溶融アルミニウムめっき鋼板に関する二・三の研究
小 林 義 一
The Study on the Hot‑dipped Aluminium Coated Steel
Yoshikazu Kobayashi
Aluminium coatedsteelwllich wasproduced by the llOt‑dipped processwas heatedfor336hoursat500oC andfor24hoursat800oC,andthentensiletest, measurementofweightandmicroscopicobservatioqweremade. Theresults ofthetestswereasfollows: ,
(1) Ingeneral,mechanical propertiesof.thealumi nium coatedsteelwerereduced byheating. Butthe ratio ofdecreasein mecllaniealpropertiesofaluminium coatedsteelwhichwasheatedat8000Cwaslowerthanthatofuncoatedsteel.
(2) Thecomplex shapeofiron･alumi nium layerdidnotchange by heatingat 500oC,butat8000C itchanged from wave shapeto girdleshape,becau岳ethe effect:oftheproperty by which diffusion advancesto specialdirection Was reducedduetothegrowthofthelayerwIlichcontainsaluminium alittle.
(a)Inalumi nium coatedsteelverylargesecondarygrainsgrew easilyowingto ron･aluminium layer.
1
(4;) Comparedwithuncoatedsteel,aluminium coatedsteelmadegreatresistance tooxidation.̲
1. 緒 昌
鋼紬 こ耐熱 耐食性を与える自由で,耐熱耐食金属を洛融め っきす ることは従 来か ら行なわれ ている｡鋼板に亜鉛め っきした亜鉛鋼板や鋼板に錫め っきした錫被覆板などは古 くか ら知 られて いるものである｡ これ と同様に して,鋼材にアル ミニウムを溶融め っきする方法があるが, この 方法l埴 鉛め っきや錫め っきの場合に比較 して実用化が非常に遅れていたO これには発達上ある いは性能上多 くの原因が考え られ るが,アル ミ占ウAを鋼材に溶融め っきした場合,アル ミニウ ムと芯材炭素鋼の中間に生成する合金屑に対する検討不足 もひ とつの原因 と考え られ る｡
この合金屑の生成は,アル ミニウム浴の温度 と鋼材の浸漬時間に密接な関係を示す の で あ る (1) が, これもミ溶融アル ミニウムめ っき鋼板の曲げ,絞 り,圧延な どの成形性を著 しく低下 写せ, 普 た一般に合金屑は芯材炭素鋼 と舌状形をなして結合 しているため,芯材炭素鋼に対 して切欠効果
(2)
を示 し,き裂の発生を促が し,疲れ特性を低下させ るな どの欠点を持 っている｡その反面,合金 (3)‑(6)
眉の存在申Jために溶融アル ミモウ.ムめ っき鋼板は著 しい耐熱性,.耐食性を示 す とい う長所が見 ら
* 機械工学科
16 長野工業高等専門学校紀要 ･第1号
れ るので, この鋼板は使用 目的に応 じて適切な合金層の厚さを決定すればきわめて有望な材料 と
いえる｡ (7)
すでに溶融アル ミニウムめ っき鋼板に関 しては多 くの研究報告が見 られ るが,比較的高温に長 時間加熱 した場合の性能に関 しての研究報告は少ない.溶融アル ミニウムめ っき鋼板を高温で長 時間加熱 した ときの性能を くわ しく知ることによ り, この鋼板の使用用途は さらに広がるもの と 考え られるoこの ような考えか ら溶融'7)レミ占ウムめ っき鋼板を,アル ミニウムの溶敵 点(660oC)
を考慮 して,500oCと800oCの温度にて長時間加熱 した場合の引張 り性質 を中心に,組織,二次 再結晶,耐高温酸化性などについて検討を加えたのでこの結果を報告する｡
2.試料 と実験方法 ー
溶融め っきはTablelに示す化学組成で厚 さ0.78mmの炭素鋼板を芯材 として使用 し,これを あ らか じめ引張 り試験用に､Fig.1に示す ような形状寸法に加工 してか ら行な った｡ また向じ鋼 琴 か ら巾15mm,長 さ38mmの大 きさに切断 した試験片を作成 し, これに溶融め っきをほ どこし て検鼓用 とした. これ ら芯材炭素鋼の機械的性質をTable2に示す｡
Tablel Chemical compositionofbasesteel. Table2 Mechanicalpropertiesofbasesteel.
