JPH04358019A - 耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、送電鉄塔あるいは橋
梁などの大型溶接構造物の素材として用いられる耐Ｚｎ
メッキ割れ性に優れる鋼材の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材の防錆という観点から、例えば、鋼
材の表面にＺｎをメッキする手段が広く用いられている
。 Ｚｎをメッキする方法には、主に電気メッキによるもの
と溶融メッキによるものの２種類があるが、送電鉄塔あ
るいは橋梁など複雑な形状の大型構造物はもっぱら後者
の溶融Ｚｎメッキ方法による。この方法は約　４５０℃
の溶融Ｚｎ中に鋼構造物を浸漬してメッキを行う方法で
ある。

【０００３】溶接組立した後の鋼構造物を溶融亜鉛めっ
きすると、主として溶接熱影響部（以下、ＨＡＺという
）　に粒界割れ　（以下、Ｚｎメッキ割れという）　が
発生することがある。これは粗粒化したＨＡＺの粒界へ
の液体Ｚｎの侵入と、溶接部の残留応力や鋼の浴への浸
漬時に発生する熱応力とが重畳して生ずる。このＺｎメ
ッキ割れは、一般に高強度材ほど多く発生する傾向を有
し、ＨＡＺの硬さが　２６０〜２７０Ｈｖを超えると割
れに対する感受性が極めて高くなる。

【０００４】Ｚｎメッキ割れについては、割れの要因で
ある応力や材質に関して広く研究され、その防止法とし
て、現在、溶接部の残留応力の除去や、熱応力の発生の
少ない浴浸漬法、構造物の形状の改善など種々の面で工
夫がなされている。また、材料面からも合金元素の種類
と含有量を特定した耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材が
提案されている　（特公平２−５８１４号公報、特開平
２−５７６６９　号公報など）　。

【０００５】一方、Ｚｎメッキ相の形態並びにＺｎ浴組
成もＺｎメッキ割れに影響を及ぼすことが判明しており
、Ｚｎ浴中に含まれるＣｄやＳｎが粒界へのＺｎの侵入
を加速することが明らかにされている　（高温学会誌、
第１３巻、第４号、　ｐ．１４３〜１５２）。すなわち
、溶融Ｚｎ中のＣｄやＳｎが鋼とＺｎ浴の界面に形成さ
れるＦｅ−Ｚｎ金属間化合物の成長を抑制するので、溶
融Ｚｎの鋼粒界への侵入が加速され、結果としてＺｎメ
ッキ割れ感受性が高くなると言われている。しかし、こ
れらの知見は耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材の製造に
はまだ活かされていない。

【０００６】特に、大型の構造物の建設が数多く計画さ
れている現在、鋼材の使用量低減による低コスト化のた
めに、強度６５ｋｇｆ／ｍｍ２　級程度までの鋼材の開
発が待望されているが、鋼材に単に合金元素を添加する
ことにより高強度化を図るのでは耐Ｚｎメッキ割れ性を
低下させることが予想される。

【０００７】現在、強度６０ｋｇｆ／ｍｍ２　級までの
耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材が開発され、使用され
ているが、Ｚｎメッキ割れの発生は皆無ではない。その
原因としては、溶接構造物の設計や溶接条件、溶融Ｚｎ
メッキの施工条件等に起因する過大な応力の発生があげ
られているが、Ｚｎ浴組成の変動によるＺｎメッキ割れ
感受性の増大も考えられる。このように、特に高強度鋼
材の耐Ｚｎメッキ割れ性は現状ではまだ充分ではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、耐Ｚｎメッ
キ割れ性、特に、コスト上昇抑制の観点から極めて高純
度なＺｎの得られる電解法に比べ、安価ではあるがＺｎ
メッキ割れ感受性を増大させるＣｄやＳｎ等を不可避的
に　０．１重量％程度まで含有する蒸留法によって精錬
されたＺｎを用いたＺｎ浴中でメッキを行った場合でも
、充分な耐Ｚｎメッキ割れ性を有する強度５５〜６５ｋ
ｇ／ｍｍ２級の高強度材の製造方法を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するため従来考慮されていなかったＺｎ浴組成の
影響や、Ｚｎメッキ割れとの相関性があることが指摘さ
れているＺｎ浴浸漬時に形成されるＺｎメッキ相の形態
にも注目して、まず、Ｚｎメッキ割れに及ぼすＺｎ浴中
の微量元素の影響を調査した。次いで、実際のメッキ施
工で使用されている前記の蒸留法で精錬して得られたＺ
ｎを用いたＺｎ浴と類似の組成を有し、かつ、純Ｚｎ浴
中に比べてＺｎメッキ割れ感受性が極めて高くなる浴と
して、Ｃｄ：０．１０重量％、Ｓｎ：０．０５重量％を
加えたＺｎ浴を選んで、Ｚｎメッキ割れ感受性の改善に
有効な鋼材の合金組成ならびに製造条件を追求した。

