ Ａ１１００−ＷＹ）、５％Ｍｇ−９５％Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ３２３２ Ａ５３５６−ＷＹ）、５％Ｓｉ−９５％Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ３２３２ Ａ４０４０−ＷＹ），１１％Ｓｉ−８９％Ａｌ（ＪＩＳ規格なし））と比較のために従来技術である３０９系ステンレス系接合材料（Ｎｉ：１２％、Ｃｒ：２４％を含有する３０９系フラックス入りステンレスワイヤ）を準備した。
【００２１】
これら亜鉛系合金めっき鋼板と接合材料を用いて、図１に示すような重ね隅肉溶接継手を作成し、これを試験片とした。継手作成時の溶接条件を、表３に示す。
【００２２】
実際の腐食環境では時間の経過とともに継手強度も変化することが予想される。そこで、複合サイクル腐食試験を実施し、接合部を腐食環境に曝した後の継手強度を評価した。複合サイクル腐食試験として、塩水噴霧（５％ＮａＣｌ）を３５℃で２時間、乾燥（湿度３０％）を６０℃で４時間、湿潤（湿度９５％）を５０℃で２時間を１サイクルとする複合サイクル腐食試験を１５０サイクル繰り返した。
【００２３】
複合サイクル腐食試験後に、図２に示すように引張試験を行い、接合部の引張せん断強度を測定した。なお、接合部の強度は、破断強度／母材断面積（ＭＰａ）で示した。
【００２４】
表３に各接合継手を作製する際の接合条件および溶接部の耐食性および強度の評価結果を示す。なお耐食試験は前述の複合サイクル腐食試験とし１５０サイクル試験後の接合部の赤錆発生状態を評価した。顕著な赤錆が発生したものを（×）とし、白さび及びめっき金属光沢そのままのものを（○）と標記した。引張せん断強度は、母材の引張強さ規格２７０ＭＰａの１／√３程度である１５０ＭＰａを基準せん断強度とし、それより強ければ○、悪ければ×として、表３に示した。
【００２５】
鋼板Ｈは、耐食性を向上させたＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっきを採用しているが、溶接材料にＳｉが添加されていないものは、腐食試験後の継手強度が低かった。破断形態を観察するとＡｌ系接合金属が母材との接合界面で剥離していた。接合界面にＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成したために、接合界面が極めて脆い組織となり、剥離が生じたと考えられる。
【００２６】
これに対し、Ｓｉ系Ａｌ接合材料を使用したものは、良好な耐食性を示すと共に腐食試験後の継手強度も良好であった。破断形態はＡｌ系接合金属部分での延性破壊であった。Ａｌ系接合材料へのＳｉ添加により、接合界面でのＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成が抑制されたと考えられる。
【００２７】
一方、５％Ｓｉ系Ａｌ接合材料を使用しても、めっき成分のＡｌ含有量や、めっき付着量により、複合サイクル腐食試験後の引張せん断強度に差が生じた。すなわち、めっき成分中のＡｌ量を増加させることによって接合部の耐食性向上が可能となった。Ａｌ系接合材料の融点は６６０℃程度であるが、熱源であるアークプラズマは数千℃に達するため、アークプラズマ直下の亜鉛めっきは蒸発し、熱影響部の亜鉛めっきは損傷する。
【００２８】
同様に、めっき成分中のＡｌもアークプラズマの熱によって蒸発するが、亜鉛の沸点９００℃程度に比べるとＡｌの沸点は２０００℃程度と高く、蒸発は少なくなる。その結果、めっき成分中にＡｌを６％以上含有させることによって、熱影響部がＡｌ成分によって保護されるため、耐食性が良好であったと考えられる。
【００２９】
この結果から、Ｓｉ添加Ａｌ接合材料と、６％以上のＡｌ成分をめっき中に含む亜鉛系合金めっき鋼板の組み合わせであれば、溶接後も良好な耐食性が得られ、引張せん断強度も１５０ＭＰａを確保できることがわかった。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
次に、基材となる亜鉛系合金めっき鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量と、該鋼板片面のめっき付着量により、継手強度がどのように影響を受けるか実験した。
【００３４】
亜鉛系合金めっき鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量は、０．１％、４％、６％、１１％、１５％、１８％であり、片面のめっき付着量がそれぞれ３０ｇ／ｍ２、５０ｇ／ｍ２、１００ｇ／ｍ２、１５０ｇ／ｍ２となる試験材をそれぞれ準備した。これら試験材を５％Ｓｉ系接合材料にて溶接し、上記と同様な重ね隅肉継手試験片を作成した。
