JP3239656B2 - 耐食性及び溶接性に優れた表面処理鋼材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐食性及び溶接性、特
にアーク溶接性に優れ、自動車、家電製品、建材などの
分野で使用するのに適した表面処理鋼材に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車をはじめとして、家電製
品、建材等の分野には、鋼板表面に各種のめっきを施し
た表面処理鋼板が広く使用されている。その代表的なも
のに、亜鉛及び亜鉛合金めっき鋼板がある。これらの亜
鉛系めっき鋼板は、腐食環境で亜鉛が優先的に溶解する
犠牲防食能により、端面や傷部等の皮膜欠陥部において
も母材鋼板を十分に保護する能力を有している。しか
し、これらの使用分野における腐食環境がますます厳し
くなる傾向にあり、従来の亜鉛系めっき鋼板では、耐食
性が十分ではなく、厳しい腐食環境に耐えられなくなり
つつある。

【０００３】このようなことから、鋼板表面にアルミニ
ウムまたは、アルミニウム合金をめっきしたアルミニウ
ム系めっき鋼板が開発され、実用化されつつある。たと
えば、塩水環境に曝されるいわゆるウオーターフロント
の構造物には、純アルミニウム、またはZn−５％Al、Zn
−55％Al、Al−８〜10％Si等のアルミニウム合金を鋼板
表面にめっきしたアルミニウム系めっき鋼板が採用され
ている。

【０００４】また、鋼板母材そのものに耐食性を持たせ
た自動車用鋼板としては、少量のCu、Ｐ、Ni等の元素を
添加して、表面に緻密な腐食生成物皮膜を形成させた鋼
板が、特公昭57−14748 号公報に提案されている。

【０００５】一方、例えば自動車足廻り部材の組立ての
場合、鋼板のプレス成形後にアーク溶接により組立てを
行うことが多い。この時、めっきの施されていない普通
の鋼板では溶接性は特に問題にならないが、亜鉛系めっ
き鋼板の場合は、めっきの蒸発に起因するブローホール
等の溶接欠陥が多発する。そのため、部品強度、特に疲
労強度の低下が懸念され、継手の信頼性が十分でないと
いう問題があった。

【０００６】溶接技術上で上記の問題点を解決する方法
として、予め溶接部およびその近傍のめっき層を除去す
ることが知られているが、非常に手間がかかり経済性を
損なう上、その部分の耐食性が低下するという問題があ
る。また、溶接用ワイヤの成分を調整して欠陥を減少さ
せるという方法に関する多数の提案 (例えば、特開平1
−143775号公報参照) があるが、ブローホールの発生を
十分抑制することは未だ困難であり、根本的に問題が解
決されているとは言い難い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、現状で
は、耐食性とアーク溶接性の両方を十分に満足するよう
な鋼板はない。本発明の目的は、従来のめっき鋼板より
も優れた耐食性を備え、しかも継手の信頼性を確保でき
るまでにアーク溶接時の溶接欠陥発生量を低減すること
が可能な表面処理鋼材、特に鋼板を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、微量のC
u、Ｐ、Niを添加した鋼材にアルミニウム−マンガン合
金めっきを施した表面処理鋼材が、従来の亜鉛系めっき
鋼板と同等以上の耐食性を示し、かつアーク溶接部の欠
陥発生量が著しく抑制されることを見出し、本発明に到
達した。

【０００９】本発明の要旨は、重量％にて、Ｃ：0.0001
〜0.020 ％、Si：1.5 ％以下、Mn：0.05〜2.0 ％、Ｐ：
0.020〜0.12％、Ｓ：0.020 ％以下、Cu：0.10〜0.80
％、Ni：0.01〜0.50％、sol.Al：0.10％以下、Ｎ：0.00
80％以下、Ｂ：０〜0.0050％、残部：Feおよび不可避不
純物からなる鋼材の表面に、付着量が 0.1〜50 g/m² 、
Mn含有量が１〜50重量％のアルミニウム−マンガン合金
めっき皮膜を有することを特徴とする、耐食性及び溶接
性に優れた表面処理鋼材である。

【００１０】なお、上記の鋼材の組成中、Ｂは任意添加
成分であり、添加しなくてもよいが、添加する場合には
Ｂ：0.0003〜0.0050％の割合とすることが好ましい。本
発明の表面処理鋼材の形態は特に制限されず、鋼板以外
に、型鋼、鋼管、棒鋼、鋼線など各種形態の鋼材を本発
明に従って表面処理することができるが、以下の説明で
は、代表例として鋼板を母材とする表面処理鋼板につい
て本発明を説明する。