溶融 や っきは予備清浄,前処理,被覆処理およ び後処理の順に行ない, この工程は次のようであ る｡まず Fig.1に示 した引張 り試験片 と,別に 作成 した晩鐘用試験片の黒皮を機械的に除去 し, 水洗い,NaOH 10% 水溶液で電解脱脂, 水洗 い,HcllO%水溶液で酸洗い,水洗いの順に行な
Tensile strength (kg/mm2)
Yieldpoint (kgu濫 2)I(k;0/Wmei2)
36.8
1
28.8I
27.71
33.4Fig.1Shapeof･specimem
い,‑これを十分乾燥 して後,Licl,Nacl･,Znc12を重量比1:2:4の割合で配合 して650oC に 加熱保持 した溶融溶剤中に60sec浸漬 し,ほぼ3cm/se.Cの速度で引き上げてただちに溶剤 とは 別 に溶か しておいたアル ミニウム執 事準漬 した｡プIT,ミュウヰ浴か らの引 き上げはほぼ1cm/see の速度で行ない,空売中にて徐冷 し,温水洗浄後乾燥 した｡アル ミニウム浴の温 度は700oC,,浸 潰時間は30sec,1アル ミ一三ウムの純度は99.97%である{ また予備清浄工程中の電解脱脂は試料を 陽極に して電流毎度5A/dm2,液温80bcにて畠'm.I,. 行な った.
この ように して製造 した溶融アル ミニウムめっき鋼板は phot6,1に見 られるように,l表面ア ル ミユウム眉 (photo/1の下部に黒色に見える部分) と芯材層 (photo.1の上部に結晶粒の見 え る部分)は舌状形をした合金層 (phdto･1の中央に見える̲白色部分)で結合されて1､.,80
(〔珪〕'写真の下部に見える部分は,試験片を研磨する時にはさんだ薄い銅板を示している｡)
この ように調整 した引張 り試験片 と検鏡試験片を500oCで1,5,10,24,72,168および336時 間,また800oCで0.5,1,3,5,10お よび24時間加熱 したのち炉中冷却 し,引張 り試験,厚 さと重
祈融ア/｢ミュウムめっき鋼板に関する｢ ･三の研究 17
I‑ iron layer
h iron‑alutT)‑)nium laycr
･‑ aluminium layer
っき鋼板 と同温 鼠 同時m JJtl熱 の試験片で引張 り試験 ,厚 さ と重量測定 お よび換鏡な どを行な っ た｡ なお引張 り試験には秤量10tのア ムスラー万能試験機を使用 した｡
3. 実験結果 とその考察 3.1 引張 り性質
3.1.1 静引張 りに よる破壊
引張 り試験彼の破壊状況 をphoto.2(a),Q,)とphoto.3(a),仰 こ示 す.photo.2(a),03)(ま溶 融 アル ミニウムめ っき鋼板 をおのおの500oCと800oCで加熱 した場合,photo.3(a),O))(ま非 被覆 鋼板 をおのおの500oCと800oCで加熱 した場令の状況 を示 し,試 験片の上部の数字はいず れ も加 熱 時 問を示す. た とえばphoto.2(a)で336とい う数字を記 してある試 験片は溶融 アル ミニウム め っき鋼板 を500oCで336時rhrJ加熱 後炉中冷却 した ものにつ いて引張 り試験 を したのちの状況 を 示 している｡ これ らの写真 か ら､加熱温度500oCの場合は,溶融 アル ミニウムめ っき銅板 も非被 覆鋼板 も加熱 糾問の長短 にかかわ らず引張 り方向 と660前後の雨 で破壊 が起 こ ってお り典型的な 延 性破壊 を示 し,加熱温度 800oCの場合は加熱時問の短 い うちは shearfractureを示 してい
るが加熱時問が長 くな るとfibrousfractureを示 しているのがわか る｡
‑ ｢ 曙蓋 (a)(b)
PllOtO.2FractureofaLumitliumcoatedsteel.(a)annealedat5000C.(b)annealed at800OC.Eachnumberofthespecimensshowsannea一ingtirr)e(hr.).
