Vol.34, No.12, 1983 587 ぶ りき の ス ズ 結 晶 成 長 に つ い て 西 條 謹 二 *,吉 岡 治* *,根 本 忠 志 * *,岡 Tin Crystal Growth of Tinplate KinjiSAIJO*, A study has flow-brightening ripple-like The of strip, of the quenching origin of origins of layer supercooling Actually, pretreatment the thereby is pattern on size of or annealing. 1. 緒 cooling crystal quenching where grain size grain mechanism It found was site of size the occurs contaminants the is and also the did depends surface by the tinplate during stain•h of crystal not on the on but cooling tin rate. the At substrate surface cleanness supercooling because the rate contaminants -a the growth form localized crystals, affected of the crystallization introduce tinplate amount of the •gquench the compound nucleation Takehiko OKA*** that to nucleation intermetallic surface when growth corresponds the Fe-Sn that rate, Tadashi, NEMOTO**, tinning. sites, the increased the indicated the suggested controlling grain clarify pattern, during Quenching YOSHIOKA**, electrolytic during number It depends tin ripple ripple strip. to in formed the the that substrate tin out pattern, indicating the carried and surface layer. most been Osamu 雄 彦* * * of was the of degree steel reduced of strip. during 間 に 進 行 し,現 象 の観 察 が難 し く,溶 融 光 輝 化 処理 過 程 言 に お け るス ズの 凝 固 を 取 り扱 った 研 究 は 極 め て 少 な い6), ぶ りきは鋼 板 に ス ズめ っ き した表 面 処 理 鋼板 で,食 缶 7)。 な ど容器 用 材 料 と して 広 く用 い られ てい る。 このぶ りき ぶ りき の表 面 ス ズ 結 晶 粒 の 大 きさが,ぶ りきの 耐食 性 は 古 くは熱 漬 処 理 に よ り製 造 され てい た が,最 近 で はほ に影 響 す る こ とは,一 般 に認 め られ てお り5),8),耐 食 性 とん ど,電 気 め っ きに よ り製 造 され て い る 。ぶ りき の製 の要 求 され る酸 性 果 実 缶 用 のぶ りき では,一 定 の大 き さ 造 工 程 は,脱 脂,酸 洗 な ど の前 処 理,ス ズ め っき,溶 融 以上 の スズ 結 晶粒 が 必要 とされ る。C.J. Thwaites6),7) 光 輝 化処 理 お よび 化 成 処理 の4工 程 に 大 別 で きる。 こ の は,め っ き量,溶 融光 輝 化処 理 条 件 の ス ズ 結 晶粒 に対 す うち溶 融 光 輝 化 処 理 に お い て は,電 気 め っ きで析 出 した る影 響 は 大 きい が,め っ き条 件 を 変 え た り,原 板 を 化 学 表 層 の ス ズを 溶 融 し,表 面 に金 属 光 沢 を 与 え る と 同 時 研 磨 す る とス ズ 結 晶粒 が大 き くな る傾 向 を示 す こ とを 報 に,素 告 してい る。 