説明

溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板とその製造方法

【課題】 Alを添加した高耐食性めっき鋼板において、溶接性が優れためっき鋼材を提供すること。
【解決手段】 Al:4質量%以上からなり、好ましくはAl:4〜10質量%、Mg:1〜5質量%、又はAl:4〜22質量%、Mg:1〜5質量%、Si:0.5質量%以下で残部Znからなり、かつ、Al相の中にブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有するめっき層を鋼板表面に形成させることにより、溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板を得る。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、めっき鋼板に係わり、更に詳しくは優れた溶接性を有し、種々の用途、例えば家電用や自動車用、建材用鋼板として適用できるめっき鋼板に関するものである。
【背景技術】
【0002】
耐食性の良好なめっき鋼材として最も使用されるものに亜鉛系めっき鋼板がある。これらのめっき鋼板は自動車、家電、建材分野など種々の製造業において使用されている。
【0003】
特にAlを添加しためっきは耐食性が高いため近年使用量が増加している。
【0004】
こうした亜鉛系めっき鋼板の耐食性を向上させることを目的として本発明者らは、溶融Zn−Al−Mg−Siめっき鋼板を提案した(特許文献1参照)。
【0005】
また、表面の平滑性を向上させることを目的として本発明者らは、高融点の金属間化合物を添加しためっき鋼板(特許文献2参照)、Al系金属間化合物を添加しためっき鋼板(特許文献3参照)を提案した。
【0006】
【特許文献1】特許第3179446号公報
【特許文献2】特開2003−293108号公報
【特許文献3】特開2003−328100号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上記及びその他これまで開示されためっき鋼板では、溶接性が十分に確保されていない。
【0008】
Zn−Alの二元系合金は6質量%Al−94質量%Znに共晶点を持ち、それよりAl濃度が高い場合、初晶としてAl相が晶出する。
【0009】
また、Zn−Mg−Alの三元系合金は3質量%Mg−4質量%Al−93質量%Znに3元共晶点を持ち、それよりAl濃度が高い場合、初晶としてAl相が晶出する。
【0010】
初晶としてAl相が晶出する場合、Al相が不均一に成長することによって、溶接性が劣化するという問題点を有している.めっき鋼板の表面は、高融点の金属間化合物やAl系金属間化合物の添加により、平滑性を向上させることは可能であるが、Al相を均一に晶出させ、溶接性を向上させることは不十分であった。
【0011】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、4質量%を超えるような高Al濃度の溶融めっき鋼板において、溶接性が優れためっき鋼板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明者らは、溶接性が優れためっき鋼板の開発について鋭意研究を重ねた結果、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をAl相の中に含有させることにより、Al4質量%以上からなるめっき層の溶接性が向上するという新たな知見を見出し、本発明を完成するに至ったものである。
【0013】
すなわち、本発明の趣旨とするところは、以下のとおりである。
【0014】
(1) Al:4質量%以上からなり、かつ、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をAl相の中に含有するめっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0015】
(2) Al:4〜10質量%、Mg:1〜5質量%、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有し残部がZn及び不可避的不純物よりなるZn合金めっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0016】
(3) Al:4〜22質量%、Mg:1〜5質量%、Si:0.5質量%以下、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有し残部がZn及び不可避的不純物よりなるZn合金めっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0017】
(4) 上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の金属間化合物の結晶系が、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、六方晶のいずれかであることを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0018】
(5) 上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の金属間化合物の含有量が、1質量%以下であることを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0019】
(6) ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を持つ金属間化合物を結晶核とし、Al相のデンドライトの一次アームが[110]方向に成長していることを特徴とする上記(1)乃至(5)のいずれかに記載された溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【0020】
