JP3749672B2

JP3749672B2 - 溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜

Info

Publication number: JP3749672B2
Application number: JP2001124972A
Authority: JP
Inventors: 明宇佐見; 康児田辺; 謙治加藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: JP2002322534A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜に関するものである。より詳しくは、Ｚｎ−５％Ａｌ合金めっきなど、ＡｌやＭｇなどを含有したＺｎ−Ａｌ合金めっき浴でも、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき金属からの浸食速度が、従来の溶融亜鉛めっき釜用鋼と比較して極めて低く、かつ、ガス切断や溶接施工が可能で経済的な、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼材料の経済的な防錆処理として溶融亜鉛めっきが広く使われている。溶融亜鉛めっきは、溶融亜鉛を入れた鋼製（炭素鋼、鋳鋼）の浴槽に鋼材を浸漬して行われる。
溶融亜鉛と直接接触する溶融めっき浴／鋼界面では、溶融亜鉛と鋼との反応により鉄−亜鉛合金層が形成されるため、鋼は溶融亜鉛による浸食を受ける。この溶融亜鉛による浸食速度は、溶融亜鉛の温度が５００℃付近で異常に大きくなり、めっき浴の温度管理が適切でないと、いわゆる溶融亜鉛浴による溶損として使用に耐えられなくなる。このような課題に対して、特開昭４９−１３０３１０号公報ではＣ：０．１２〜０．３％、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．２０〜２．０％、Ｐ：０．０１５％以下を特徴とする亜鉛めっき釜が開示されている。
【０００３】
近年、溶融亜鉛めっき鋼材の塩害地区などでの耐食性向上、鋼材のめっき層の防錆寿命の延長を目的としてＺｎ−Ａｌ合金めっき鋼材の使用が増えつつある。また、橋梁部材など大型構造物のＺｎ−Ａｌ合金めっき鋼材の適用も検討されつつあり、セラミック製や鋳鋼製の溶融亜鉛めっき釜に代えて、経済性に優れ、溶接施工による大型化が可能な溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼材が求められている。
【０００４】
合金亜鉛溶融めっきの代表例としてＺｎ−５％Ａｌ合金溶融めっきが挙げられる。浴中のＡｌ量の増加に従って純亜鉛浴に比べて融点はやや低下するにもかかわらず、釜用鋼の浸食速度が著しく増大し、前記特開昭４９−１３０３１０号公報で開示されているような通常の溶融亜鉛めっき用釜では浸食速度が速く、溶融亜鉛めっき浴での釜の寿命ほど耐用年数が得られない場合があるといった問題点があった。
【０００５】
このような問題点に対して特開平４−２０２７４０号公報では、Ｃ：２．５〜３．５％、Ｓｉ：１．５〜２．５％、その他Ｍｎ，Ｐ，Ｓを微量含有することを特徴とするＺｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼材が開示されているが、高Ｃ、高Ｓｉ系の鋳鋼であることから溶接でめっき浴を製作することが極めて難しく、小型の浴への適用に限られるといった問題点があった。また、発明者らの検討によれば、高Ｃ系鋳鉄でも耐浸食性は、必ずしも十分ではなく、満足な耐用年数は得られない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、溶融亜鉛めっき釜用鋼における以上のような問題点を解決し、溶接構造用鋼として所要の強度、靭性、溶接性を具備しながらＺｎ−Ａｌ合金めっき浴でも十分に実用に耐えうる耐浸食性を有する、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜を提供することをその課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼の耐浸食性に対する種々の添加元素の効果を鋭意検討の結果、Ｃｒの添加によって耐浸食性が大幅に向上することを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．０００５〜０．０５％、Ｓｉ：０．００５〜０．２５％、Ｍｎ：０．１〜１．１％、Ｐ：０．０１％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｒ：３．５〜６．５％、Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有し、残部鉄ならびに不可避的不純物からなることを特徴とする溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
