亜鉛メッキ鋼: 材料特性、プロセス、用途

亜鉛メッキ鋼は、そのユニークな特性により、材料科学および工学の分野で重要な役割を果たしています。特に建築、家庭用品、さまざまな自動車部品など、幅広い用途があります。亜鉛コーティングの保護により、亜鉛メッキ鋼は他の種類の鋼とは一線を画し、最終的には長寿命化に貢献します。この記事では、この材料の特性、製造プロセス、および業界での幅広い用途について探ることができます。したがって、学歴に関係なく、この多用途の材料に関する知識を身に付ける準備をしてください。

図1: 亜鉛メッキ鋼

亜鉛メッキ鋼とは何ですか？

有名な亜鉛メッキ処理による亜鉛コーティングで構成された鋼の一種。それぞれのコーティングは、耐腐食性や耐久性などの特性を向上させることを唯一の目的として、亜鉛と鋼の冶金結合によって行われます。したがって、この保護層により、過酷な環境に耐えることができます。さらに、鋼の寿命が延び、耐久性とコスト効率が向上します [3] [4]。

図2: 亜鉛メッキ鋼板

亜鉛メッキ鋼はなぜ重要なのでしょうか?

この鋼種は、その優れた耐腐食性と長寿命により、その重要性を増しています。亜鉛の保護コーティングは、酸素と空気が鋼に直接接触するのを防ぐ遮断材として機能し、劣化や錆の可能性を最小限に抑えます。さまざまな環境条件に耐えるこの素材は、建設やインフラなどの用途に使用するのに最適な選択肢です。さらに、メンテナンスの必要性が比較的少ないため、コスト効率に優れています。

亜鉛メッキ鋼は何に使用されますか?

この亜鉛メッキ鋼は、そのユニークな特性により、さまざまな用途に使用されています。その一部を以下に示します。

構築

• 構造梁
• ルーフィング
• ウォーリング

自動車

• 車体および部品

インフラ

• 橋、
• ガードレール
• 街灯柱

家庭用器具

• 洗濯機
• 冷蔵庫

農業

• Fencing
• サイロ

図3: 亜鉛メッキ鋼の用途

亜鉛メッキ鋼材の長所と短所

以下は亜鉛メッキ鋼の利点と欠点の一部です。

図4: 亜鉛メッキ鋼板の長所と短所

亜鉛メッキ鋼はどのように作られるか

この鋼は、溶融亜鉛に鋼を浸す亜鉛メッキ処理によって製造されます。以下は鋼の亜鉛メッキ処理の簡単な説明です。

亜鉛メッキプロセス

優れた耐腐食性を保証する最も顕著な亜鉛メッキ処理は溶融亜鉛メッキであり、これは次に説明するいくつかのステップで構成されています。

表面処理

まず、亜鉛メッキを施す前に鋼鉄の表面処理を行います。これは、以下の 3 つの段階で行うことができます。

• 脱脂と洗浄:アルカリ溶液を使用して汚れ、油、その他の汚染物質を除去し、亜鉛コーティングに欠陥がないことを確認します。
• 酸洗い：洗浄後、鋼は硫酸または塩酸に浸され、鋼の表面にある酸化物や錆がさらに除去されます。
• フラックス処理:その後、亜鉛アンモニウム塩化物から成るフラックス溶液に鋼を浸し、亜鉛メッキ前に酸化を防ぐ保護層を形成します。このプロセスは、亜鉛コーティングと鋼の接着力を高めるのにも役立ちます。

溶融亜鉛めっき

このプロセスには、通常 450°C の温度に保たれた溶融亜鉛浴にきれいな鋼を浸すことが含まれます。このプロセスには、次の手順が含まれます。

• 溶融亜鉛浴に鋼を浸す：この浸漬により、亜鉛と鋼鉄が反応して亜鉛合金層が形成され、鋼鉄全体が亜鉛で覆われるようになります。
• 亜鉛鉄合金層の形成：この形成は浸漬中に起こり、強力な結合を提供し、耐腐食性を高めます。浸漬中に形成される一般的な層は、ガンマ相、デルタ相、ゼータ相であり、全体的な耐久性を高めます。
• 亜鉛コーティングの厚さの制御:これは、浸漬時間、浴の温度、鋼を浴から引き出す速度などの特定のパラメータを調整することによって制御できます。