【００３５】
これら継手試験片を、上記耐食試験と同様の複合サイクル腐食試験を行った後、引張試験を行い、継手の引張せん断強度を求めた。
その結果を、図３に示す。めっき成分組成におけるＡｌ含有量が４％以下、またはめっき付着量が３０ｇ／ｍ２以下の場合は、接合部の破断強度が低く（１５０ＭＰａ未満）、破断位置も接合界面から剥離する不安定な破断形態となった。これらの腐食試験片は接合部の腐食が進行しており、母材熱影響部からは赤錆が発生するとともに、Ａｌ接合金属部は腐食による減肉が発生していた。
【００３６】
一方、Ａｌ含有量が６％以上、かつめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上の場合は、破断強度が１５０ＭＰａ以上の比較的良好な接合部強度示し、腐食前と１５０サイクルの腐食試験後の継手強度はほとんど変化しなかった。腐食試験後の接合部には赤錆やＡｌ接合金属の減肉はほとんど観察されず、良好な継手耐食性を示していた。めっき成分組成におけるＡｌ含有量が増加したことで、上述のように溶接中のＡｌ成分の蒸発が少ないため、母材表面の熱影響部にＡｌの保護膜が形成された結果、良好な耐食性の確保が可能になったと考えられる。
【００３７】
このように、めっき成分におけるＡｌ含有量は腐食試験後の継手強度に影響を及ぼす。図４に示す結果からめっき成分におけるＡｌ含有量の下限は６％とした。上限は特に規定しないが、めっき成分におけるＡｌ含有量が１９％を超えると、めっき鋼板そのものの犠牲防食効果が不十分となり曲げ加工部の耐食性が低下するため、上限値は１９％とすることが望ましい。
【００３８】
また、めっき付着量については、適正な接合部の耐食性を確保するため下限値を５０ｇ／ｍ２とした。上限値は特に規定しないが、一般的な建材用の亜鉛系合金めっき鋼板のめっき付着量を参考にすると、上限は１５０ｇ／ｍ２とすることが望ましい。
【００３９】
次に、Ｓｉ添加Ａｌ系接合材料のＳｉ添加範囲について検討した。
５％Ｓｉ系接合材料を用いた場合は、引張せん断試験した試験片は、溶接金属内で破断しており、その破断強度（引張せん断強度）は、１５０ＭＰａ以上を示した。
【００４０】
これは、Ａｌ系接合金属中のＳｉ濃度が高まることによって、母材の鉄成分が接合金属中に拡散することを抑制し、その結果、接合界面のＦｅ−Ａｌ合金層の成長を抑制することが可能になったためと考えられる。また、接合金属中のＳｉ量増加によってＡｌ接合金属の強度が高まったため、比較的良好な継手強度が得られたと考えられる。
【００４１】
以上の検討から、Ａｌ系接合材料の合金成分としてＳｉの添加が有効であることが明らかとなった。Ｓｉの添加量が５％以下の場合はＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成抑制効果、ならびにＡｌ接合金属の強度向上の効果が十分でなく、またＳｉの添加量が１１％を超える場合はＡｌ接合金属が脆くなるため、適正なＳｉ添加量は５〜１１％とした。
【００４２】
本発明ではめっき成分組成として、Ａｌ以外にＭｇやＳｉを含有しても問題ないことを確認している。特に、近年耐食性に優れた建材としてＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材が脚光を浴びており、本発明を適用することにより、当該Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材での構築物の適用範囲が格段に広がり、その効果は大きい。
【００４３】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材では、Ａｌ：６〜１９％、Ｍｇ：０．５〜１０％、残部Ｚｎからなるめっきからなり、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきでは、Ａｌ：６〜１９％、Ｍｇ：０．５〜１０％、Ｓｉ：０．０１〜２％、残部Ｚｎからなるめっきが一般に用いられる。
【００４４】
例えば、Ａｌを１１％、Ｍｇを３％、Ｓｉを０．２％含み残部を主にＺｎとする新日本製鐵株式会社製「スーパーダイマ（登録商標）」鋼板あるいはＡｌを７％、Ｍｇを３％含み残部を主にＺｎとする日新製鋼株式会社製「ＺＡＭ（登録商標）」鋼板等がある。しかし、本発明ではこれらの鋼材やめっき成分組成に限定されるものではない。
【００４５】
次ぎに、継手の強度について検討する。
本発明では、Ｓｉ系Ａｌ接合材料を、鋼板の接合に使用しているため、溶接継手強度の観点では、鋼板の母材強度に劣る。そのため、耐食性では母材の亜鉛系合金めっき鋼板と同等であっても、構造体としての強度は、継手がネックとなる。
【００４６】