この こ とは,め っ き前 原板 の表 面 特 性 が, 地 鋼 と ス ズ層 の界 面 に 耐食 性 の優 れ たFe‑Sn合 金 層 を形 成 せ しめ る。 このFe‑Sn合 ス ズ結 晶 粒 度 に 影響 を及 ぼ す こ とを示 唆 してい る。 金 層 に 関 しては, 形 成 機 構 お よび ぶ りき の耐 食 性 に 及 ぼ す 影響 につ い て数 本 研 究 で は,原 板 表 面 の清 浄 性 の ぶ りき特 性 に 及 ぼ す 多 くの研 究 が な され て い る1)〜4)。この溶 融 光 輝 化 処 理 に 影 響 に関 す る調 査9)〜11)の一 環 と して,ぶ お い て は,合 金 層 の形 成 のみ な らず,表 面 の電 析 ス ズ 結 晶形 成 に 及 ぼ す 前 原板 の表 面 清 浄 性 の影 響 につ い て調 査 りき のス ズ 結 晶 の凝 固 組 織 へ の変 化 も起 こ り,こ の ス ズ の凝 固 組 織 が を行 な った 結果,溶 融 光 輝 化 処 理 過 程 に お け る凝 固 ス ズ ぶ りきの 耐食 性 に少 なか らず 影 響 を及 ぼ してい る こ とが 結 晶形 成 機 構 に 関 して幾 つ か の 知 見 が 得 られ た の で 報 告 知 られ て い る5)。 しか し,通 す る。 は通 電 に よ り,250〜300℃ 常ぶ りき の溶 融 光 輝 化 処理 まで 加 熱 され,す み や か に, 2. 水 中 に 浸 せ きさ れ て急 冷 され るた あ,凝 固が 極 め て 短 時 * 東 洋 鋼 鈑(株)下 松 工 場(〒744 2‑1 下松 市 東 豊 井1302) 下 松 市 東 豊 井1296) Toyo Kohan Co. Ltd., Technical Research Lab. (1296, Higashi-Toyoi, Kudamatsu-shi, Yamaguchi, 744) *** 東 洋 鋼 鈑(殊)(千 代 田 区 霞 が 関1‑4‑3) Toyo Kohan Co. Ltd. (4-3, Kasumigaseki-1chome, Chiyoda-ku, Tokyo 100) 験 方 法 ぶ りきの クエ ンチ模 様 お よび ス ズ 結 晶 粒 の観 察 ぶ りきの クエ ンチ 模 様 お よび ス ズ結 晶 粒 の 観 察 に は, Toyo Kohan Co. Ltd., Kudamatsu Plant (1302, Higashi-Toyoi, Kudamatsu-shi, Yamaguchi, 744) ** 東 洋鋼 鈑(株)技 術 研 究 所(〒744 実 クエ ンチ模 様 が 明 瞭 に 認 め られ る市 販 の#75ぶ りき(ス ズ め っ き量8.4g/m2)を 用 い た。 試 料 に あ らか じめ ナ イ フ に よ りス ク ラ ッチ で 印 を付 け て光 学 顕 微 鏡 に て観 察 した 後,20% FeCl3水 溶 液 を しみ込 ませ た 脱 脂綿 に よ り肉眼 で 確認 で き る程 度 腐 食 し,再 び 同一 場 所 を 観 察 し,腐 食 前 後 の対 応 を 調 べ た 。 2‑2 ‑23‑ 凝 固 起 点 の観 察 588 研 究 金 属表 面 技 術 用 い た 。 この 熱 流 束 の求 め方 に つ い ては,実 験 結 果3‑1節 に て詳 細 に述 べ る。 計 算 に 用 い た プ ロ グ ラ ム はUNIVACのNASTRAN Level 15.7で あ る。 2‑4 ス ズ 結 晶 粒 に 及 ぼ す原 板 表 面 清 浄 性 の 影響 調 査 通常,ぶ りき原 板 に 用 い られ る キ ャ ップ ド鋼,Alキ ル ド 連続 鋳 造 材 の熱 延 材 を23本 用 い,通 常 行 な わ れ る方 法 で,冷 間 圧 延,電 解 洗 浄 を施 した の ち,2分 割 し,一 方 は 通常 の条 件(入 側 保 護 ガ ス の 露 点‑45℃ 以下)で 焼 鈍 し,他 方 は 保 護 ガ ス の露 点18℃ で焼 鈍 し冷 a) 却 時 に 露 点‑45℃ b) Fig. 1 Tinplate 以下 の ガス と置 換 した 。 い ずれ も,焼 鈍 温 度 は serface as received and after etching. 670℃ で均 熱 時 間 は15hで あ る。 