【００１０】Ｚｎメッキ相は、被メッキ材をメッキ浴中
に浸漬している際に起こる鋼（Ｆｅ）とＺｎの拡散反応
によって形成されるＦｅ−Ｚｎ合金相と、被メッキ材を
メッキ浴から引き上げる時に付着してくるＺｎ相とで構
成されており、Ｆｅ−Ｚｎ合金相は鋼と合金相との界面
側からΓ層（Ｆｅ３Ｚｎ１３）　、δ１　層（ＦｅＺｎ
１０）、ζ層（ＦｅＺｎ１３）の順に形成される。Ｚｎ
浴中の微量元素のＺｎメッキ相の形成に及ぼす影響と鋼
のＺｎメッキ割れ感受性との相関性を調査したところ、
Ｆｅ−Ｚｎ合金相は純Ｚｎ浴中で最も厚く成長し、特に
、δ１　層の厚みとＺｎメッキ割れ感受性との間に正の
相関があることが確認された。すなわち、δ１　層の成
長が抑制されるほど粒界への液体Ｚｎの侵入が容易にな
り、Ｚｎ浴中での鋼のＺｎメッキ割れ感受性が増大する
。

【００１１】鋼のＺｎメッキ割れ感受性は、Ｚｎ浴中で
の引張試験後の試験片の絞り値　（以下、Ｚｎ浴中絞り
値という）　により評価され、例えば、Ｚｎメッキ割れ
感受性が大きい場合にはＺｎ浴中絞り値が小さくなる。 鋼材の合金元素のうちＳｉとＮｉは、適正量含有させれ
ばδ１　層が厚く成長し、Ｚｎ浴中絞り値が向上するこ
とがわかった。

【００１２】Ｃは鋼を強化する元素としては必須である
が、高Ｃになるほどδ１　層が薄くなりＺｎ浴中絞り値
が低下する。これは、炭化物がδ１　層の生成を阻害す
るものと考えられ、　３５０℃以下という低温まで加速
冷却して炭化物の析出を抑制すれば、耐Ｚｎメッキ割れ
性が改善されることが判明した。この加速冷却は鋼の強
化に対しても有効に働く。なお、加速冷却を行った鋼材
に焼き戻し処理を施すと炭化物が析出して耐Ｚｎメッキ
割れ性が低下することがあるので、焼戻しを行う場合は
加速冷却の効果を失わせない低温焼戻しが必要である。

【００１３】また、Ｚｎメッキ割れは、前述したように
液体Ｚｎが鋼の結晶粒界に侵入し、これが結晶粒界上を
拡散することによって起こるのであるが、従来からの一
般的知見である粒界割れ防止策としての鋼組織の細粒化
あるいは割れの進行方向に対して直交する方向に伸展し
た粒を有する伸展粒組織化も、このメッキ割れに対して
効果のあることが判明した。

【００１４】本発明は、上記の知見に基づいてさなれた
もので、その要旨は下記■の組成の鋼を■の工程で処理
することを特徴とする耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材
の製造方法にある。なお、本明細書において、合金成分
の「％」はすべて「重量％」を意味する。