後処理

鋼材が亜鉛メッキされると、後処理として以下の段階が行われます。

• 亜鉛コーティングの冷却と凝固：亜鉛メッキされた鋼は、亜鉛浴から取り出された後、空気中で、または特定の冷却プロセスを経て冷却されます。
• 欠陥およびコーティングの均一性の検査:コーティングの欠陥をチェックするために目視検査が行われます。さらに、特殊な機器を使用して厚さと均一性も評価されます。
• 追加治療の適用:アプリケーションの要件に応じて、鋼を亜鉛メッキするための追加プロセスを実行することができます。接着性と表面硬度を向上させるために、ガルバニーリングが行われます。これに加えて、耐腐食性を高めるためにリン酸亜鉛コーティングを行うこともできます。

図5: 鋼板の亜鉛メッキの段階的プロセス 

亜鉛メッキ鋼の材料特性

亜鉛メッキ鋼には、以下に詳しく説明する一連の独自の特性があります。

耐食性

この鋼は、犠牲バリアとして機能する亜鉛コーティングにより、優れた耐食性を備えています。この犠牲挙動と鋼の錆防止の背後にある現象については、以下で説明します。

犠牲バリアとしての亜鉛層

亜鉛メッキ鋼の亜鉛層は犠牲バリアとして機能し、最終的には過酷な環境条件での腐食に対する耐性を提供します。亜鉛は鋼に比べて環境中の酸素や水分に非常に引き付けられるため、亜鉛が最初に腐食し、鋼の部品を保護します。この犠牲作用により、鋼の寿命が延びます。

亜鉛が鋼鉄を錆から守る仕組み

亜鉛が腐食すると、酸化亜鉛と水酸化亜鉛が形成されます。この酸化物の形成により、鋼部品の表面に不動態層が形成され、酸素や水分が鋼部品に直接接触するのを防ぐ物理的なバリアが提供されます。場合によっては、このコーティングが損傷しても、亜鉛の残骸が犠牲作用によって鋼を保護し続けます。

亜鉛腐食の電気化学的プロセス

電気化学プロセスにより亜鉛が腐食し、亜鉛コーティングが陽極として機能し、鋼鉄部品が陰極として機能します。この場合の電解質は、電子の流れを助ける酸素または水分です。この結果、亜鉛で酸化が起こり、陰極で還元が起こり、最終的に鋼鉄部品の錆の形成を防ぐプロセスにつながります。

耐食性に影響を与える要因

耐腐食性に影響を与える主な要因は次のとおりです。

亜鉛コーティングの厚さ

亜鉛コーティングの厚さは耐食性に大きな影響を与えます。十分な厚さのコーティングは、薄いコーティングに比べて耐食性が高くなります。

亜鉛コーティングの種類（亜鉛メッキ vs. 電気メッキ）

亜鉛メッキコーティングは、電気メッキコーティングに比べて層が厚く、過酷な条件に耐える能力があるため、優れた耐性を発揮します。一方、電気メッキコーティングは、穏やかな環境条件に適しています。

環境条件（湿度、温度、汚染物質）

鋼鉄部品が耐えなければならない環境の性質は、腐食に対する耐性に大きく影響します。湿度、高温、その他の汚染物質を含む過酷な条件は、腐食を加速させる可能性があります。