め っき処 理 は,前 処理 と して80℃ の5%苛 溶液 中 の電 解 脱 脂(10A/dm2×1s)と 性 ソー ダ水 常 温 の5%硫 酸水 溶液 中 で 電 解 酸 洗(陽 極処 理5A/dm2×0.5s後,陰 極処 理5A/dm2×0.5s)を 施 した 後,フ て行 ない,8.4g/m2の め っ きを 施 した。 そ の後,通 電 加 ェ ロス タ ン浴 を用 い 熱 に よ り250℃ に 加 熱(加 熱量 約32000kcal/m2h)し,直 ち に,80℃ の水 中 に クエ ンチを 行 ない 試 料 を 作 製 し,特 性 の評 価 を行 な った 。 ま た,原 板 表 面 の濃 化物 をESCA (国 際 電 気,ES‑200型)を 用 い て 調 査 し,ぶ りき の ス ズ 結 晶 粒 度 と表 面 濃 化 物 の 関 係 も調 べ た 。 3. 3‑1 実 験 結 果 お よび 考 察 ス ズ結 晶 成 長 に つ い て ぶ りきの 表 面 お よびぶ りきの 表 層 の ス ズ層 の腐 食 像 を 観 察 す る と,図1に 示 され る よ うに,加 熱 後 の水 冷 クエ ンチ 時 に形 成 され る波 紋 状 の模 様 とス ズ結 晶 の間 に は, 1対1の 対 応 が認 め られ る。 さ らに,ス ズ 結 晶 の 起 点 が,ク エ ンチ 時 にぶ りき表 面 に 形成 され る波 紋 状 の 模 様 Fig. 2 Schematic model of tinplate の中 心 に 一 致 す る ことが わ か る 。 図1を 模 式 的 に 表 現 す surface. る と,図2の クエ ンチ模 様 の明 瞭 なぶ りきに つ い て,100倍 の実 体 び4の 顕 微 鏡 で 観察 しなが ら,ク エ ンチ 模 様 の波 紋 の中 心 部 に 200〜300μm径 ダ135g/lお の印 を付 け,プ ラム バイ ト液(苛 性 ソ ー よび 酢 酸 鉛80g/lを 含 む 水 溶 液)に よる表 面 ト組 織 が 放 射 状 に成 長 して い る場 合 は,ス ズ の凝 固 の起 び5と 図1b)の ス ズ除 去 前 後 の 定点 観 察 を走 査電 子 顕 微 鏡 に て 行 な っ よ 対 応 は判 別 が 難 し くな る。 しか しな が ら,例 えば 図2の 波 紋 の 中心5に つ い て 示 す な らば, 2, 伝 熱 計算 3お よ 点 と して識 別 が 容 易 で あ る。 これ に 対 し,図2の2お た。 2‑3 よ うに な る。 図2の 波 紋 の 中心1, よ うに,こ の点 を 起 点 と して,ス ズ の デ ン ドラ イ 3お よび4と の境 界 は太 線GFHIJで で も確 認 で き る。 また,こ の図1b)の ぶ りきの クエ ン チ時 の伝 熱 計算 を有 限 要 素 法 に よ り行 ドライ ト組 織 が 認 め られ,図2の5か あ り,図1b) 右下に一部デ ン ら図 の 右下 へ 凝 固 な った 。 モデ ル は 図7に 示 す 鋼板 断面 の2次 元 モ デ ル を 結 晶 の成 長 を示 して い る 。 クエ ンチ の波 紋 状 の 模 様 とぶ 用 い,境 界 条 件 の熱 流 束 は 顕 微 鏡観 察 に よ り求 め た値 を りきの ス ズ結 晶を 約500点 ‑24‑ 対 比 して観 察 した 結 果 で は, Vol.34, Fig. No.12, 3 1983 Schematic of tinning ぶ りきの ス ズ 結 晶成 長 に つ い て of flow-brightening line. section Fig. 4 589 Theoretical during cooling curve of tinplate quenching. スズ の凝 固 結 晶 の成 長 起 点 と クエ ンチ時 に形 成 され る波 紋 の中 心 は対 応 してい た 。 ま た,ク エ ン チ の波 紋 状 の 模 様 にめ っ き板 の溶 融 光 輝 化 処 理 を 交 流 通電 加 熱 で行 う時 の特 有 の模 様 で あ る。 め っ き後 の鋼 帯 は 図3に 示 す よ う な溶 融 光 輝 化 処理 装 置 を通 っ て加 熱 冷却 され るが,こ の 場 合,鋼 帯 は#1コ ン ダ ク タ ー ロー ル と#2コ ン ダ ク タ ー ロー ル間 で 交 流 に よっ て通 電 加 熱 され,ク エ ン チ タ ン ク に 導 入 され た後,水 冷 され る。 