(7) ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をめっき層中に含有させ、Al相の核生成サイトとして利用することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【0021】
本発明により、Al:4質量%以上からなるめっき鋼板において、溶接性が優れた高耐食性めっき鋼材を製造することが可能となり、工業上極めて優れた効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下に本発明を詳細に説明する。
【0023】
本発明の溶融めっき鋼材は、Al:4質量%以上からなり、かつ、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有するめっき層を表面に有することを特徴とするめっき鋼材である。
【0024】
本発明において、溶融めっきとは溶融Zn浴にAlを添加し、さらに必要に応じてSi、Mgの一種または二種を添加したもの、または、溶融Al浴に、Siを添加し、さらに必要に応じてZn、Mgの一種または二種を添加したものにブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を添加したものである。
【0025】
本発明において、Alの含有量を4質量%以上に限定した理由は、4質量%未満のAl量では耐食性を向上させる効果が十分でないためである。また、4質量%未満では初晶としてAl相が晶出しないため、溶接性が低下するという問題は起こらない。
【0026】
本発明において、Al相とはめっき層中に明瞭な境界をもって島状またはデンドライト状に見える相であり、これは例えばAl−Znの二元系平衡状態図における高温での「Al相」(Znを固溶するAl固溶体)に相当するものである。この高温でのAl相はめっき浴のAl濃度応じて固溶するZn量が相違する。この高温でのAl相は常温では通常は微細なAl相と微細なZn相に分離するが、常温で見られる島状の形状は高温でのAl相の形骸を留めたものであると見てよい。この高温でのAl相(Al初晶と呼ばれる)に由来し且つ形状的にはAl相の形骸を留めている相を本明細書ではAl相と呼ぶ。
【0027】
Al相は、Al−Znの二元系、Al−Siの二元系、Al−Zn−Siの三元系、Al−Zn−Mgの三元系、Al−Si−Mgの三元系、Al−Zn−Mg−Siの四元系において、めっき浴の合金濃度応じて固溶する元素量が相違し、常温での相形態も相違してくるが、いずれの場合においてもAl初晶に由来する形骸を留めており、顕微鏡観察において明瞭に区別できるため、本明細書ではこれらをAl相と呼ぶ。
【0028】
Al含有量の上限は特に限定しないが、耐食性向上を目的としてMgを添加したZn系めっき鋼板では、Alの含有量が22質量%を超えると耐食性を向上させる効果が飽和するため22質量%以下とすることが望ましい。ただしZn−Al−Mg系めっき層においてAlの含有量が10質量%を超えるとめっき密着性の低下が著しいため、Siを添加していないめっき中のAlの含有量は4〜10質量%に限定することが望ましい。
【0029】
従って、本発明の亜鉛系めっき層のめっき密着性を確保するためにはめっき中にSiを添加することが望ましい。Siの含有量を0.5質量%以下(0質量%を除く)に限定した理由は、Siは密着性を向上させる効果があるが、0.5質量%を超えると密着性を向上させる効果が飽和するためである.望ましくは0.00001〜0.5質量%である。さらに望ましくは0.0001〜0.5質量%である。Siの添加はAlの含有量が10質量%を超えるめっき層には必須であるが、Alの含有量が10%以下のめっき層においてもめっき密着性向上に効果が大きいため、加工が厳しい部材に使用する等、高いめっき密着性を必要とする場合にはSiを添加する必要がある。また、Si添加によりめっき層の凝固組織中に〔Mg2Si相〕が晶出する。この〔Mg2Si相〕は加工部耐食性向上に効果があるため、Si、の添加量を多くし、めっき層の凝固組織中に〔Mg2Si相〕が混在した金属組織を作製することが望ましい。
【0030】
Mgの含有量を1〜5質量%に限定した理由は、1質量%未満では耐食性を向上させる効果が不十分であるためであり、5質量%を超えるとめっき層が脆くなって密着性が低下するためである。〔Mg2Si相〕はMgの添加量が多いほど晶出しやすいため、加工部耐食性向上を目的とした場合、Mgの含有量を2〜5質量%とすることが望ましい。
【0031】
本発明において、めっき中にブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をAl相の中に含有させる理由は溶接性を向上させるためである。
【0032】
ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をめっき層に添加することにより溶接性が向上する理由は、以下の3つの理由が考えられる。
【0033】
1.この金属間化合物の添加によりAl相の結晶が微細で均一な等軸晶となり、めっき層中の合金組織分布が均一となるため、接触抵抗の値のバラツキが小さくなる。
【0034】
2.この金属間化合物の添加によりAl相の結晶が微細で均一な等軸晶となり、均質な凝固が起こるため、めっき層の厚みに差ができ難くなる。
【0035】
3.この金属間化合物の添加により多数のAl相の結晶が晶出した結果、1つの結晶のデンドライトが短くなり、めっき表面に突出するAl相のデンドライトが減少するため、表面抵抗の値のバラツキが小さくなる。
【0036】
また、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を添加することによりAl相の結晶が微細で均一な等軸晶となる理由は、この格子面がAlの{100}面と整合性が良いためであると考えられる。このAlの{100}面と整合性が良い格子面を表面にもつ金属間化合物を添加することにより、Al相の核生成サイトとして働き、微細で均一なAl相の結晶が多数晶出し、均一なめっき層が形成することで溶接性が向上すると考えられる。