18 長野工芙F.石や中門学校紀要 ･第1FJ.
(a) (b)
Photo.3 Fractureofuncoatedsteel.(a)annealedat5000C.(b)annealedat800OC.
Each numberofthespecimensshowsannealingtime(hr.).
次に溶融 アル ミニウムめ っき鋼板 の破壊に至 るまでの変化を肉眼的に観 察すればっぎの ようで ある｡
500oC 加熱 の場合 :
非加熱 の試験片は17.5kg/…ル2の応 力の とき小 さな破壊者が聞え始め,それ以後引張 り荷 重 が 増すにつれ てこの破壊音は しだいに多 くな り26.9kg/"."2の応力で降伏す るのが観 察 さ れ,36.0
kg/,仙 2で破壊 した｡破壊後試験片全面に引張 り方 向 と垂市な微細 なき裂が多数見 られたが,7ノレ ミニウム層の別離は見 られなか った｡加熱 時間1時間の もの も非加熱の もの と同じような傾向を 示 し.破壊後微細なき裂は見 られたが,7/レミニウム屑の別離は見 られなか った. この よ うに応 力の低 い段階で破壊者が生ず る傾向はすべての試験片 について見 られ,加熱時間が長 くな るにつ れ て,初 めに破壊者 の生ず る応 力は Table3の ように低下 してい った｡ また加熱時間5時間に な ると,降伏点 を過 ぎた とき,試験片 の中央部でアル ミニウム屑に多数の微細 なき裂が入 り同時 に/J､片状に剥離 し,破熟 よこの付近か ら起 こったOそれ以後10時間,24時間 と加熱 時間が長 くな るにつれ てphoto.2(a)の よ うにアル ミニウム層はます ます大 き く剥離す る傾 向が見 られた0
800oC加熱 の場合 :
500oC 加熱の ときと同様に,応力の低 い段階で小 さな破壊者が生 じ,引張 り荷重 の増すにつれ て多数連続 的に生ず るのが観察 された. しか し3時間加熱以後になると連続音が頂 点に適 した と き,試験片の両側面か ら可視的な多数のき裂が入 り, これが しだいに大 き くな って破壊 し,下降 伏点は明瞭にはわか らなか った｡ この よ うな傾向は加 Ho
熱時間が長 くな るにつれて激 しくな り,24時間加熱の 場令は上降伏点 も下降伏点 も現われなか った｡ こ うし た破壊 を示す大 きな原因のひ とつに,令金屑が加熱時 問につれてFig.2の ように大 き く成長す ることが考 え られ る｡
3.1.2 合金層の破壊応力
溶融アル ミニウムめ っき鋼板はアル ミニウム層,令 金屑お よび芯材屑の各層 よ り成 り立ち, これ ら各層の
伽湘細川仙5;相知神川'27‑IllJJL,l1‑t'rtE,･〜JII+ll,It)All
㌧ P ･ ̲｣
20 25 72 】68
AM ▲llAFl■■tlり
F■F.2TherelaLionbett･eentheLhlcheSsoliron･aluminiun lJt,eTmd4nneAI川gllme.