しか し,通 常#2コ ンダ クタ ー ロ ール は クエ ンチ タ ン クの 中 ま た は タ ン クの 出 側 に あ るた め,鋼 帯 は通 電 加 熱 され な が ら冷 却 さ れ るの で,鋼 帯 の 冷 却 曲線 を模 式 的 に 示 す と 図4の る。 鋼 帯 表 面 の ス ズ の凝 固 温 度 をtと 固 が 図4のt0≧t<t1の よ うに な した時,ス ズの 凝 領 域 で 起 こる場 合 は,ス ズの凝 固 は 平滑 に進 行 す るが,t1≧t<t2の 領 域 で起 こ る場 合 に は,ス ズ の凝 固 の停 滞 も し くは再 溶 解 が 起 こ り,図1 に 示す よ うな波 紋 状 の 模 様 が形 成 され る も の と推 定 され る。 Fig. 5 こ こで,波 紋 が交 流 の周 期 と考 え られ る こ とか ら,今 波 紋 と波 紋 の間 隔 が1/120sと を 測 定す る と,図5の して,ス ズ層 の 凝 固速 度 よ うに な る。 凝 固 の進 行 に と もな Growth rate of tin crystals during quenching. Weight of tin coating: 8.4g/m2 Thickness of steel strip: 0.24mm Strip speed: 5m/s い,凝 固 末 期 の 凝 固 速 度 は,凝 固 開始 時 に 比 べ て,か な り大 き くな る こ とが 認 め られ る。 こ こ で,ス ズ の凝 固速 る と仮 定 す る と,凝 固初 期 お よび 末期 の凝 固 速 度 は 図6 度 につ い て考 え る と,凝 固 に ともな う溶 融 潜 熱 の放 出 は の走 査 電 子顕 微 鏡写 真 か ら,そ れ ぞれ 約0.3mm/s, 熱 伝 導 に よ らな けれ ば な ら ない か ら,微 少 領 域dxの mm/sで 固 に と もな う発 熱量L・ ρ・dx(但し,Lは 溶 融 潜 熱,ρ は 密 度)とdxを 形 成 す る時 間dtで dt(但 し,λ は 熱伝 導 度,dT/dxは 凝 の 熱 放 出量 λ・dT/dx・ 凝 固 界 面 に お け る温 度 勾 配)は 等 しい か ら次 の よ うに な る12)。 12.0 ρは7g/cm3, λは0.155 cal/cm°Csで あ り,(1)式 よ り凝 固 界 面 の初 期 お よび 末期 の温 度 勾 配 は そ れ ぞ れ約2×103℃/m, 8×104℃/mに なる もの と考 え られ る。 ま た,表 面 ス ズ層 の 凝 固 反 応 時 間 は,溶 融 潜 熱 の放 出 に 要 す る 時間 に等 しい か ら,次 式 が L・ρ・dx=λ・dT/dx・dt(1) (1)式に よれ ば,凝 固速 度dx/dtは あ る 。こ こ でLは14cal/g, 成 立す る。 凝 固 界 面 に お け る温 度 勾 配 に 比例 す る。 溶 融 ス ズ の熱 伝 導 率 は 固 相 ス ズ の そ れ よ り も大 きい か ら13),潜 熱 の放 出 を液 相 の 熱 伝 導 に よ ‑25‑ A・ρ・L=q・t(2) こ こで,Aは 単 位 面 積 当 りの ス ズ の厚 さ,ρ は 密度, Lは 溶 融 潜 熱,qは 伝 熱 量 お よびtは 凝 固 に 要 す る時 間 590 研 Table 1 Relationship of heat 究 transfer between Strip strip speed Temperature 金属表面技術 and various media in quench tank. 5m/S in quench tank 80•Ž と鋼 帯 の境 界 層 が 層 流境 界 とす る と,鋼 帯 と水 との 伝 熱 量 は 表1に 示 す よ うな 値 が 得 られ14),ス ズ の凝 固 時 の 鋼 帯 と冷媒 の水 と の界 面 に,飽 和 水 蒸 気 の 気泡 が存 在 す る a) もの と考 え られ る。 3‑2 スズ 凝 固 結 晶 の 起 点 に つ い て 前 項 で述 べ た よ うに,ぶ りきの表 面 ス ズ の凝 固 の 起 点 は クエ ンチ時 に 形 成 され る波 紋 状 模 様 の 中心 に一 致 す る こ とがわ か った ので,こ の 波紋 の 中心 を走 査 電 子 顕 微 鏡 に よ り観 察 した 。 