【0037】
ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔を3.64Å以上4.46Å以下に限定した理由は、3.64Å未満、又は4.46Åを超えるとAlの{100}面と整合性が悪くなり、溶接性を向上させる効果が見られないためである。
【0038】
また、Alの結晶系は立方晶であるため、金属間化合物の結晶系は、軸角に直角を持つ立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、六方晶のいずれかであることが望ましい。
【0039】
金属間化合物は少量の添加で効果を発揮し、添加量が多くなるとめっき後の外観が粗雑になる等の外観不良が発生するため、上限は1質量%が望ましい.更に望ましくは0.1質量%以下である。
【0040】
本発明者が本発明の多数のめっき中のAl相を調査した結果、Al相のデンドライトの中心から大きさ0.1〜10μmの金属間化合物が観察された。さらにTEMを用いて金属間化合物とAl相のハビットプレーンを観察したところ、金属間化合物の格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面からAl相の{100}面がエピタキシャルに成長していることが確認された。
【0041】
Al相中に存在する金属間化合物の一例として、Zn−Al−Mg−Si系めっき中のAl相中に存在するTiAl3を図1に示す。このTiAl3は、実際にはSiを固溶しているか化合物中のAlの一部がSiの置き換わっており、EDXで調べるとSiも検出されたが、電子線回折で得られる結晶構造はTiAl3と同一であるため、ここではTiAl3と表す。
【0042】
図1の上段の図(a)は、本発明におけるめっき鋼材のめっき層の顕微鏡写真(倍率3000倍)であり、該写真中の各組織の分布状態を図示したものが下段の図(b)である。この図からも解るように、本発明におけるめっき鋼材のめっき層の顕微鏡写真によって明確にAl相を特定することができる。
【0043】
図2の上段の図(a)は、図1に示した本発明におけるめっき鋼材のめっき層の透過電子顕微鏡写真(倍率150000倍)であり、該写真中のAl相の電子線回折結果を図示したものが下段の図(b)であり、TiAl3相の電子線回折結果を図示したものが下段の図(c)である。図(b)の電子線回折結果はa軸が4.0494ÅのFCC構造を示しており、観察部がAlであると同定される。図(c)の電子線回折結果はa軸が3.8537Å、c軸が8.5839ÅのD022構造を示しており、観察部がTiAl3であると同定される。
【0044】
図3の図は、図2のAl相とTiAl3相を同時に測定した電子線回折結果を図示したものである。図3の電子線回折結果からそれぞれの結晶方位を同定すると、(010)TiAl3//(001)Al、(001)TiAl3//(100)Al、(100)TiAl3//(010)Alとなり、AlとTiAl3の結晶の単位格子を構成する各格子面が全て平行となる結晶方位関係を示していることが解る。
【0045】
図4の図は、図2のAl相とTiAl3相のハビットプレーンの組成像を図示したものである。この組成像からTiAl3の(001)面からAlの(010)面がTiAl3の(100)面と平行にエピタキシャルに成長していることが解る。
【0046】
このようにTEMを使用することにより、金属間化合物とAlのハビットプレーンを解析することが可能となる。
【0047】
金属間化合物の添加方法については特に限定するところはなく、金属間化合物の微粉末を浴中に混濁させる方法や、金属間化合物を浴に溶解させる方法等が適用できる。
【0048】
本発明の下地鋼板としては、熱延鋼板、冷延鋼板共に使用でき、鋼種もAlキルド鋼、Ti、Nb等を添加した極低炭素鋼板、およびこれらにP、Si、Mn等の強化元素を添加した高強度鋼、ステンレス鋼等種々のものが適用できる。本発明品の製造方法については、特に限定することなく鋼板の連続めっき、どぶづけめっき法など種々の方法が適用できる。下層としてNiプレめっきを施す場合も通常行われているプレめっき方法を適用すれば良い。
【0049】
めっきの付着量については特に制約は設けないが、耐食性の観点から10g/m2以上、加工性の観点から350g/m2以下で有ることが望ましい。
【実施例】
【0050】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【0051】
まず、厚さ0.8mmの冷延鋼板を準備し、これに各種金属間化合物を添加した450〜700℃のZn−Al系溶融めっき浴で3秒溶融めっきを行い、N2ワイピングでめっき付着量を片面70g/m2に調整し、冷却速度10℃/s以下で冷却した。得られためっき鋼板のめっき組成と添加した金属間化合物を表1に示す。金属間化合物はEPMAを使用して元素と組成を分析した。金属間化合物の大きさは何れも1〜5μmの範囲であった。表1〜3に各金属間化合物のAlの{100}面と近い面の面指数とその面を構成する格子方向の方向指数、及び面間隔を示す。
【0052】
Al系金属間化合物の中には製造した際にAlの一部がSiに置換されたと考えられるものも存在したが、面間隔に大きな変化が見られなかったため、実施例ではSiに置換されていないAl系金属間化合物として表記した。
【0053】
Al相と金属間化合物の結晶方位は、TEM及びEBSPを用いて決定し、Al相の{100}面と金属間化合物の各格子面の整合性を調査した。結果を表1に示す。Al相の中に含有され、金属間化合物の格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に有し、その格子面からAl相の{100}面がエピタキシャルに成長していることが確認されたものを○、Al相の中からは観察されず、Al相の各格子面と金属間化合物の各格子面に関連性が見られなかったものを×とした。