亜鉛メッキ鋼の化学成分

以下は亜鉛メッキ鋼の化学組成です。

表1: 亜鉛メッキ鋼の化学組成

亜鉛メッキ鋼の機械的性質

以下は亜鉛メッキ鋼の機械的性質について簡単に説明したものである[21][22][23]。

亜鉛メッキ鋼の密度

亜鉛メッキ鋼の密度は7.85～8.15g/cm³の範囲です。

耐久性

以下の要因により、優れた耐久性を備えています。

過酷な環境への耐性

亜鉛コーティングの犠牲作用により、汚染物質、湿気などの過酷な環境条件に対する耐性があります。

風化と紫外線からの保護

亜鉛コーティングは紫外線や風化に対する優れた保護を提供し、鉄鋼部品の寿命を延ばします。

極端な温度への耐性

材料コンポーネントにいかなる劣化も引き起こすことなく、極端な温度範囲に耐えることができます。

湿気や化学物質に対する耐性

亜鉛メッキ鋼は保護コーティングにより過酷な条件にも耐えられるため、要求の厳しい用途にも十分対応できます。

第３章：濃度

亜鉛メッキ鋼は、鋼の自然な強度を維持しながら、いくつかの機械的特性を向上させます。

引張強さと降伏強さ

• 亜鉛メッキ鋼は、構造部品にとって極めて重要な高い引張強度と降伏強度を維持します。

延性と耐衝撃性

• 優れた延性と耐衝撃性を備えており、突然の衝撃にも壊れることなく耐えることができます。

硬度と耐摩耗性

• 亜鉛コーティングにより、この鋼の表面硬度と耐摩耗性が向上し、耐摩耗性が要求される用途に十分適したものになります。

弾性係数

この材料は弾性率が約 200 GPa であり、塑性変形することなく荷重に耐える能力を示します。

体積弾性率

亜鉛メッキ鋼の体積弾性係数は 160 GPa です。

ポアソン比

同様に、亜鉛メッキ鋼の毒物比率は 0.3 です。

せん断弾性率

亜鉛メッキ鋼のせん断弾性率は 80 GPa であり、せん断力に耐える能力があることを示しています。

亜鉛メッキ鋼の機械的性質表の概要

表2: 亜鉛メッキ鋼の機械的性質

成形性

亜鉛メッキは機械的特性を損なうことなく、さまざまな形状に形成できます。

冷間成形プロセス

曲げ、圧延、スタンピングなどのいくつかの冷間成形プロセスを受けることができ、さまざまな形状を実現できる傾向があり、構造的完全性を損なうことなくさまざまな用途に容易に使用できます。

製造技術

この亜鉛メッキ鋼は、用途の要求に応じて、溶接、切断、穴あけなどのさまざまな加工技術で加工できます。ただし、亜鉛メッキに損傷を与えないように、どの技術を実行する場合でも注意が必要です。

加工能力

この材料は機械加工が可能で、最終的には産業従事者が用途のニーズや要件に応じて旋削、穴あけ、フライス加工などのさまざまな操作を実行できるようになります。

亜鉛メッキ鋼仕上げ

亜鉛メッキ鋼は表面仕上げが良好です。主な表面特性は以下の通りです。

表面特性

• 優れた滑らかさを備えているため、鋼材の見た目が美しくなります。
• 亜鉛コーティングにより、コーティングとペイントの優れた接着性が促進され、長期にわたる保証が得られます。
• 印刷適性が良好で、さまざまな建築用途の仕上げに十分な柔軟性を備えています。

費用対効果

亜鉛メッキ鋼は、鋼に亜鉛コーティングを施すプロセスのため、初期コストが高くなります。そのため、他のさまざまな素材に比べて高価ですが、長期的な節約を重視する場合、メンテナンスが少なく、過酷な環境にも耐えられるため、この素材の方がはるかに有利です。

亜鉛メッキ鋼の代替品

亜鉛メッキ鋼の代替品を検討する場合は、コスト、耐えられる環境条件、機械的特性などの要素を検討してください。ただし、検討すべき最良の代替材料は次のとおりです。

• ステンレス鋼
• アルミ
• コーティングされた炭素鋼
• プラスチック
• コンポジット

製造における亜鉛メッキ鋼CNC加工部品の利点

CNC 加工は、アプリケーションの性質と要求に応じて、特定の材料を特定の形状またはサイズに加工する最新技術の 1 つです。従来の加工と CNC 加工の違いは、精度と精密さにあります。他のすべての材料と同様に、亜鉛メッキ鋼は、その機械的特性を損なうことなく成形できるため、CNC 加工に適しています。亜鉛メッキ鋼の CNC 加工部品には、製造において多くの利点があります。そのいくつかを次の図に示します。

図6: 亜鉛メッキ鋼CNC加工部品の利点

結論

結論として、亜鉛メッキ鋼は、製造、建設、その他の分野を問わず、さまざまな用途に幅広く受け入れられる最も汎用性の高い材料の 1 つです。さらに、亜鉛コーティング、つまり保護コーティングは、鋼に過酷な条件に対する多大な保護を与えるため、腐食性の高い環境に対する耐性を必要とする用途で人気があります。最後に、この材料は機械加工性に優れているため、鋼部品に高い精度と正確さが求められる用途に適しています。したがって、この材料は製造業に価値ある貢献をします。