このネックを解消するため、継手における接合金属の接触部長さ（図１のＬｕ、Ｌｄ）及び、余盛高さ（Ｌｈ）を長くすることが効果的である。例えば、鋼板同士の重ね隅肉溶接の場合、接触部長さは、板厚程度であるが、アルミニウムは鉄の１／３程度の強度のため、接触部長さを板厚の３倍以上とすればよい。接触面積が増加するため、異種金属間の腐食リスクは高まるが、本発明の範囲内の接合材料と鋼板を選択すれば、特段問題ない。
【００４７】
本発明者らは、Ｚｎ＋１１％Ａｌ＋３％Ｍｇ＋０．２％Ｓｉめっきを施し、めっき付着量９０ｇ／ｍ２、板厚１．２ｍｍの鋼板同士を、５％Ｓｉ添加Ａｌ接合材料にて接合する試験を行った。このとき、接合部長さ（図１のＬｕ、Ｌｄ、Ｌｈ）をそれぞれ２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍとなるようにした試験片各を複合サイクル腐食試験後に引張せん断試験を実施した。その結果、接合部長さ２ｍｍと３ｍｍのものは、接合金属中で破断しているが、４ｍｍの試験片は接合金属部か鋼板母材で破断しており、６ｍｍの試験片は鋼板母材で破断していた。
【００４８】
この結果からも、接合部長さは、板厚の３倍以上にすれば、母材引張強さと同等程度の引張せん断強度を有することができる。接合部長さは安定した溶接を行うために板厚の１０倍以上あれることが望ましい。ただし、構造物の力のかかり方は、複雑であるため、この引張せん断力以外の力がかかる場合は、さらにそれに適した対応策が必要となるが、基本的な考え方は同じと考える。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のＡｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法によれば、接合の後、接合部に防食塗装処理を行わなくても接合部の耐食性を飛躍的に向上させることが可能となる。そのため、耐食機能を強化した亜鉛系合金めっき鋼板の適用範囲を格段に広げる技術であることは、言うまでもなく、広く産業分野の発展に貢献するものと考える。
【符号の説明】
【００５０】
１ 亜鉛系合金めっき
２ 亜鉛系合金めっき鋼板の母材
３ Ａｌ系接合金属
Ｌｕ、Ｌｄ 接合部長さ
Ｌｈ 接合部余盛高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、建材として使用される亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法に関し、特に、耐食性に優れた接合部を得るためのＡｌ系溶接材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛系合金めっき鋼板は、建築や自動車など構造部材の耐食性向上の観点から幅広く用いられている。しかしながら、亜鉛系合金めっき鋼板を溶接構造物として使用する場合、溶接時に溶融または加熱された溶接金属および溶接熱影響部（ＨＡＺ）で、亜鉛系合金めっき鋼板の表面に施されためっき層が消失または損傷するため耐食性が劣化する。このため、従来から溶接部の耐食性を確保するために溶接部にジンクリッチペイント等の塗料を後塗装することが一般的に行なわれている。
【０００３】
しかしながらこの方法も、溶接の後、塗装作業が必要となるため、手間がかかり、生産効率上問題がある。
【０００４】
また、塗料による防食は、使用環境にもよるが、比較的短時間で剥離したり、狭隘な個所への塗装が困難であったりなどの問題がある。その上、耐食性が十分であるとは言い難い。
【０００５】
一方で、近年、高耐食亜鉛系合金めっき鋼板として、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきを鋼板（例えば、特許文献１、参照。）が実用化されるなど、めっき鋼板そのものの耐食性は飛躍的に向上している。それに伴い、溶接部の耐食性も更に向上させる必要が生じており、従来の塗装による防食に代わり、新たな耐食性向上技術が求められていた。
【０００６】
これらの問題を解決するため、特許文献２では、亜鉛系合金めっき鋼板の接合材料にステンレス系溶接材料、および銅合金溶接材料を適用することを提案している。しかしながら、ステンレス系溶接材料、および銅合金溶接材料はともに融点が亜鉛の沸点（約９００℃）を超えるため、接合時の加熱で亜鉛めっきが蒸発し、接合部にブローホール等の欠陥を発生する問題がある。また、接合時の入熱による亜鉛めっき層の損傷も大きくなる。
【０００７】
特に、板厚２ｍｍ以下程度の薄い亜鉛系合金めっき鋼板の接合においては、溶接部裏面のめっき成分が蒸発してしまうため、耐食性劣化要因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−０６４０６１号公報