【００１１】

【作用】本発明によれば、鋼板母材に微量のCu、Ｐ、Ni
を添加し、この鋼板の少なくとも片面にアルミニウム−
マンガン合金 (以下、Al−Mn合金と表記) めっきを施す
ことで、より薄目付けで従来の亜鉛系めっき鋼板に匹敵
するか、それを凌駕する耐食性を確保し、かつアーク溶
接部の欠陥の発生量を著しく抑えることが可能となっ
た。その理由は下記のように考えられる。

【００１２】一般に、亜鉛系めっき皮膜はZnの優先溶解
による犠牲防食能で母材鋼板を保護するが、厳しい腐食
環境下ではめっき皮膜の溶出が速すぎて、皮膜が損耗
し、耐食性を十分に確保することができない。

【００１３】これに対し、Al−Mn合金めっき皮膜は、Mn
が優先析出した後、腐食生成物であるAl₂O₃ が鋼板表面
を覆うことにより母材鋼板を保護する。従って、めっき
皮膜がそれ以上は損耗しないため、厳しい腐食環境下で
も耐食性を十分に確保することができる。

【００１４】さらに、Al−Mn合金めっきと母材中のCu−
Ｐが作用し、耐食性を向上させる相乗効果が期待でき
る。すなわち、腐食環境中ではめっき皮膜から遊離した
Mnが一種の不動態皮膜であるMn酸化物を形成するが、母
材中から遊離したCuによりこの不動態皮膜が緻密化さ
れ、頑強な環境遮断皮膜へと変化させる。また、めっき
から溶出したAlと母材から溶出したＰからりん酸アルミ
ニウムを生成し、このｐＨ緩衝作用により吸着水膜の高
アルカリ化を抑制 (カソード反応を抑制) し、母材の腐
食速度を抑える。

【００１５】このAl−Mn合金めっきによる耐食性は、め
っき付着量が 0.1〜50 g/m² 、めっき皮膜中のMn含有量
が１〜50重量％の範囲で得ることができる。好ましく
は、めっき付着量が10〜30g/m²、Mn含有量は15〜40重量
％、特に20〜30重量％である。

【００１６】めっき付着量が0.1 g/m²より少ないと、Al
−Mn合金めっき皮膜の耐食性が劣り、50 g/m² を超える
と、めっき皮膜が厚くなりすぎて加工性が低下するのみ
ならず、耐食性も低下する。めっき皮膜中のMn含有量が
１重量％未満、または50重量％を超えると、Al−Mn合金
が非晶質領域を逸脱し、結晶質となるため、めっき皮膜
の加工性が悪くなり、かつ耐食性も悪くなる。

【００１７】溶接性に関しては、亜鉛系めっき鋼板のア
ーク溶接、特に２枚の鋼板を部分的に重ね、端部に重ね
継手を配してすみ肉溶接を行う「重ねすみ肉溶接」で
は、溶接の熱影響によって溶接部 (重ね部) の亜鉛が蒸
発し、その蒸気が溶融池 (アーク熱で溶融した部分) に
侵入し、凝固後もそのまま溶接部に残留することにより
ブローホールやピットなどの溶接欠陥になると考えられ
ている。一方、Al−Mn合金めっきの場合、亜鉛系めっき
に比べ沸点が高いため、溶接時のめっき層の蒸発が極め
て少ない。したがって、ブローホールなどの溶接欠陥は
現れにくい。

【００１８】本発明の表面処理鋼板におけるAl−Mn合金
めっき皮膜は、Mn１〜50重量％、残部Al (および不可避
不純物) の２成分系合金でよいが、所望によりさらに、
第三元素として、 0.005〜10at％のCu、Ag、Fe、Co、
Ni、 0.002〜３at％のMg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd、In、
Tl、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Bi、および 0.005〜５
at％のTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、ＷおよびRe、
よりなる群から選んだ１種もしくは２種以上の元素をめ
っき皮膜中に含有させてもよい。但し、これら第三元素
を２種以上添加する場合には、合計量を15at％以下とす
ることが好ましい。