溶融アルミさウムめっき銅板に関する二 ･三の研究 19 弾性係数はおのおの違 うか ら. これを一様に引張 った ときに各層に作用する応力は必然的に適 っ て くる｡溶融アル ミニウムめ っき鋼板の引張 り試験を行な った とき,応力の低い段階で微細な破 壊音が観察 されたの もこのことが原因を しているものと思われる｡
一般に断面積がAl,A2,A3‑‑Al,, 弾性係数がE1‑,E畠,IE8‑‑E,､の一n屑か らなる役 合材に大きさWの引張 り力を作用させた とき;第1'番 目の屑に作用する応力は次式に よ',,て与え
られる｡
･･･････････ ･･････････(1)
∑ AIEl ,
i‑1 ー ヽ
溶融ナJL,ミニ♭ムめ っき鋼板を7ル よこウム風 合金屑お よび恵材屑か らなる複合材 と考え七,皮 抑 こ破壊昔 の観察された荷重の ときに各層に作用 ,Lている応力を(1)式により計算す るとTable3 のようになる｡計算 に際 し弾性係数はアル ミニウムに7,200kg/抑 A 合金眉に18,200kg/mn2そ し て芯材炭素鋼に21,000kg/仰 2を用いた.森永, 加藤 らに よると, 合金層の破壊応力はそ̀の構成 成分や この屑の厚さと形状によって決 まるが,純アル ミニウム浴を使用 した場合は芯材屑の厚さ ryに対する合金屑の厚 さβの割合β/γが5.923%の とき16.0kg/脚.2またβ/γが9.039%のとき
1)
1219kg/n･‑2であるとしている6.本実験においてほ Table3か らわかるようにβ/γが5.941%か ら8.105%に変 るにつれて,､一合金屑に作用 している応力がおのおの16.0kg/mw.2か ら13.Okq/仇恥2 の とき最初 の破壊昔を観察 している｡以上のことか ら引張 り試験の とき最初 に観察された破壊者 は合金層の破壊 した昔であ り,β/γが7%前後のときは静引張 りの場合において も曲げにおける と同様に最初に破壊するのは合金屑であることがわかる｡なお合金屑の破壊応力 (試験片に最初 に破壊昔の生じた ちきに合金屑に作用 している応力) とβ/γとの関係を示せば Fig.3のよ うに なる◆｡
Table3 Therupturestressofiron‑aluminium layer ゝ andthestressesofothertwolayers.
Stressof ironlayer
(kg/卯,,2) 16.0 1 18.5
Stressof aluminium layer
JAl (kg/仇仇2)
Meanstress
ofspecimen q (ko/mm2)
TIlicknessofiron‑
aluminium layerto thicknessofiran layer
ギ/T (形)
15.4 1 17.8 14.7 1 17.0 14.5 1 16.7 13.9 1 16.0
56 1 13.2
57 1 13.0 1 15,0
3.1.3 機械的性質
Table4ほ溶融アjL/主ニウムめ っき鋼板を500oCと800oCにて加熱 した場合の引張 り試 験の
20 長野工業高等専門学校紀要 ･第1号
結果お よびアル ミニウム鳳 合金鳳 芯材眉の厚さの変 イヒを示 した ものである｡ また Fig.4とFig.5は溶融ア ル ミニウムめ ちぎ鋼板の長期加熱による機械的性質の変 化の様子を非被覆鋼板のそれ と比較 して示 した ものであ りFig.4が500oCの場合,Fig.5が800oCの場合であ る｡500oC加熱の場合は加熱時間の長短にかかわ らず溶 融7 JL,ミュウムめ っき鋼板の機械的性質は非被覆鋼板の それ よりも劣 っているが,800oC加熱 になると加熱時間
o
■3
05lU2●.▲
l(ヽ＼言J･Ll
雪.⁝nl=0‑二〇⁝,)Sと三品 6.0 6.5 7.0 7.5 8,08･SThlehts事〇日ron･lluLIAIVnhyqlo lhlChesIOlmTHlytr.メ/rl?;I
Fig.3TlhheelhrieclhileiosnsboeHtwroeeTtn･.rluupmtiunrieuzsntrlかressu.d
の長 くなるほど溶融アル ミニウムめ っき鋼板の機械的性質が非被覆鋼板のそれを上回 っているこ とがわかる｡ これは一般に鋼板に溶融アル ミニウムめ っきすると機械的性質はやや低下する傾向 にあるが,800oCのような高温K.加熱すると非被覆鋼板は機械的性質が著 しく低下するのに対 し 溶融アル ミニウムめ っきした ものは機械的性質 の低下がそれほ ど著 しくないことを示 してお り,
これ らの関係を明瞭に示 したのが･Fig.6である｡すなわち800oC加熱の ときに非加熱時?機械 的性質に対する減少割合を特融アル ミニウムめ っき鋼板 と非被覆鋼板について比較 したものであ る｡ これ らから800oC加熱における溶融アル ミニウムめ っきの効果 の一端が うかがわれ.るム
Table4 ThemecIlanicalpropertiesandthedimensions ofaluminium coatedsteel.