【特許文献２】特開２００６−３５２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、亜鉛系合金めっき鋼板同士の溶接接合の際に生じる、前記問題点を解決し、接合強度を確保し、溶接接合部の耐食性の良好な亜鉛系合金めっき鋼板の溶接継手を得るための接合継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述したように、ステンレス系溶接材料及び銅合金溶接材料とも、融点が亜鉛の沸点を超えていることが、問題の原因である。そこで、本発明者らは、亜鉛の沸点よりも融点の低い接合材料としてＡｌ（アルミニウム）系接合材料に着目し、その適用による接合部の耐食性向上を試みることとした。
【００１１】
通常、鋼板とアルミニウムを接合すると、異種金属間接合となり、金属材料間の電位差により接合部分の腐食が進行する。Ａｌ系接合材料による鋼材同士の接合でも、同じ現象が生じ、腐食が進行する。このため、鋼材の接合において、耐食性が必要な部位へのＡｌ系接合材料の適用は向かないと考えることが一般的であった。また、本発明者らが確認しうる限り、亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合にＡｌ系接合材料を適用したという従来技術はない。
【００１２】
本発明者らは、こうした概念を打破すべく鋭意検討した結果、Ａｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板同士を接合した継手の強度を確保するために、Ａｌ系接合材料の合金成分、および亜鉛系合金めっきのめっき組成およびめっき付着量を厳密に管理することにより、異種金属間電位差を抑え、腐食の進行を抑制できることが知見された。本発明は、この知見を基になされたものである。その要旨とするところは以下の通りである。
【００１３】
（１）亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合することを特徴とする接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手。
【００１４】
（２）前記亜鉛系合金めっきがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、および、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきの何れかであることを特徴とする（１）に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【００１５】
(３)亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、接合部長さが、当該亜鉛系合金めっき鋼板の板厚の３倍以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のＡｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法によれば、接合の後、接合部に防食塗装処理を行わなくても接合部の耐食性を飛躍的に向上させることが可能となる。反面、接合金属にＡｌ系接合材料を用いるため、接合継手強度は、鋼板母材の強度より低くなるが、厳しい腐食環境で、かつ接合部の密閉性が要求される容器など、その必要機能、必要特性を適正化すれば、顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】重ね隅肉継手の試験片を示す図である。
【図２】引張せん断試験方法を示す図である。
【図３】鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量とめっき付着量と接合継手強度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の詳細について、実施例に基づき説明する。
まず、Ａｌ系接合材料による溶接を亜鉛系合金めっき鋼板にて適用したときの耐食性について、当該めっき鋼板のめっき種類、Ａｌ系接合材料の種類を変えて、耐食実験により確認した。
【００１９】
表１に、試験に用いた亜鉛系合金めっき鋼板を示す。めっき成分、特にめっき中のＡｌ含有量、鋼板の片面めっき付着量、板厚とから９種類（Ａ〜Ｉ）の亜鉛系合金めっき鋼板を準備した。なお、亜鉛系合金めっき鋼板はＳＰＣＣ（ＪＩＳ Ｇ３１３１熱間圧延軟鋼板）を母材とした。
【００２０】