【００１９】のCu、Ag、Fe、CoおよびNiは、Al−Mn合
金めっき皮膜の硬度を高める働きがあり、その添加によ
り表面処理鋼板の摺動性及び加工性を向上させることが
できる。のMg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cd、In、Tl、Si、G
e、Sn、Pb、As、SbおよびBiは、Al−Mn合金めっきの電
位を卑にし、皮膜の犠牲防食能を向上させる働きをす
る。のTi、Zr、Hf、Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、ＷおよびRe
は、皮膜の融点を上昇させるため、スポット溶接の連続
打点性が向上する。

【００２０】Al−Mn合金めっき皮膜は、溶融めっき法ま
たは溶融塩電解めっき法により形成することができる。
特にMn含有量が比較的多い場合には、溶融塩電解めっき
法が好ましい。Al−Mn合金の溶融塩電解めっき浴として
は、塩化物浴が一般に使用される。塩化物浴は、AlCl₃
と少なくとも１種のアルカリ金属塩化物 (NaCl, KCl,Li
Cl など) の混合物を基本組成とし、これに合金元素 (M
nと必要によりさらに他の１種もしくは２種以上の合金
元素) を塩化物または金属として加えることにより構成
することができる。Mnの添加量により、析出するAl−Mn
合金めっき皮膜中のMn濃度を調整できる。助剤として、
有機アミン、フッ化物、臭化物、ヨウ化物などを添加し
てもよい。別の塩化物浴として、AlCl₃-エチルメチルイ
ミダゾリウムクロリド(EMIC)を基本組成とする、より低
融点の溶融塩浴も使用できる。

【００２１】めっき密着性を高めるために、母材鋼板に
下地層としてZnやNiなどの金属をプレめっきしておくこ
ともできる。この下地層は、慣用のジンケート処理、Ni
プレめっき処理などにより形成することができる。

【００２２】後述する実施例に示すように、本発明の表
面処理鋼板は優れた耐食性を示すが、Al−Mn合金めっき
皮膜の上にさらに酸化皮膜またはクロメート皮膜を形成
させると、耐食性は一段と向上する。これは、酸化皮膜
やクロメート皮膜がバリアー層となって腐食電流が流れ
難くなること、およびAl、Cr等の腐食生成物が耐食性に
寄与するからであると考えられる。

【００２３】酸化皮膜は、Al−Mn合金めっき皮膜を、常
法により陽極酸化または化学浸漬処理によって部分的に
表面酸化することにより形成できる。クロメート皮膜も
常法により形成でき、反応型、塗布型、電解型のいずれ
のクロメート皮膜であってもよい。これらの皮膜の厚み
または付着量は、酸化皮膜については１〜100 nm、クロ
メート皮膜についてはCr換算量で５〜100mg/m²の範囲内
が好ましい。

【００２４】次に、母材鋼板の成分含有量の限定理由を
説明する。なお、鋼組成に関する説明では、％は全て重
量％である。Ｃは、一般に強度を高めるために含有させ
る成分であるが、本発明においてはＰ、Cu及びNiの添加
による固溶強化が期待されるので、必ずしもＣの添加を
必要とするものではない。Ｃの含有量が0.020 ％を超え
ると、パーライトあるいはセメンタイト粒子の生成が目
立つようになり、軟鋼板としての延性が低下し、加工性
の低下を招く。また、パーライトやセメンタイト粒子
は、母材の電気化学的不均一性を増大させ、局部腐食反
応を促進し耐食性の低下を招く、したがって、Ｃ含有量
は0.020 ％以下で、できるだけ低い方 (例、0.005 ％以
下) が好ましい。Ｃ含有量を0.0001％以下とすることは
現在の製鋼技術上困難であるため、下限を0.0001％とし
たが、可能ならばこれ以下にしてもよい。

【００２５】Siには、固溶強化を通じて鋼板の強度を向
上させ、フェライト変態を促進して延性、穴拡げ性を向
上させる作用がある。しかし、Siが1.5 ％を超えると溶
接性の劣化、加熱時のスケールの生成の増大を招く。し
たがって、Si含有量は、1.5％以下とする。好ましくは
1.0 ％以下である。

【００２６】Mnは、固溶強化を通じて鋼板の強度を向上
させると共に、Ar₃ 点を低下させ、フェライト組織の微
細化を通じて鋼板の強度と延性を向上させる作用を持
つ。しかし、その含有量が0.05％未満では前記作用によ
る所望の効果を得ることができず、一方、2.0 ％を超え
て含有させると溶接性を悪化させる。したがって、Mn含
有量は0.05〜2.0 ％と定めた。