（２）質量％で、さらに、Ｃｕ：０．１〜１％、Ｎｉ：０．１〜１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
（３）質量％で、さらに、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１２％、Ｖ：０．０２〜０．１２％、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
（４）質量％で、さらに、Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
（５）前記（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼を、３．５質量％以上のＣｒを含有する溶接材料により溶接してなることを特徴とする溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明について詳細に説明する。
まず、本発明にかかわる溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼の成分元素とその含有量について説明する。以下％は質量％を意味する。
Ｃｒは、本発明の重要な元素である。図１は、溶融Ｚｎ−５％Ａｌ合金めっき浴中での鋼の耐浸食性に対する鋼のＣｒ含有量の影響を示した図である。このように、Ｃｒは溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴での耐浸食性に対して極めて有効な元素であるが、３％程度のＣｒ含有量では局部的な浸食が生じる場合があるため十分な耐浸食性を確保するためには、３．５％以上の含有が必要である。Ｃｒ含有量は多いほど耐浸食性は向上するが、その効果は６．５％で実用上十分であり、それを超えて含有させても耐浸食性の向上度合が小さく、鋼のガス切断性や経済性を損なうので、Ｃｒ含有量は３．５〜６．５％とする。実用上、４．５〜５．５％の含有量とするのが好ましい。
【０００９】
Ｃは、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴の高温で強度を確保するために０．００５％以上を含有させることが必要である。一方、３．５〜６．５％のＣｒを含有する、本発明鋼においては、Ｃ含有量の増加にともなって耐浸食性が低下するとともに、溶接性を損ない、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金中における液体金属脆化感受性が増すので０．０５％を上限とし、Ｃの含有量は０．００５〜０．０５％とした。なお、強度と耐浸食性をバランスさせる観点から、０．００５〜０．０１％の含有量とするのが好ましい。
【００１０】
Ｓｉは、脱酸のため０．００５％以上の添加が必要であるが、本発明の低Ｃ−Ｃｒ含有鋼においては、耐浸食性をやや阻害し、０．２５％を超えると耐浸食性が不足するので、Ｓｉの含有量は０．００５〜０．２５％とする。耐浸食性を十分確保するためには、０．００５〜０．０５％を含有させるのが好ましい。
Ｍｎは、脱酸および強度確保のために０．１％以上含有させるが、１．１％を超えて含有させると溶接性が低下するので、その含有量は、０．１〜１．１％とする。
【００１１】
Ｐ，Ｓは、耐浸食性を著しく阻害する不純物元素であり、少ないほど好ましいが、それぞれを０．０１％以下とすることでその阻害効果はほぼ抑制できるので、経済性の点から、それぞれの含有量を０．０１％以下とする。耐浸食性をより十分に確保する場合には、それぞれを０．００５％以下とすることが好ましい。
Ｃｕ，Ｎｉは、含有させることにより耐浸食性の向上が期待できるので、必要に応じて１種または２種以上を０．１％以上含有させる。しかしながら、その効果は１％で飽和するので、含有量はそれぞれ０．１〜１％とする。
【００１２】
Ｍｏ，Ｎｂ，Ｖは、高温強度の向上を目的として、１種または２種以上を必要に応じて含有させるが、他の特性に悪影響を与えること無く十分な効果を得るために、含有量はそれぞれ、Ｍｏ：０．１〜１．５％、Ｎｂ：０．０２〜０．１２％、Ｖ：０．０２〜０．１２％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％とする。
Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭは、鋼中Ａｌ，Ｏ，Ｎと非金属化合物を形成し、鋼の清浄度を改善して溶接性などが向上するため、必要に応じて含有させる。他の特性に悪影響を与えること無く十分な効果を得るために、含有量はそれぞれ、Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％とする。
【００１３】