表２に、試験に用いた接合材料５種類を示す。Ａｌ系接合材料は、４種類（純Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ ３２３２ Ａ１１００−ＷＹ）、５％Ｍｇ−９５％Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ３２３２ Ａ５３５６−ＷＹ）、５％Ｓｉ−９５％Ａｌ（ＪＩＳ Ｚ３２３２ Ａ４０４０−ＷＹ），１１％Ｓｉ−８９％Ａｌ（ＪＩＳ規格なし））と比較のために従来技術である３０９系ステンレス系接合材料（Ｎｉ：１２％、Ｃｒ：２４％を含有する３０９系フラックス入りステンレスワイヤ）を準備した。
【００２１】
これら亜鉛系合金めっき鋼板と接合材料を用いて、図１に示すような重ね隅肉溶接継手を作成し、これを試験片とした。継手作成時の溶接条件を、表３に示す。
【００２２】
実際の腐食環境では時間の経過とともに継手強度も変化することが予想される。そこで、複合サイクル腐食試験を実施し、接合部を腐食環境に曝した後の継手強度を評価した。複合サイクル腐食試験として、塩水噴霧（５％ＮａＣｌ）を３５℃で２時間、乾燥（湿度３０％）を６０℃で４時間、湿潤（湿度９５％）を５０℃で２時間を１サイクルとする複合サイクル腐食試験を１５０サイクル繰り返した。
【００２３】
複合サイクル腐食試験後に、図２に示すように引張試験を行い、接合部の引張せん断強度を測定した。なお、接合部の強度は、破断強度／母材断面積（ＭＰａ）で示した。
【００２４】
表３に各接合継手を作製する際の接合条件および溶接部の耐食性および強度の評価結果を示す。なお耐食試験は前述の複合サイクル腐食試験とし１５０サイクル試験後の接合部の赤錆発生状態を評価した。顕著な赤錆が発生したものを（×）とし、白さび及びめっき金属光沢そのままのものを（○）と標記した。引張せん断強度は、母材の引張強さ規格２７０ＭＰａの１／√３程度である１５０ＭＰａを基準せん断強度とし、それより強ければ○、悪ければ×として、表３に示した。
【００２５】
鋼板Ｈは、耐食性を向上させたＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系めっきを採用しているが、溶接材料にＳｉが添加されていないものは、腐食試験後の継手強度が低かった。破断形態を観察するとＡｌ系接合金属が母材との接合界面で剥離していた。接合界面にＦｅ−Ａｌ金属間化合物が生成したために、接合界面が極めて脆い組織となり、剥離が生じたと考えられる。
【００２６】
これに対し、Ｓｉ系Ａｌ接合材料を使用したものは、良好な耐食性を示すと共に腐食試験後の継手強度も良好であった。破断形態はＡｌ系接合金属部分での延性破壊であった。Ａｌ系接合材料へのＳｉ添加により、接合界面でのＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成が抑制されたと考えられる。
【００２７】
一方、５％Ｓｉ系Ａｌ接合材料を使用しても、めっき成分のＡｌ含有量や、めっき付着量により、複合サイクル腐食試験後の引張せん断強度に差が生じた。すなわち、めっき成分中のＡｌ量を増加させることによって接合部の耐食性向上が可能となった。Ａｌ系接合材料の融点は６６０℃程度であるが、熱源であるアークプラズマは数千℃に達するため、アークプラズマ直下の亜鉛めっきは蒸発し、熱影響部の亜鉛めっきは損傷する。
【００２８】
同様に、めっき成分中のＡｌもアークプラズマの熱によって蒸発するが、亜鉛の沸点９００℃程度に比べるとＡｌの沸点は２０００℃程度と高く、蒸発は少なくなる。その結果、めっき成分中にＡｌを６％以上含有させることによって、熱影響部がＡｌ成分によって保護されるため、耐食性が良好であったと考えられる。
【００２９】
この結果から、Ｓｉ添加Ａｌ接合材料と、６％以上のＡｌ成分をめっき中に含む亜鉛系合金めっき鋼板の組み合わせであれば、溶接後も良好な耐食性が得られ、引張せん断強度も１５０ＭＰａを確保できることがわかった。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
次に、基材となる亜鉛系合金めっき鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量と、該鋼板片面のめっき付着量により、継手強度がどのように影響を受けるか実験した。
【００３４】
亜鉛系合金めっき鋼板のめっき成分組成におけるＡｌ含有量は、０．１％、４％、６％、１１％、１５％、１８％であり、片面のめっき付着量がそれぞれ３０ｇ／ｍ２、５０ｇ／ｍ２、１００ｇ／ｍ２、１５０ｇ／ｍ２となる試験材をそれぞれ準備した。これら試験材を５％Ｓｉ系接合材料にて溶接し、上記と同様な重ね隅肉継手試験片を作成した。
【００３５】
これら継手試験片を、上記耐食試験と同様の複合サイクル腐食試験を行った後、引張試験を行い、継手の引張せん断強度を求めた。