【００２７】Ｐは、固溶強化を通じてフェライトの強化
に寄与する元素であり、また、緻密な腐食生成物の皮膜
の生成を通じて耐食性を高める作用も有している。その
含有量が0.020 ％未満では、かかる作用による十分な効
果を得ることができず、一方、0.12％を超えて含有させ
ると母材の靱性・穴拡げ性を劣化させる。したがって、
Ｐ含有量は 0.020〜0.12％とし、好ましくは0.02〜0.1
％である。

【００２８】Ｓは、鋼板の加工性を低下させることか
ら、その含有量はできるだけ低い方が好ましい。しか
し、Ｓは通常は鋼中でMnと化合してMnＳを生成し、その
悪影響が低減されるので、0.020 ％までは許容され、好
ましくは0.01％以下とする。ただし、Mn含有量が低い場
合には、Ｓ含有量を特に0.003 ％以下に低減することに
よって良好な加工性が確保できる。したがって、Mn含有
量が0.1 ％以下と低い場合には、Ｓ含有量を0.003 ％以
下にすることが好ましい。

【００２９】Cuは、本発明において耐食性を向上させる
ための主要な成分であり、緻密な腐食生成物皮膜の生成
を通じて耐食性を向上させる。また固溶強化を通じて鋼
板の強度を増大させる効果も有している。その含有量が
0.10％未満では、上記効果が十分に得られない。一方、
0.80％を超えて含有させても上記効果が飽和して経済性
を損なうだけである。したがって、Cu含有量は0.10〜0.
80％が適正であり、好ましいCu含有量は0.2 〜0.6 ％で
ある。

【００３０】Niは、Cu添加に伴う熱間加工性の低下を防
止する作用に加えて、耐食性を向上させる作用と鋼板の
強度を向上させる作用も有している。しかし、その含有
量が0.01％未満ではこれらの作用効果が十分でなく、一
方、0.5 ％を超えて含有させても製品価格が上がる割に
効果の増大は少ない。したがって、Ni含有量は0.01〜0.
5 ％と定めた。好ましくは0.1 〜0.3 ％である。

【００３１】Alは、鋼の脱酸剤として添加されるが、so
l.Al量が0.10％を超えると介在物量が増加し、加工性の
劣化を招く。したがって、sol.Al量の上限を0.10％と定
めた。好ましいsol.Al量は0.05％以下である。

【００３２】Ｎは、鋼中のAlと反応してAlＮを形成し、
金属組織の微細化を通じて延性を向上させるが、多量に
添加すると粗大なAlＮの生成と固溶Ｎの生成によって鋼
板の延性を低下させる。したがって、Ｎ含有量の上限を
0.0080％とした。好ましくはＮ含有量は0.005 ％以下で
ある。

【００３３】Ｂは、前述のように任意添加成分であっ
て、本発明の母材鋼板中に必ず存在させる必要はない。
Ｂは、粒界に偏析し、粒界強度を増大させる作用を有す
る。本発明で用いる耐食性鋼板では、粒界脆化を促進す
るＰを添加するため、特にＣ含有量が低いと、鋼板が二
次加工脆性を示す場合がある。Ｂには、上記の粒界強化
により、この二次加工脆性を防止する作用があるので、
必要に応じてＢを添加する。Ｂ含有量が0.0003％未満で
は上記の作用効果が得られず、一方、0.0050％を超えて
含有させると鋼板の延性・穴拡げ性を低下させる。した
がって、Ｂを添加する場合には、Ｂ含有量を0.0003％以
上とすることが好ましく、上限は0.0050％である。好ま
しいＢ含有量は0.0003〜0.0030％である。

【００３４】上記の化学成分を有する鋼板の残部はFeと
不可避不純物である。この母材鋼板は熱延鋼板と冷延鋼
板のいずれでもよい。本発明で用いる上記鋼板は、普通
鋼よりも良好な耐食性を持つものであるが、それでも従
来用いられている付着量45 g/m² 以上の合金化溶融亜鉛
めっき鋼板ほどの耐食性は得られない。しかし、耐食性
の高い上記鋼板を母材に用いて、表面に上記のAl−Mn合
金めっきを施すことにより、比較的薄目付きで従来の亜
鉛系めっき鋼板と同等か、それを凌駕する優れた耐食性
を備え、同時にアーク溶接性を改善することが可能とな
った。