【００１５】■　　Ｃ：０．０２〜０．０８％、Ｓｉ：
０．２０〜０．４０％、Ｍｎ：０．８０〜１．５０％、
Ｎｉ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．１　％を
含み残りはＦｅ及び不可避不純物からなる組成の鋼、ま
たは上記合金元素のほかに、さらに、Ｃｕ：　０．５％
以下、Ｃｒ：　０．５％以下、Ｍｏ：　０．３％以下、
Ｎｂ：０．０５％以下、Ｖ：　０．１％以下、Ｔｉ：０
．０５％以下の１種以上を含む鋼を、■　　熱間加工し
た後、（Ａｒ３点−５０℃）　以上の温度域から冷却速
度１５℃／ｓ以上で３５０℃以下まで冷却する加速冷却
を行う。

【００１６】上記■の熱間加工の際には、　Ａｒ３点以
下のフェライト＋オーステナイト（α＋γ）２相域で２
０％以下の圧下を加えるのが望ましい。また、冷却速度
１５℃／ｓ以上で　３５０℃以下まで冷却した鋼材を焼
き戻しする場合には、　４５０℃以下で焼き戻すのが望
ましい。

【００１７】

【作用】まず、本発明方法で用いる鋼の合金成分の作用
効果と、それらの含有量を上記のように限定した理由に
ついて述べる。

【００１８】Ｃは、鋼の強度を高めるために０．０２％
以上含有させることが必要である。一方、０．０８％を
超えると強度が高くなり過ぎて耐Ｚｎメッキ割れ性が低
下するから、その含有量を０．０２〜０．０８％とした
。望ましい範囲は０．０３〜０．０６％である。

【００１９】Ｓｉは、δ１　層を厚く成長させ、耐Ｚｎ
メッキ割れ性を向上させる成分であるが、０．２０％に
満たない場合および０．４０％を超える場合のいずれも
そのような効果を示さないので、その含有量を０．２０
〜０．４０％とした。望ましい範囲は、０．２５〜０．
３５％である。

【００２０】Ｍｎは、鋼の強度を保証するために０．８
０％以上含有させることが必要であるが、１．５０％を
超えると強度が高くなり過ぎて耐Ｚｎメッキ割れ性が低
下するので、その含有量を０．８０〜１．５０％とした
。望ましい範囲は、１．００〜１．４０％である。

【００２１】Ｎｉは、δ１　層を厚く成長させ、耐Ｚｎ
メッキ割れ性を向上させるために有効な成分であるが、
０．５０％を超えると強度が高くなり過ぎて耐Ｚｎメッ
キ割れ性が低下するので、その含有量を０．５０％以下
とした。望ましい範囲は、０．２０〜０．４０％である
。

【００２２】Ａｌは、鋼の脱酸に必要な成分であるから
０．０１％以上含有させる。しかし、０．１０％を超え
ると介在物が多くなり鋼の清浄性を確保することができ
なくなるので、その含有量を０．０１〜０．１０とした
。

【００２３】本発明方法で用いる鋼は上記の合金成分以
外、残部Ｆｅと不可避の不純物からなるもの、およびこ
の鋼に合金成分としてさらに、Ｃｕ：　０．５％以下、
Ｃｒ：　０．５％以下、Ｍｏ：　０．３％以下、Ｎｂ：
０．０５％以下、Ｖ：　０．１％以下、Ｔｉ：０．０５
％以下の１種以上を含有させたものである。Ｃｕ、Ｃｒ
、Ｍｏ、Ｎｂ、ＶおよびＴｉは鋼の強度および靱性を向
上させ、さらには組織の細粒化により耐Ｚｎメッキ割れ
性を向上させる効果を有しており、必要に応じて加える
。しかし、それぞれ上記の値を超えて含有させると溶接
性、靱性が低下する。