そ の 結 果 の代 表 的 な も の を 図6に 示 す 。 図6に 示 され る よ うに,波 紋 の 中 心 部 で は表 面 ス ズ 層 を除 去 す る と10μm程 度 の径 のFeSn2合 b) 金 が形 成 し て い な い部 分 が 認 め られ る。 クエ ンチ の波 紋 の 中 心 部 を 視 野 観 察 した 結 果,約400視 野 に,こ の よ うな合 金 層 未 形 成 領域 が認 め られ た 。 これ よ り,ス ズ 凝 固 の起 点 の大 半 の 部分 で は,鋼 表 面 の バ リヤ ー の た め にFeSn2が 形 成 され な い ことが 考 え られ る。 つ ま り,熱 伝 導 率 の小 さ Fig. 6 で あ る 。 こ こ で,図1に と,表 い バ リヤ ー が鋼 板 表 面 に あ るた め に,ク エ ンチ の冷 却 過 Scanning electron micrographs of origin of ripple mark as received and after removal of surface free tin. 示 したぶ りきに つ い て 考 え る 面 ス ズ 量 は7.8g/m2, 平 均 で 約0.08sと Lは14cal/g, 推 定 さ れ る た め,ク 帯 は 冷 却 時 に お い て も 図3に 加 熱 さ れ て お り,こ tは 図1よ り エ ンチ過 程 に おけ る ス ズ 凝 固 時 の 伝 熱 量 は 約5200kcal/m2hと こ れ に 対 し,鋼 程 で そ の部 分 の ス ズ層 が 局 部 過 冷 さ れ,凝 固結 晶 の核 形 成 が 起 こる もの と推 定 され る 。 推 定 され る。 示 す よ うに りきの板 厚 方 向 の2次 元 モ デ ル を用 い て,有 限 要 素 法 に よる熱 伝 導 計 算 を 行 な った 。境 界 条 件 と して 前 項 で 得 られ た 伝 熱 量21200kcal/ m2h,鋼 帯 片 面 で の発 熱 量16000kcal/m2hを 代 入 し,バ リヤ ー層 に種 々の 厚 さの 酸 化膜 を想 定 して,ス ズ層 の温 て も,ス ズ結 晶 形 成 初 期 の 温 度 勾 配約108℃/mに 比 べ, 帯 の 加 熱 量 約32000kcal/m2hの 半 分 と ス ズ 凝 固 時 の 伝 熱 量 約5200kcal/m2hを 約21200kcal/m2hと 示 す よ うな,ぶ 度 変 化 を調 べ た が,ス ズ 層 を 同 じ厚 さ の 酸 化 膜 を想 定 し の 加 熱 量 は 約32000kcal/m2h注)で あ る 。 こ の こ と か ら鋼 帯 片 面 に お け る ク エ ン チ 時 の 板 と 水 と の 間 の 伝 熱 量 は,鋼 そ こで,図7に 推 定 さ れ る 。 さ ら に,冷 合わせた 媒 で あ る水 ‑26‑ 注) 加 熱 時 の通 板 速 度,板 サ イズ,電 流 お よび 電 圧 か ら求 め た。 Vol.34, No.12, 1983 ぶ りき の ス ズ 結 晶 成 長 に つ い て 591 は るか に小 さい 値 を示 した。 そ こで,溶 融 した ス ズ層 が バ リヤ ー に よっ て ハ ジキ(dewettig)を 起 こ し,図7に 示 す よ うな バ リヤ ー層 と して空 隙 を形 成 して い る モ デ ル を 想 定 して計 算 を 行 な った結 果,0.1〜0.5μ 程 度 の空 隙 を 想 定す る こ とに よ り,空 隙近 傍 に 約103℃/mの 温度勾 配 が得 られ た 。 ス ズ結 晶 粒 度 に及 ぼ す 要 因 と して,鋼 帯 表 面 近 傍 の 断 熱 層 の効 果 と と もに,溶 融 光 輝 化処 理 時 の鋼 帯 の 冷 却速 度 の影 響 が 上 げ られ る。 す で に報 告 され てい る よ うに6), 7),鋼 帯 の 冷 却 条件 の変 化 に よ りス ズ結 晶粒 度 が 変 化す る こ とは,合 金 層未 形 成 箇 所 のす べ てが 凝 固 の 起 点 に は な らな い こ とを示 して い る。 