【００３５】

【実施例】以下、実施例によって、本発明の効果を具体
的に実証する。表１のＡ〜Ｄに示す化学組成を持つスラ
ブを1250℃で均熱した後、仕上げ温度900 ℃で熱間圧延
を行い、加速冷却し、450 ℃で巻き取って、板厚2.8 mm
の熱延鋼板を得た。

【００３６】

【表１】

【００３７】得られた熱延鋼板から250 mm幅×250 mm長
さの鋼片を採取し、脱脂・酸洗した後、その両面に表２
に示す種々の組成および付着量のAl−Mn合金めっき及び
比較材として亜鉛系めっきを施した。Al−Mn合金めっき
は下記条件下での溶融塩電解めっき法により行った。亜
鉛系めっきは、溶融亜鉛めっき後に熱処理して亜鉛めっ
き層をFe−Zn合金 (Fe含有量約９〜11重量％) 化する合
金化溶融亜鉛めっき法により行った。

【００３８】〔Al−Mn合金めっき条件〕溶融塩電解法 浴組成 AlCl₃ 62%-NaCl 20%-KCl 18 % (モル%) 浴温 200℃ 添加剤 MnCl₂ (浴中イオン濃度50〜6000ppm) 電流密度 60 Ａ/dm² これらのめっき鋼板の耐食性と溶接性を次のようにして
試験した。

【００３９】〔耐食性試験〕めっき鋼板から、30 mm 幅
×70 mm 長さの試験片を切り出し、「湿潤保持 (RH95％
以上、室温、16時間) →塩水噴霧 (５％食塩水、35℃、
６時間) →乾燥 (50℃、２時間) 」を１サイクルとする
サイクル腐食試験を行い、120 サイクル後のめっき面の
最大腐食深さを調べた。

【００４０】〔溶接性試験〕めっき鋼板の試験片２枚を
用いて、下記条件下で重ねすみ肉溶接を行った後、Ｘ線
によって溶接部のブローホールの発生率を調査した。

【００４１】溶接条件 電源 インバータ制御パルス電源 電流 220 Ａ パルス電流 420 Ａ パルス幅 1.2 msec 溶接速度 100 cm/min アーク電圧 23Ｖ 溶接ワイヤ YGW16 (直径1.2mm) シールドガス Ar−20％ＣＯ₂ 継手形状 重ねすみ肉溶接 重ね部の隙間 ０mm これらの試験結果を表２に併せて示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】表２に示した結果から明らかなように、本
発明に規定する母材とめっき皮膜を有するAl−Mn合金め
っき鋼板は、付着量が50 g/m² 以下 (代表的には20 g/m
²)と比較的薄目付けであるにもかかわらず、腐食サイク
ル120 回 (実用10年以上に対応) で、付着量45〜60 g/m
² のより厚目付けの合金化溶融亜鉛めっき鋼板に匹敵す
るか、それを凌駕する優れた耐食性を示すと共に、アー
ク溶接試験におけるブローホールの発生率は５％以下に
低減し、耐食性と溶接性のいずれにも優れていることが
わかる。

【００４４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の表面処
理鋼板は、従来の合金化亜鉛めっき鋼板と同等以上の耐
食性をもち、なおかつ、アーク溶接を行った場合でもブ
ローホールの発生率が低く、溶接継手の高い信頼性を確
保できる。即ち、本発明により、耐食性とアーク溶接性
を高レベルで兼備した表面処理鋼板がはじめて提供され
た。従って、本発明の表面処理鋼板は、特に自動車の足
廻り部材など、アーク溶接で組立てられ、厳しい環境下
での腐食に耐える高耐食性が要求される部材の製造に有
用であるが、スポット溶接、接着、機械接合も可能であ
り、用途はアーク溶接部材に限定されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福井 国博 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友 金属工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−116776（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 30/00 C22C 38/00 301 C22C 38/54

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％にて、Ｃ：0.0001〜0.020 ％、S
   i：1.5 ％以下、Mn：0.05〜2.0 ％、Ｐ： 0.020〜0.12
   ％、Ｓ：0.020 ％以下、Cu：0.10〜0.80％、Ni：0.01〜
   0.50％、sol.Al：0.10％以下、Ｎ：0.0080％以下、Ｂ：
   ０〜0.0050％、残部：Feおよび不可避不純物からなる鋼
   材の表面に、付着量が 0.1〜50 g/m² 、Mn含有量が１〜
   50重量％のアルミニウム−マンガン合金めっき皮膜を有
   することを特徴とする、耐食性及び溶接性に優れた表面
   処理鋼材。