なお、高温強度、耐酸化性、溶接部靭性などの諸特性の向上を目的として、本発明鋼にさらに、Ｓｂ，Ｓｎ，Ａｓ，Ｃｅ，Ｂａ，Ｗを含有させても本発明の効果を阻害するものではない。
本発明鋼は、鉄鋼業の製鋼工程において所定の化学成分に調整し、連続鋳造または造塊法により鋼片を製造し、これを加熱、圧延あるいは鍛造、冷却などの各工程の諸条件を適切に制御して所要の鋼板となし、これを溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼として使用することができる。
【００１４】
次に、本発明鋼を使用した溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜について説明する。
本発明鋼は上述のとおりガス切断性、溶接施工性にも優れており、本発明鋼を使用して溶接により溶接Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜、特に大型のものも製作することができる。
本発明鋼を使用して溶接構造で溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜を製作するに際し、本発明では、溶接材料を適切に選定するものである。すなわち、Ｃｒを３．５％以上含有する溶接材料を使用し、溶接して製作する。Ｃｒを３．５％以上含有する溶接材料を使用することにより、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴中での溶接金属部の板厚減少を小さくするとともに、母材、溶接部における局部腐食を抑制することができる。一方、溶接材料のＣｒ含有量が３．５％未満であると、溶接金属部の板厚が大きく減少し、溶接部の耐浸食性を確保することができない。
【００１５】
このような溶接材料としては、たとえば５Ｃｒ−０．５Ｍｏ系の耐熱鋼用溶接材料、ＳＵＳ３０９などのオーステナイト系の異材継手用溶接材料などを使用することができる。溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜は、本発明の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼の鋼板を、所要の形状に切断し、上述の溶接材料を使用して溶接して製作する。溶接方法は、アーク溶接、レーザー溶接など、所要の溶接方法を採用することができる。
【００１６】
さらに、本発明鋼を使用した溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜内面の一部または全面を、Ｎｉ基高合金やセラミックなどの耐浸食性に優れた素材で被覆することは、さらなる安全性やメインテナンスの軽減の点で有効である。また、本発明の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜は、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴で特に効果を発揮するが、純亜鉛溶融めっき浴の釜として用いても従来とは比較にならないほどの長寿命となり、メインテナンスやめっき釜の休止などを軽減でき、トータルコストの点で極めて優れた溶融亜鉛めっき釜とすることができる。
【００１７】
【実施例】
表１に示す化学組成の鋼を真空溶解で溶製後、熱間圧延して板厚が１０ｍｍと２４ｍｍの鋼板をそれぞれ試作し、板厚１０ｍｍの鋼板から１０ｍｍ厚×４５ｍｍ×９５ｍｍの浸漬試験片を採取し、板厚２４ｍｍの鋼板はガス切断試験に供した。
【００１８】
【表１】

【００１９】
なお、比較鋼Ａ１は市販の普通鋼（ＳＳ４００）、Ａ２は特開昭４９−１３０３１０号公報で開示された市販の亜鉛めっき釜用鋼、Ａ３は市販の高炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）であり、所要の板厚のものを入手して、上記と同様の浸漬試験片を製作するとともに、ガス切断試験に供した。
また、本発明鋼B１２については、１０ｍｍ厚×４５ｍｍ×９５ｍｍの鋼板を長手方向で２分割し、分割面を突合せ、表２の溶接材料で溶接金属のビード幅を約２５ｍｍとして溶接し、継手試験片を製作した。
【００２０】
【表２】

【００２１】
なお、表２の溶接材料Ｗ１は、軟鋼用のアーク溶接材料、Ｗ２は、５Ｃｒ−０．５Ｍｏ系の耐熱鋼の溶接材料、Ｗ３は、オーステナイト系の異材継手溶接材料である。継手試験片の表裏面を機械研削した後、浸漬試験片とした。
浸漬試験片はいずれも表面を脱脂洗浄後、初期質量、板厚を測定した後、直ちに、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴に最長６０日間浸漬した。溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴の組成は、質量％でＡｌ：５．５％、Ｍｇ：０．１％、残部がＺｎからなり、浴温度は４３０℃で一定とした。所定の時間浸漬後、三酸化アンチモン20ｇ/l溶液5ml、36％塩酸水溶液100mlおよび純水100mlを混合した酸洗溶液中に、試験片を１０分以上浸漬して、合金亜鉛めっき皮膜層を除去し、水洗乾燥後、板厚および質量減少量を測定した。