【００２４】次に加工工程について説明する。

【００２５】熱間加工：前記■の組成の鋼のスラブ、ビ
レット（連続鋳造法で得たスラブ、ビレットでもよい）
を所定温度に加熱して圧延あるいは鍛造等の熱間加工を
行う。この時の加熱温度は、素材の加工履歴やサイズに
応じて決定すればよいが、後述するように熱間加工の終
了温度を（Ａｒ３変態点−５０℃）　以上にしなければ
ならないから、この終了温度が確保できるような温度を
選ぶ。望ましい加熱温度は　９００〜１２００℃である
。

【００２６】なお、連続鋳造スラブ等を冷却することな
く直接、あるいは補助的な加熱をして、熱間加工に供し
てもよい。

【００２７】加工は当然のことながら所定の製品サイズ
になるまで行うが、次の加速冷却の開始温度を確保する
ために　（Ａｒ３　変態点−５０℃）　以上で加工を終
了させなければならない。この加工（圧延）の際に、　
Ａｒ３点以下の　（α＋γ）　２相域で圧下率２０％以
下の加工を加えるのがよい。これによって、Ｚｎメッキ
割れのような粒界割れの進行を防止する効果のある細粒
組織や伸展粒組織を得ることができ、Ｚｎメッキ割れ感
受性を表す指数であるＺｎ浴中のＬ方向引張伸びを改善
することができる。

【００２８】この効果を確かにするためには、２相域加
工での圧下率を１０％以上とするのが望ましい。ただし
、圧下率が２０％を超えると異方性が顕著となり、Ｚｎ
浴中のＣ方向引張伸びが低下するから、（　α＋γ）２
相域での加工は２０％以下にとどめるのがよい。

【００２９】加速冷却：加工後の冷却（加速冷却）　は
、その開始温度を（Ａｒ３点−５０℃）　以上とし、冷
却速度を１５℃／ｓ以上とする。この冷却速度で　３５
０℃以下の温度まで冷却する。

【００３０】冷却開始温度が（Ａｒ３点−５０℃）　よ
りも低いと、Ｃの濃縮したオーステナイト（γ）相が硬
化し、耐Ｚｎメッキ割れ性を損なう。望ましくは（Ａｒ
３点−３０℃）　以上の温度から冷却を開始する。

【００３１】冷却速度を１５℃／ｓ以上とするのは、こ
れより遅い冷却速度では加速冷却の効果（炭化物析出抑
制効果）　がなく、耐Ｚｎメッキ割れ性が向上しないか
らである。望ましくは２０℃／ｓ以上とする。

【００３２】加速冷却の停止温度を　３５０℃以下とす
るのは、これより高い温度で加速冷却を終了すると、加
速冷却の効果、すなわち、炭化物の析出を抑制する効果
がなく、耐Ｚｎメッキ割れ性の向上が期待できないから
である。

【００３３】なお、この加速冷却は、熱間加工後直ちに
水冷して行うのが望ましいが、熱間加工を鍛造で行う場
合等には、一旦冷却したものを（Ａｒ３点−５０℃）　
以上に再加熱後直ちに水冷して行うこととしてもよい。

【００３４】焼き戻し処理：上記の加速冷却を行った鋼
材は、そのままでも耐Ｚｎメッキ割れ性の優れた高強度
鋼材として使用できる。しかし、この鋼材をＺｎメッキ
浴に浸漬したとき、引張り強度や靱性等の機械的性質が
変化するのを防ぐために、前もって溶融Ｚｎ浴の温度　
（約　４５０℃）　に近い温度で焼き戻しを行っておく
のが望ましい。 ただし、焼き戻し温度が　４５０℃を超えると、前の加
速冷却で固溶した炭化物が析出して耐Ｚｎメッキ割れ性
が低下する。従って、焼き戻しを行う場合は、　４５０
℃以下の温度で行わなければならない。

【００３５】

【実施例】表１の　（１）〜（４）　に示す化学組成を
有する鋼片に表２に示す仕上温度および圧下率の熱間圧
延を施して厚さ１５ｍｍの鋼板とし、同じく表２の　（
１）〜（４）　に示す条件で冷却するか、あるいは冷却
した後さらに焼き戻し処理を施した。