その結果を、図３に示す。めっき成分組成におけるＡｌ含有量が４％以下、またはめっき付着量が３０ｇ／ｍ２以下の場合は、接合部の破断強度が低く（１５０ＭＰａ未満）、破断位置も接合界面から剥離する不安定な破断形態となった。これらの腐食試験片は接合部の腐食が進行しており、母材熱影響部からは赤錆が発生するとともに、Ａｌ接合金属部は腐食による減肉が発生していた。
【００３６】
一方、Ａｌ含有量が６％以上、かつめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上の場合は、破断強度が１５０ＭＰａ以上の比較的良好な接合部強度示し、腐食前と１５０サイクルの腐食試験後の継手強度はほとんど変化しなかった。腐食試験後の接合部には赤錆やＡｌ接合金属の減肉はほとんど観察されず、良好な継手耐食性を示していた。めっき成分組成におけるＡｌ含有量が増加したことで、上述のように溶接中のＡｌ成分の蒸発が少ないため、母材表面の熱影響部にＡｌの保護膜が形成された結果、良好な耐食性の確保が可能になったと考えられる。
【００３７】
このように、めっき成分におけるＡｌ含有量は腐食試験後の継手強度に影響を及ぼす。図４に示す結果からめっき成分におけるＡｌ含有量の下限は６％とした。上限は特に規定しないが、めっき成分におけるＡｌ含有量が１９％を超えると、めっき鋼板そのものの犠牲防食効果が不十分となり曲げ加工部の耐食性が低下するため、上限値は１９％とすることが望ましい。
【００３８】
また、めっき付着量については、適正な接合部の耐食性を確保するため下限値を５０ｇ／ｍ２とした。上限値は特に規定しないが、一般的な建材用の亜鉛系合金めっき鋼板のめっき付着量を参考にすると、上限は１５０ｇ／ｍ２とすることが望ましい。
【００３９】
次に、Ｓｉ添加Ａｌ系接合材料のＳｉ添加範囲について検討した。
５％Ｓｉ系接合材料を用いた場合は、引張せん断試験した試験片は、溶接金属内で破断しており、その破断強度（引張せん断強度）は、１５０ＭＰａ以上を示した。
【００４０】
これは、Ａｌ系接合金属中のＳｉ濃度が高まることによって、母材の鉄成分が接合金属中に拡散することを抑制し、その結果、接合界面のＦｅ−Ａｌ合金層の成長を抑制することが可能になったためと考えられる。また、接合金属中のＳｉ量増加によってＡｌ接合金属の強度が高まったため、比較的良好な継手強度が得られたと考えられる。
【００４１】
以上の検討から、Ａｌ系接合材料の合金成分としてＳｉの添加が有効であることが明らかとなった。Ｓｉの添加量が５％以下の場合はＦｅ−Ａｌ金属間化合物の生成抑制効果、ならびにＡｌ接合金属の強度向上の効果が十分でなく、またＳｉの添加量が１１％を超える場合はＡｌ接合金属が脆くなるため、適正なＳｉ添加量は５〜１１％とした。
【００４２】
本発明ではめっき成分組成として、Ａｌ以外にＭｇやＳｉを含有しても問題ないことを確認している。特に、近年耐食性に優れた建材としてＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材が脚光を浴びており、本発明を適用することにより、当該Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材での構築物の適用範囲が格段に広がり、その効果は大きい。
【００４３】
Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき鋼材では、Ａｌ：６〜１９％、Ｍｇ：０．５〜１０％、残部Ｚｎからなるめっきからなり、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきでは、Ａｌ：６〜１９％、Ｍｇ：０．５〜１０％、Ｓｉ：０．０１〜２％、残部Ｚｎからなるめっきが一般に用いられる。
【００４４】
例えば、Ａｌを１１％、Ｍｇを３％、Ｓｉを０．２％含み残部を主にＺｎとする新日本製鐵株式会社製「スーパーダイマ（登録商標）」鋼板あるいはＡｌを７％、Ｍｇを３％含み残部を主にＺｎとする日新製鋼株式会社製「ＺＡＭ（登録商標）」鋼板等がある。しかし、本発明ではこれらの鋼材やめっき成分組成に限定されるものではない。
【００４５】
次ぎに、継手の強度について検討する。
本発明では、Ｓｉ系Ａｌ接合材料を、鋼板の接合に使用しているため、溶接継手強度の観点では、鋼板の母材強度に劣る。そのため、耐食性では母材の亜鉛系合金めっき鋼板と同等であっても、構造体としての強度は、継手がネックとなる。
【００４６】
このネックを解消するため、継手における接合金属の接触部長さ（図１のＬｕ、Ｌｄ）及び、余盛高さ（Ｌｈ）を長くすることが効果的である。例えば、鋼板同士の重ね隅肉溶接の場合、接触部長さは、板厚程度であるが、アルミニウムは鉄の１／３程度の強度のため、接触部長さを板厚の３倍以上とすればよい。接触面積が増加するため、異種金属間の腐食リスクは高まるが、本発明の範囲内の接合材料と鋼板を選択すれば、特段問題ない。