【００２２】
表１に、浸漬後の最大板厚減少量、平均質量減少量を示す。比較鋼Ａ１〜Ａ８は、主としてＣｒの含有量が本発明の範囲を下回るため、局部浸食が発生し、あるいは全面浸食も激しく、耐浸食性が劣っている。比較鋼Ａ９〜Ａ１２は、Ｃｒが本発明の範囲を超えており、耐浸食性は良好であるが、ガス切断性、経済性の点で劣っている。比較鋼Ａ１３はＣが、比較鋼Ａ１４はＳｉが、比較鋼Ａ１５はＳｉ，Ｐがそれぞれ本発明の範囲を超えており、局部浸食が激しく耐浸食性に劣る。このように比較鋼は溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼としては適切ではない。一方、本発明例Ｂ１〜Ｂ１８は、いずれも全面浸食形態をとり局部浸食は認められなかった。最大浸食深さ、平均浸食速度も最大で、それぞれ０．１４ｍｍ／６０日、１．４２mg/cm²/dayと、比較鋼に比べて約1/100の浸食速度であり、本発明鋼が十分な耐浸食性を有していることがわかる。
【００２３】
表３に、表２の溶接材料を用いて製作した継手試験片の浸漬試験結果を示す。浸漬浴の組成と浸漬、処理条件は母材鋼の場合と同じである。表３から、本発明鋼とＣｒを殆んど含有しない軟鋼用溶接材料（Ｗ１）との溶接では、溶接部が激しく浸食されるが、本発明鋼と本発明範囲の３．５質量％以上のＣｒ量を含有する溶接材料（Ｗ２）またはオーステナイト系の異材継手用溶接材料（Ｗ３）との継手は、いずれも溶接部、母材の局部浸食も認められず良好であり、耐浸食性で問題ないことがわかる。
【００２４】
また、鋼のガス切断性を、ガス切断試験により評価した。すなわち、表１に示した化学組成の板厚２４ｍｍの鋼板を、切断速度３２０ｍｍ／分にて３０°の開先形状をガス切断し、切断面の粗度およびノッチの有無を目視で評価し、○良好または×不可で評価した。結果を表１に示すが、比較鋼Ａ９〜Ａ１１はＣｒが上限の６．５％を超えているので、ガス切断面にノッチが多数生じ、×不可の評価であるが、本発明鋼はいずれも良好なガス切断性を有していることがわかる。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明鋼は、溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴中でも、めっき浴による溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜の母材浸食が少なく、また溶接可能な鋼材であり、かつ、適切な溶接材料を用いれば溶接部においても溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき浴による浸食が少ない。従って、本発明は、長寿命が期待でき経済性にも優れた溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼および溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融Ｚｎ−５％Ａｌめっき浴中での鋼の浸食速度に及ぼす鋼のＣｒ含有量の影響を示した図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０５％、
Ｓｉ：０．００５〜０．２５％、
Ｍｎ：０．１〜１．１％、
Ｐ：０．０１％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
Ｃｒ：３．５〜６．５％、
Ａｌ：０．００５〜０．１％を含有し、残部鉄ならびに不可避的不純物からなることを特徴とする溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
質量％で、さらに、
Ｃｕ：０．１〜１％、
Ｎｉ：０．１〜１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
質量％で、さらに、
Ｍｏ：０．１〜１．５％、
Ｎｂ：０．０２〜０．１２％、
Ｖ：０．０２〜０．１２％、
Ｔｉ：０．００５〜０．０５％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
質量％で、さらに、
Ｃａ：０．０００２〜０．０１％、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％、
ＲＥＭ：０．０００２〜０．０１％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜用鋼を、３．５質量％以上のＣｒを含有する溶接材料により溶接してなることを特徴とする溶融Ｚｎ−Ａｌ合金めっき釜。