【００３６】これらの鋼板から図１に示すような引張試
験片　（標点距離Ｌ０：６０ｍｍ　、平行部の幅Ｗ０：
１９ｍｍ　、Ｒ：３０ｍｍ　、Ｌ：３２０ｍｍ　、Ｗ：
８０ｍｍ）を採取し、これらの引張試験片を塩化アンモ
ニウムと塩化亜鉛を３：１の割合で含む３０重量％の混
合水溶液（５０℃）に約１０分間浸漬するフラックス処
理を施した後、図２に示す引張試験機を用いて４５０　
℃の溶融Ｚｎ浴中で引張速度１．５ｍｍ／ｍｉｎ　で引
張試験を行った。図２において、１は試験片、２はＺｎ
浴、３はＺｎ浴を加熱するための加熱炉、４はＺｎ浴の
温度を測定するための熱電対、５は試験片１に負荷する
荷重を測定するためのロードセルである。

【００３７】引張試験を終了した後塩酸で試験片に付着
したＺｎを除去し、絞り（Ｚｎ浴中絞り値）を測定して
耐Ｚｎメッキ割れ性を評価した。なお、鋼材の耐Ｚｎメ
ッキ割れ性を判断する目安として、一般に、「Ｚｎ浴中
絞り値≧２５％」が用いられているが、本実施例では、
Ｃｄ、Ｓｎを含有したＺｎメッキ割れを生じさせやすい
Ｚｎメッキ浴を使用した場合でも、鋼材の耐Ｚｎメッキ
割れ性を　１００％保証できると考えられる「Ｚｎ浴中
絞り値≧３０％」を評価基準とした。

【００３８】絞りは、図３に示すように、試験前の試験
片（（ａ）　図参照）における平行部の幅（Ｂ０）と厚
み（ｔ０）をノギスにより測定し、試験後（（ｂ）　図
参照）は、破断部の幅（Ｂ１）をノギスで、厚み（ｔ１
　〜ｔ５）をダイヤルキャリバーにより測定し、試験前
後の断面積の差から次式により求めた。

【００３９】絞りφ＝（Ａ０　−Ａ１）×１００（％）
ただし、Ａ０　＝ｔ０　×Ｂ０　　　　　　　　　（試
験前の断面積）Ａ１　＝Σｔｉ　×Ｂ１　÷５　　（試
験後の断面積）Ｚｎ浴としてはＣｄ：０．１０％、Ｓｎ
：０．０５％を含むＺｎ浴を用い、一部、Ｚｎメッキ割
れに及ぼすＺｎ浴中のＣｄ、Ｓｎの影響を調査するため
純Ｚｎ浴を用いた。

【００４０】測定結果を表２の　（１）〜（４）　に併
せ示す。 なお、比較例の　Ｎｏ．１〜１２は予備試験の結果で、
Ｚｎ浴組成のＺｎ浴中絞り値に及ぼす影響を確認し、加
速冷却および焼入れ焼き戻し処理　（ＱＴ）の効果を大
まかに調べたものであるが、Ｎｏ．１〜３及びＮｏ．７
〜９の純Ｚｎ浴中における絞りは、Ｎｏ．４〜６及び　
Ｎｏ．１０〜１２のＣｄ、Ｓｎを含むＺｎ浴中における
絞りに比べてきわめて良好であることがわかる。また、
Ｚｎ浴の組成に関係なく、加速冷却材　（Ｎｏ．３、６
、９および１２）　が他の空冷材やＱＴ材に比べて良好
なＺｎ浴中絞り値を有している。

【００４１】表２の　（１）〜（４）　の結果から、本
発明例においては、Ｚｎ浴中絞り値３０％以上で良好な
耐Ｚｎメッキ割れ性を有している。また、大気中、かつ
室温下におけるＬ方向の引張強さも５７．０〜６８．３
ｋｇ／ｍｍ２で高い強度を示していることがわかる。