つ ま り,合 金 層 未 形成 部 は 冷 却 前 に す で に存 在 して い な けれ ば な らな い か ら,合 金 層 未形 成 部 が 凝 固 時 の核 形 成 の起 点 に な るか 否 か は,そ の 部分 の ス ズ の過 冷 度 に依 存 し,冷 却 速 度 が 小 さ い 場 合,局 部 過 冷 が 起 こ り難 い ため,大 きな 欠陥 部 のみ で 核 形 成 に十 分 な 局 部 過冷 が起 こ り,ス ズ 結 晶粒 は大 き くな る の に対 し,冷 却速 度 が大 きい 場 合,小 さ な欠 陥 部 に お い て も十 分 に 局部 過 冷 が 起 こ るた め に,ス ズ 結 晶 粒 は小 さ くな る もの と考 え られ る。 さ らに,鋼 帯 の 加 熱 温 度 を 上 昇 す る と,ス ズ結 晶 粒 が 大 き くな る のは,ク エ ンチ タ ンクへ 鋼 帯 が持 ち込 む 熱 量 が 多 くな り,鋼 板 の冷 却 速 度 Fig. が 小 さ くな る こ とに よ る と考 え られ る。 い ず れ にせ よ, Temperature distribution on surface of tinplate over a barrier layer calculated by the finite element method using a two-dimensional model in the thickness direction of the tinplate. 溶 融 光 輝 化処 理 条 件 を 変 え て ス ズ結 晶 の粗 大 化 を行 な っ て も,ぶ 7 りきの耐 食 性 に 大 きな影 響 を 及 ぼ す と推 測 され る合 金 層 未形 成 部 を 減 少 させ る こ とは 期 待 で き な い た め,溶 融光 輝 化 処 理 条 件 に よっ て十 分 な 耐食 性 を付 与 す に 箱 型 焼 鈍 後 の表 面 濃 化 物 は 焼 鈍雰 囲気 の露 点 に 影響 さ る こ とは 困難 であ る と推 測 され る。 れ,高 露 点 の雰 囲気 中 で 鋼 帯 を焼 鈍 す る と,Mn, 3‑3 Siな どの 濃 化 は抑 制 され る。 そ こで,高 露 点 雰 囲 気 中 で焼 鈍 ス ズ 結 晶粒 度 に及 ぼ す原 板 表 面清 浄 性 の 影 響 した 材 料 を 原板 とし て,ぶ 前 項 でぶ りき表 面 の ス ズ の凝 固 の起 点 に 数 μm径 程 度 りきを製 造 した 場 合 のぶ りき のス ズ 結 晶粒 度 を 調 査 した 。 そ の結 果 を 図9に 示 す 。 図 の大 き さで,ス ズ と素 地 鋼 の濡 れ を 妨 げ る何 か が あ り, FeSn2合 金 の形 成 が起 き てい な い こ とを示 唆 す る結 果 が 9に 示 され る よ うに,高 露 点 雰 囲気 中で 焼 鈍 した材 料 を 得 られ た 。 この こ とか ら,め っ き原 板 の表 面 清 浄 性 が 凝 用 い たぶ りき のス ズ 結 晶粒 は大 き くな る傾 向 を示 す が, 固 スズ 結 晶 の数 に影 響 を 及 ぼ す もの と推 定 され るた め, 通常 焼 鈍 に比 べ 著 しい 差 は な い。 これ は 前処 理 の結 果 か ぶ りきの ス ズ結 晶粒 度 に 及 ぼ す め っき前 処 理 お よび箱 型 ら も明 らか な よ うに,単 位 面 積 当 りの ス ズ結 晶粒 の数 を 焼 鈍 後 の表 面濃 化 物 の影 響 に つ い て調 査 した 。 半 分 にす るた め に は,凝 固 ス ズ結 晶 形 成 の起 点 の数 を 半 電 気 め っ き前 処 理 と して ア ル カ リ電 解 脱 脂 の み を施 し 分 にす る と同 時 に,合 金 層 未 形 成 領 域 の 大 き さ もか な り た ぶ りき とア ル カ リ電 解脱 脂 と硫 酸 電 解 酸 洗 を 施 した場 小 さ くす る必 要 が あ る のに 対 し,高 露 点 雰 囲 気 中 で焼 鈍 合 の ぶ りき のス ズ 結 晶粒 度(TCS)と す る こ とに よる表 面 濃 化 物 の 減 少割 合 は あ ま り大 き くな 鉄 溶 出(ISV)試 験 結 果 を表2に 示 す 。 また,そ れ ぞ れ のぶ りきの凝 固 の起 い こ とに よる と考 え られ る。 しか し,原 板 表 面 のMn, 点 の走 査 電 子 顕 微 鏡 写 真 を図8に 示 す 。 