Fig.7は溶融アル ミニウムめ っき鋼板の芯材眉の厚 さryに対する合金眉の厚 さβの割合β/ryと 機械的性質の関係を示 した ものである｡これか らβ/γは機械的性質に直線的に関係す ることおよ
一ヽ
軒融 アル ミニケムめっき餅板に関する二 ･三の研尭 21 ぴβ/γが小 さいほど
機械的性質はす ぐれ ていることがわかる｡
3.2粗放 汚融 アル ミ占●ウム め っき鋼板を500oC と800oCに長時間加 熱 した ときの頗徴鎮 写真を Pbot0.4と photo.5に示す｡
ptlOt0.4は500oCの 場合で(a)が10時間 加熱 (申)が 336時 間加熱のものを示 し, photo.5は800oCの 場合で(a)が0;5時 間加熱 (ち)が24時 間加熱のものを示す｡
500oC加熱の場合の 合金屑は加熱時間の 長短にかかわ らず舌 状形を示 してお り.
oo0000000987654321
(%)sJ.tT･adohdlC3.tuq33uJu!aS冨3占 (FuJ3])q一BtJ311Sat!Sua.L 00021
(.PuJaq)
一u!Odpta!^
一･一‑ tJmAteJsteel(0.11%C)
‑‑‑‑‑AlvztliTlitlmc○ltedsteeZ
ヽし̲̲ ̲̲̲̲̲̲̲̲し′̲̲̲̲̲ー̲̲ヽ̲T̲e空.̲e̲sL̲re̲n三tt̲̲
‑.̲‑一.‑̲●.‑‑I̲‑.‑●一一■.‑
〝 ー
Annealingtime(hr)
Fig.4Effectofannealingtimeonmechanicalproperties,annealedat500℃.
0‑00
.4‑32(ru)[叫T)LI73uaJtSattSu31 0
L.PulJi71)一u!OdI)T3!.I
0 5 10 15 20 25
Annea]irlgtime(hr)
Fig･5Effectofannealingtimeonmechanicalproperties,annealedat800℃.
T UncoateJstetI''01l%C)
Yieldpoint
てens.tleSuengtb
5 10 ･ 15 20 25
AnnealingLime(hr)
(gJtHJWq).
一一BU31一Sat!SlZaL
25
052‑
(gzturaq)一u.todp131tA
6 7 8 9 10 ll 12 13 14 15 16 ThicknessoEiron･aIurniniurnllayerto､
thicknessoEironlayer.β/r(%)
Fig･6Theielationbetweenthedecreaseinmechanical Fig･7Therelationbetweenmechanicalpropertiesand propertiesandannealingtime,at800℃･ thethicknessofiron‑aluminiumlayer.
336時間加熱 した ときで も,非加熱時の合金層(photo.1)に比較すればい くぶん形は くずれてい るが舌状形ははっき り確認出来 る･(photo.4(叫)｡ しか し800oC加熱になるとP,加熱時間0.5時間 ですでに合金層の突端は非常にゆるやかな波状を皇●し(photo.5(a)),加熱時間が長くなるにつれ
22 滋野エXi'l･.I.';TJJJi門ナIL'C級紀 l題･約 1Jrl･
てます ますゆるやにな り加熱日射呂1241噺 ultJこな るとphoto.5ぐb)の ように合金屑の突端は帯状を示 す よ うにな ったO この よ うに加熱亀鑑,加熱時li11gこより合金屑の形に変化が見 られ るのは,命金 屑の突端の糾戊がFe2A15であ り, これが特定の軸方向にのみ成 長 し易 い とい う拡散異 方性を示 すために必然的に舌状形を示すが,これを800oCの よ うな高温 に加熱 した場命は,アル ミニウム 浪度の′J､さい相の生成に よ りFe2A15の拡散異方性の効果が少な くな り,その締盟.舌状 の発達 が減 少 して合金層の突端が波状 になるもの と解釈 され る｡
phot0.6は非 披覆鋼板の顕微錠写貢を示 し(a)は500oC,168時JJJl.j加熱の もの,03)は800cc,24 時RrlJ;ull熱の ものを示す｡ これ らの写真か ら非被覆鍬 坂は500oC加熱 では非加熱 の ときの組織 に近 いが,800oC加熱になると結晶粒が非常に大 きく成長 しているのがわか る｡
(a)
PllOtO.4 Growth oftheiron‑aluminium
(b)
layer. (a)heatedfor10hr..at500OC.