【００４２】これに対して、鋼の化学成分が本発明で定
める範囲外の　Ｎｏ．４３、４４、４７〜４９、加速冷
却の開始温度が低い　Ｎｏ．２４および３６、冷却速度
が小さい　Ｎｏ．１５、１６および３０、加速冷却の停
止温度が高い　Ｎｏ．１３、２２、２３および３５につ
いては、いずれも浴中絞り値が低い。また、　Ａｒ３点
の圧下率が大きい　Ｎｏ．３４はＺｎ浴中でのＣ方向絞
り値が低く、耐Ｚｎメッキ割れ性に劣っている。

【００４３】さらに、表１中の本発明例である　Ｎｏ．
５０〜６０の各鋼板から、図４（（ａ）　図は正面図、
（ｂ）　図は側面図、各部の寸法の単位はｍｍ）　に示
すような拘束溶接継手を２個製作し、これらの各継手に
先に述べたと同様のフラックス処理を施した後、０．１
０％のＣｄと０．０５％のＳｎを含有する　４５０℃の
Ｚｎ浴中に１０分間浸漬し、浴中から取り出してそのま
ま空冷した各継手について、試験ビード部を１０等分し
、その断面の溶接熱影響部におけるＺｎメッキ割れの有
無を調査したところ、いずれの継手にもＺｎメッキ割れ
の発生は認められなかった。

【００４４】

【表１（１）】

【００４５】

【表１（２）】

【００４６】

【表１（３）】

【００４７】

【表１（４）】

【００４８】

【表２（１）】

【００４９】

【表２（２）】

【００５０】

【表２（３）】

【００５１】

【表２（４）】

【００５２】

【発明の効果】本発明方法によって製造される鋼材は、
高強度であるにもかかわらず、Ｚｎメッキ割れに対する
感受性はきわめて低い。従って、Ｚｎめっき割れを増大
させるＣｄやＳｎ等を含有したＺｎ浴中でのめっきも支
障なく実施できる。

【００５３】本発明方法は、特に溶融Ｚｎめっきを施し
て使用される大型構造物用の鋼材の製造に有用である。

【図面の簡単な説明】

図１は、実施例で用いた引張試験片の形状を示す図であ
る。 図２は、Ｚｎ浴中引張試験機の構成を示す模式図である
。 図３は、Ｚｎ浴中絞り値の測定方法の説明図である。 図４は、実施例で用いた溶接熱影響部のＺｎメッキ割れ
調査用拘束溶接継手の形状を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％で、Ｃ：０．０２〜０．０８％
   、Ｓｉ：０．２０〜０．４０％、Ｍｎ：０．８０〜１．
   ５０％、Ｎｉ：０．５０％以下、Ａｌ：０．０１〜０．
   １　％を含み残りはＦｅ及び不可避不純物からなる組成
   の鋼を熱間加工した後、（Ａｒ３点−５０℃）　以上の
   温度域から冷却速度１５℃／ｓ以上で　３５０℃以下ま
   で冷却することを特徴とする耐Ｚｎメッキ割れ性に優れ
   る鋼材の製造方法。
2. 【請求項２】　　熱間加工の際に　Ａｒ３点以下のフェ
   ライトとオーステナイトの２相域で２０％以下の圧下を
   加えることを特徴とする請求項１の耐Ｚｎメッキ割れ性
   に優れる鋼材の製造方法。
3. 【請求項３】　　　３５０℃以下まで冷却した後、　４
   ５０℃以下で焼き戻すことを特徴とする請求項１または
   ２の耐Ｚｎメッキ割れ性に優れる鋼材の製造方法。
4. 【請求項４】　　鋼の合金成分として、さらに、重量％
   で、Ｃｕ：　０．５％以下、Ｃｒ：　０．５％以下、Ｍ
   ｏ：　０．３％以下、Ｎｂ：０．０５％以下、Ｖ：　０
   ．１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下の１種以上を含む鋼
   を対象とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐Ｚｎメ
   ッキ割れ性に優れる鋼材の製造方法。