電解 酸 洗 を施 す Si量 とぶ りきの ス ズ結 晶粒 度 との 関 係 は,図10に 示 す よ と,単 位 面 積 当 りの ス ズ結 晶粒 の 数 が約1/2に減 少 し,図 うに 傾 向 は 明 らか に 認 め られ,原 板 表 面 の濃 化 物 な ど の 8に 示 す よ うに,凝 固 ス ズ結 晶 形 成 の起 点 の合 金 層 未 形 酸 化 物 層 が ス ズ結 晶 粒 形 成 に 影響 を及 ぼ す こ とを示 唆 し 成 領 域 の大 き さ も,約1/3に 小 さ くな る。 こ の よ うに め っ てい る。 ま た,ぶ き前 処 理 を 強 化す る こ とに よ り,ぶ りき の スズ 結 晶 粒 を 焼 鈍 雰 囲 気 の露 点 を上 昇 す る こ とに よ り低 下 し,変 動 も 小 さ くす る欠 陥 の数 も減 少 す る と同時 に欠 陥 の大 き さ も 小 さ くな る傾 向が 認 め られ る。 これ に 対 し,鋼 中 のMn 小 さ くな る 。 濃 度 が 高 い場 合 に は,オ ー プ ン焼 鈍 の 雰 囲 気 中 の露 点 上 前 に報 告 した よ うに9),ぶ りき原板 の表 面 清 浄 性,特 昇 に よ り,ISVが ‑27‑ りきのISVも ス ズ結 晶 粒 度 と同 様に, 高 くな る とい う報 告 もあ る15)。これ ら 592 研 Table 2 Effect of pretreatment before 究 金 属 表 面技 術 electrolytic tinning. 2N+3/dm2 Base steel; rimmed steel a) Fig. 9 Grain size in tinplate manufactured under normal and high dew point atmospheres. Weight of tin coating: 8.4g/m2 Thickness of steel strip: 0.24mm Strip speed: 5m/s Temper: T-2.5 b) ズ 結 晶粒 は小 さ くな る もの と推 定 され る。 この こ とか ら,ぶ りきの耐 食 性 向 上 に は,ぶ りき原 板 の 表面 清 浄 性 の改 善 お よび め っき前 処 理 の 強 化 に よる ス ズ 結 晶粒 の粗 大 化 が 好 ま しい もの と考 え られ る。 Fig. 8 4. Effect of pickling in the tinning line on surface defects at the origin of crystallization. 結 論 ぶ りきの凝 固 スズ 結 晶 形 成機 構 につ い て調 査 を 行 な っ た 結果,次 相反 す る理 由は 明 らかで は な い が,焼 鈍 法 の 違 い あ る い 1) の よ うな 知 見 が 得 られた 。 ぶ りきの表 面 ス ズ の 凝 固 の起 点 とな る 部 分 で は は使 用 材 料 の違 い も考 慮 す る必要 が あ る。 本 研 究 に お い FeSn2が 形 成 され て い な い場 合 が多 く,凝 固 の起 点 の約 て は,表2に 80%を 占 め る。 示 す よ うに 電 解 酸 洗 を施 す と単 位 面 積 当 り の ス ズ結 晶 の数 は約1/2に,ISVは 約1/4に減 少 して い る。 2) ぶ りき の ス ズ結 晶 粒 度 は 原板 の表 面 清 浄 性 に 影 響 こ こで,冷 却 条 件 が等 しい 場 合,ス ズ結 晶粒 の 数 は 合金 され る。 この た め,め っ きの 前 処理 を 強化 す る こ とに よ 層 未 形成 領 域 の数 に 比例 す る と考 え られ る こ と か ら, りス ズ 結 晶粒 は 大 き くな り,凝 固 の起 点 とな る合 金 層 未 ISVの 変 化 量 は 合 金 層未 形 成 領 域 の数 の変 化 量 の 約2倍 形 成 部 の 数 が 少 な くな る と同 時 に 大 きさ も小 さ くな る。 と推 測 され,ISVが 低下 す る要 因 と して,合 金 層 未形 成 以 上 に示 した よ うに,表 面 濃 化 物 な どの表 面 層 の 酸 化 物 は 数 μm〜10μm径 3) 凝 固 ス ズ結 晶 とクエ ンチ 時 に形 成 され る波 斑 状 の 模 様 とは1対1の 領 域 の数 と大 き さ も考慮 す る必 要 が あ る。 