(b)heatedfor336hr‥ at5000C.(×180x2)
声 r･ (二 『 首 享有 良 ,.JLi.̲もこ/ {7& :./L 二 ⊥
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T p‑ 1■ 'Ll
.･･,I:I,嘉 j
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◆
(a) (b)
Photo.5 Growthoftheiron‑aluminium layer. (a)heatedfor0.5hr.,at800OC.
(b)heatedfor24hr.,at8000C.(×180×2)
5.3芯材層の結晶粒の異状成長
溶融 アル ミニウムめ っき鋼板を800oCにて加熱 した とき,加熱 時間3時間以後になると他の結 晶粒の数10倍 の大 きさの締晶粒が合金屑に隣接 した部分に生 じ始め,加熱時間が長 くなるにつれ て成長 してい くのが観察 された. このよ うな‑ER象は鉄‑3%ケ イ素 合金 などにおいて観察 され て
(8)
お り,一次再結晶 した結晶粒の一部の粒界が急速な移動を行ない,その結果,一次結 晶粒の大部 分 は消滅 して非常に大 きい二次結晶粒が作 りだされ ると考え られ ている｡溶融 アル ミニウムめ っき 鋼板の二次結 晶粒 の加熱時間に よる変化を観察するとつぎのよ うである｡加熱時間3時間の場 合
桁融アル ミニウムめっき銅板に関する二 ･三の研究
speciJnen ‑, トーspeci皿el1‑‑1
23
(a) (b)
photo.6 CoJTIParisonofm icrostructuresoftheuncoatedsteelbetween500OCand 800OCheating.(a)heatedfor168hr.,at500OC. (b)heatedfor24hr,, at800OC.Notethegraingrowthandthethicknessofthespecimens.
(×42×2)
は合金屑に隣接 した部分のみに少 々見 られた ものが(photo.7(初).加熱時rEll]5日引榊 こなる と合金 層に隣接 しない中央 の部分に も生 じ始め.さ らに10時間加熱す ると,二次結 晶粒の大 きさ も,芯 材 屑全体に対 して占める割合 もしだいに大 き くな り,加熱時間24時間になると,芯材層の90%以 上が二次結晶粒で占め られた (photo.7(b))｡ この二次結晶粒の生成は500oC加熱の ときには全
二等 持 薬 軒
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●.
●
■ヽ
ITS.T̀.↑ノー宰 相･Yi;,I
.?
.･T:rL･
..i(a) (b)
Photo.7 Largesecondarygrainsinthealuminium coatedsteel.(a)heated for3hr.,at8000C. (b)heatedfor24hr.,at800OC.(×180×2)
く見 られなか った ものであ り,溶融 アル ミニウムめ っき鋼板に顕著 に見 られた現象であ るので, これには加熱温度や加熱時問 とともに合金層の存在は無視出来ない と思われ るが,そのほかに も 結 晶粒皮,添加元素などが広 く影響 しているもの と思われ るので詳細については今後の検討 に譲
りたい｡
3.4耐高温献化性
溶融 アル ミニウムめ っき鋼板 と非被怒鋼板を空気中で500oC, 336時間お よび800oC,24時rLll 加熱 した ときの酸化に よる増加重畳 と加熱時間のLq係をおのおのFig.8とFig.9に示す｡これ ら に よ り溶融アル ミニウムめ っき鋼板 の酸化に よる増加重量は非被覆鋼板 のそれに比較 して著 しく 少ない こと,いいかえれば耐朽ち温酸 化性がす ぐれていることがわかる. また表面状況を観察す る と,非被覆鋼板は500oC, 1時間の ときに衣両はすでに褐色 のFe208屑で全面番われていたが.