【0054】
溶接性は、限界連続溶接打点数を評価した。限界連続溶接打点数とは、必要なナゲット径を確保できる連続溶接打点数の上限のことであり、以下の手順で求めた。
(a) 原板:板厚0.8mmの試験材を2枚1組で使用
(b) 電極:分散強化銅、先端径6mmφのドーム型電極(材質記号DHOM)を使用
(c) 電極間加圧力:250kgf
(d) 溶接パターン:次の{ }内の加圧・通電パターンをスポット溶接の1サイクルとする。{加圧開始→(0.5秒間)→所定電流値の電流値を印加(0.2秒間)→加圧力解放}
(e) 溶接電流値:適正溶接電流範囲の中間値=(下限電流値+上限電流値)/2
ナゲット径3.6mm以上を確保できる最低電流値を下限電流値、試験板と電極との間に強い溶着を生じる最低電流値を上限電流値とする。
(f) 限界連続溶接打点:(a)〜(e)の条件で2枚組の試験片を連続溶接。打点速度は1点/3秒。
【0055】
試験片間に形成されるナゲットの直径が3.6mm未満とならない最大連続打点数を限界連続打点数とし、以下に示す評点づけで判定した。評点は2以上を合格とした。
1:連続打点数100点未満
2:連続打点数100点以上200点未満
3:連続打点数200点以上500点未満
4:連続打点数500点以上
結果を表1〜3に示す。番号15、16、17、18は金属間化合物のAlの{100}面と近い面を構成する格子面の格子方向の面間隔が、本発明の範囲外であるため溶接性が不合格となった。番号19、26、33、40、47、54は金属間化合物を添加していないため溶接性が不合格となった。
【0056】
これら以外の本発明品は、溶接性が優れためっき鋼板であった。
【0057】
【表1】

【0058】
【表2】

【0059】
【表3】

【産業上の利用可能性】
【0060】
以上述べてきたように、本発明により、Al4質量%以上からなるめっき鋼板において、溶接性が優れた高耐食性めっき鋼板を製造することが可能となった。これまで連続打点数が足りないために使用できなかったプレス品に高耐食性鋼板の使用が広がることによって、これらプレス品の耐久性向上に大いに貢献可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】Al相中に存在する金属間化合物の一例を示す図で、(a)はめっき鋼板のめっき層の顕微鏡写真(3000倍)で、(b)は写真中の各組織の分布状態を示した図である。
【図2】図1のAl相と金属間化合物のTEM観察結果で、(a)はAl相とTiAl3相の透過電子顕微鏡写真(150000倍)で、(b)はAl相の電子線回折結果、(c)はTiAl3相の電子線回折結果を示した写真である。
【図3】図2のAl相とTiAl3相を同時に測定した電子線回折結果を示した写真である。
【図4】図2のAl相とTiAl3相のハビットプレーンの組成像を示した写真である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
Al:4質量%以上からなり、かつ、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物をAl相の中に含有するめっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項2】
Al:4〜10質量%、Mg:1〜5質量%、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有し残部がZn及び不可避的不純物よりなるZn合金めっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項3】
Al:4〜22質量%、Mg:1〜5質量%、Si:0.5質量%以下、ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を含有し残部がZn及び不可避的不純物よりなるZn合金めっき層を表面に有することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の金属間化合物の結晶系が、立方晶、正方晶、斜方晶、単斜晶、六方晶のいずれかであることを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項5】
請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の金属間化合物の含有量が、1質量%以下であることを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項6】
ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を表面に持つ金属間化合物を結晶核とし、Al相のデンドライトの一次アームが[110]方向に成長していることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載された溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板。
【請求項7】
ブラベー格子の格子面を構成する格子方向の面間隔が3.64Å以上4.46Å以下である格子面を持つ金属間化合物をめっき層中に含有させ、Al相の核生成サイトとして利用することを特徴とする溶接性に優れる高耐食性溶融めっき鋼板の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2007−84844(P2007−84844A)
【公開日】平成19年4月5日(2007.4.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−271782(P2005−271782)
【出願日】平成17年9月20日(2005.9.20)
【出願人】(000006655)新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Fターム(参考)】