程 度 の 合 金 層 未 形 成 領域 の形 成 の 対 応 が 認 め られ,ぶ りき表 面 の 凝 固 ス ズ結 晶 の 成 長過 程 を波 斑 状 の 模 様 よ り推測 で き る。 こ れ に よ る と,凝 固初 期 のス ズ 結 晶 成 長速 度 は お よそ0.3 原 因 に な り,そ れ が 表 面 ス ズ凝 固 の起 点 とな り得 る も の mm/sで あ り,凝 固 末 期 で は お よそ12.0mm/sと と推 定 され る。 しか し,表 面 ス ズ凝 固 の 起点 は,ス ズ層 れ る。 また,凝 固初 期 の凝 固 界 面 に お け る温 度勾 配 は約 と素 地 鋼 の 間 に断 熱 層 が あ れ ば局 部 過 冷 され て起 点 に な 2×103℃/mと 推 定 され,熱 推定 さ 伝導 計算 の 結 果 で は,局 部 り得 るた め,特 に表 層 の 酸 化物 で あ る必 要 は な く,種 々 過 冷 に よ りこ の値 を 得 るに は,ス ズ結 晶 成 長 起点 に お い の 原板 表 面 の汚 染 層 な ど の存 在 に よっ て も,ぶ て ス ズ はdewettingし,原 りき の ス ‑28‑ 板 とス ズ層 の間 に 空 隙 を形 成 Vol.34, No.12, Fig. 10 1983 ぶ りきの ス ズ結 晶成 長 に つ い て Relationship between the segregation grain size of tinplate. Weight of tin coating: 8.4g/m2 Thickness of steel strip: 0.24mm して い る こ とが推 定 され る。 4) of Mn and Si on steel substrate 濃 化 物 の影 響 を 受 け,高 露 点 雰 囲 気 中 で焼 鈍 を行 な い濃 73) 5) G.W. Patrick; も小 さ くな る傾 向 を示 す 。 また,ISVも ス ズ結 晶 粒 と同 (1983‑7‑4 本 論文 中 の非SI単 位 のSI単 First International 6) C.J. Thwaites; 8) 東 洋 鋼 銀;ぶ 受理) (1970,ア 9) 位 に 対 す る換 算 表 Tinplate Con- JISI, 7, 244 (1956) 7) C.J. Thwaites; 協 会第66回 学 術講 演大 会 に て 発 表) S. Wach; JISI, 211, 880 (19 ference, 270 (1976) 化 物 を減 少 させ る と結 晶粒 は大 き くな り,大 き さの 変 動 様 に改 善 され,変 動 も小 さ くな る。 and the Strip speed: 5m/s Temper: T-2.5 4) J.V. Castell-Evans, 箱 型 焼 鈍 材 を用 いた ぶ りきの ス ズ結 晶粒 度 は 表 面 (昭和57年10月,本 593 163 235 條 謹 二,乾 恒 夫;鉄 と 鋼, 64, 〔8〕, A (1978) 盛 山 博 一,吉 筒 井 信 行;鉄 11) 61, 113 (1960) グ ネ) 吉 岡 治,西 10) Metallurgia, り き と テ ィ ン フ リ ー ス チ ー ル,p. 乾 恒 夫,西 岡 治,河 と鋼, 66, 條 謹 二,盛 村 宏 明,西 條 謹 二,乾 〔2〕, A89 (1980) 山 博 一;金 表 誌, 恒 夫, 32, 509 (1981) 文 献 1) D.R. Gabe; JISI, 204, 95 (1966) 2) H.E. Biber, W.T. Harter; ギ ー ド;基 13) 日 本 金 属 学 会;金 礎 伝 熱 工 学,p. 属 デ ー タ ブ ッ ク,p. 11 (1971,丸 日 本 機 械 学 会;伝 熱 工 学 資 料,p. 善) 13 (1974,丸 善) 14) J. Electrochem. Soc, 300 (1975,日 本 機 械 学 会) 15) 113, 828 (1968) 3) J.V. Castell-Evans; 12) Trans. Inst. Metal Finishing, 望 月 一 雄,番 A93 47, 71 (1969) ‑29‑ (1980) 典 二,原 田 俊 一;鋼 と 鋼, 66, 〔2〕,