【００４７】
本発明者らは、Ｚｎ＋１１％Ａｌ＋３％Ｍｇ＋０．２％Ｓｉめっきを施し、めっき付着量９０ｇ／ｍ２、板厚１．２ｍｍの鋼板同士を、５％Ｓｉ添加Ａｌ接合材料にて接合する試験を行った。このとき、接合部長さ（図１のＬｕ、Ｌｄ、Ｌｈ）をそれぞれ２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍとなるようにした試験片各を複合サイクル腐食試験後に引張せん断試験を実施した。その結果、接合部長さ２ｍｍと３ｍｍのものは、接合金属中で破断しているが、４ｍｍの試験片は接合金属部か鋼板母材で破断しており、６ｍｍの試験片は鋼板母材で破断していた。
【００４８】
この結果からも、接合部長さは、板厚の３倍以上にすれば、母材引張強さと同等程度の引張せん断強度を有することができる。接合部長さは安定した溶接を行うために板厚の１０倍以上あれることが望ましい。ただし、構造物の力のかかり方は、複雑であるため、この引張せん断力以外の力がかかる場合は、さらにそれに適した対応策が必要となるが、基本的な考え方は同じと考える。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明のＡｌ系接合材料を用いた亜鉛系合金めっき鋼板の接合方法によれば、接合の後、接合部に防食塗装処理を行わなくても接合部の耐食性を飛躍的に向上させることが可能となる。そのため、耐食機能を強化した亜鉛系合金めっき鋼板の適用範囲を格段に広げる技術であることは、言うまでもなく、広く産業分野の発展に貢献するものと考える。
【符号の説明】
【００５０】
１ 亜鉛系合金めっき
２ 亜鉛系合金めっき鋼板の母材
３ Ａｌ系接合金属
Ｌｕ、Ｌｄ 接合部長さ
Ｌｈ 接合部余盛高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、
亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合することを特徴とする接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手。
【請求項２】
前記亜鉛系合金めっきがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、および、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【請求項３】
亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、接合部長さおよび余盛高さが、当該亜鉛系合金めっき鋼板の板厚の３倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【請求項１】
亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、
亜鉛系合金めっき成分中のＡｌ含有量が６質量％以上であり、かつ片面当たりのめっき付着量が５０ｇ／ｍ２以上である亜鉛系合金めっき鋼板を、Ｓｉを５〜１１質量％含有するＡｌ系接合材料を用いて接合することを特徴とする接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手。
【請求項２】
前記亜鉛系合金めっきがＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、および、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっきの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【請求項３】
亜鉛系合金めっき鋼板同士の接合継手において、接合部長さおよび余盛高さが、当該亜鉛系合金めっき鋼板の板厚の３倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合部の耐食性に優れた亜鉛系合金めっき鋼板の接合継手。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２２１２４７（Ｐ２０１０−２２１２４７Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７０５１８（Ｐ２００９−７０５１８）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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