ガルバルーム対亜鉛メッキ – 成分、熱処理、特性、および用途

はじめに

ガルバルームと亜鉛メッキ鋼は、建設、家電製造、一般的な加工で使用される最も一般的なコーティングされた炭素鋼製品の2つです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、これらの選択肢を選ぶ際に、腐食防止、コスト、成形性、接合性能を日常的に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、沿岸の建物用の屋根パネルの選定（腐食抵抗対エッジ保護）、製造ライン用の構造シートの指定（溶接性と塗装性）、長寿命の外装材の材料選定（初期コスト対ライフタイムメンテナンス）が含まれます。

両者の主な違いは、基材の炭素鋼に適用されるコーティングシステムにあります。一方は、犠牲的（ガルバニック）保護を提供する亜鉛のみのコーティングを使用し、もう一方は、ガルバニック作用によって補強されたバリア保護を強調するアルミニウム-亜鉛合金コーティングを使用します。両製品は類似の炭素鋼基材のコーティングバージョンであるため、比較は基材の鋼の金属組成の変化ではなく、コーティングの化学と性能に重点を置いています。

1. 規格と指定

コーティングされた平鋼製品を規定する代表的な国際規格および仕様ファミリーには、以下が含まれます：

• ASTM/ASME
• ASTM A653 — 熱浸漬亜鉛メッキおよび亜鉛-アルミニウムメッキ（Z）およびガルバニールコーティング（冷間圧延シートのZ、AZ、GAバリアント）。
• ASTM A792 — 鋼板、55% アルミニウム-亜鉛合金コーティング（ガルバルーム/AZ55に一般的に参照される）。
• EN（欧州）
• EN 10346 — 連続熱浸漬コーティングされた鋼製平面製品（ZnおよびAl–Znコーティングとその分類をカバー）。
• JIS（日本）
• JIS G3302 — 熱浸漬亜鉛メッキ鋼板およびストリップ（亜鉛コーティング）。
• JIS G3321 — アルミニウム-亜鉛合金コーティング鋼（Al–Znコーティング）。
• GB / 中国国家規格
• GB/Tシリーズの熱浸漬コーティング鋼に関する仕様（ZnおよびAl–Znコーティング製品の両方をカバー）。

分類：ガルバルームと亜鉛メッキ製品は、コーティングされた炭素鋼（合金指定の意味でのステンレス、工具鋼、またはHSLAではない）です。基材は一般的に低炭素の冷間圧延または熱間圧延鋼であり、より高強度のコーティング製品はHSLAまたは微合金基材を使用して製造できますが、コーティングされた炭素鋼製品のままです。

2. 化学組成と合金戦略

コーティングされた鋼は、基材の化学組成とコーティングの組成によって指定されます。コーティングの化学は決定的な違いです：

• 亜鉛メッキ：コーティングは本質的に金属亜鉛（Zn）または小さな添加物/変動を含む亜鉛（例：ガルバニールは表面でZn–Fe合金化されている）。
• ガルバルーム（典型的なAZ55）：コーティング合金中の重量比で名目上55% Al / 43.4% Zn / 1.6% Si（「AZ」ファミリー；Alが豊富な合金は安定したAl2O3バリアを形成）。

表 — 商業用コーティングされた炭素鋼の典型的な基材化学範囲（wt%）（注：正確な組成はグレードと製造実践に依存）：

元素	典型的な範囲 (wt%)	コメント
C	0.02 – 0.12	成形性と溶接性を保つための低炭素
Mn	0.10 – 1.50	強度と硬化性の制御
Si	≤ 0.30 (しばしば <0.10)	脱酸；高Siはコーティングの接着性に影響を与える可能性がある
P	≤ 0.04	不純物；延性と成形のために低く保たれる
S	≤ 0.05	加工性のために制御；硫化物は表面品質に影響を与える
Cr	微量 – 0.30	一部のグレードでの微量合金化
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	微量 – 小さな添加物	HSLAまたは微合金鋼で使用；標準的な商業基材にはしばしば存在しない

合金戦略が性能に与える影響： - 炭素とマンガンは主に基礎強度と硬化性を設定します；CとMnが高いほど強度は増しますが、溶接性と成形性は低下します。 - シリコンとリンは表面化学とコーティングの接着性に影響を与えます；非常に高いSiは「シリコンキルド」鋼を生成し、コーティングの濡れ性を変化させる可能性があります。 - 微合金化（Nb、V、Ti）は、析出と粒子サイズ制御を通じて強度を高めますが、プロセス制御なしで使用すると成形や溶接が複雑になる可能性があります。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - 典型的なコーティング製品は、強度レベルと加工に応じて低炭素フェライト-パーライトまたはフェライト-ベイナイト基材を使用します。良好な成形性を意図した冷間圧延基材は通常、ポリゴナルフェライトと非常に細かいパーライトを持つ完全フェライトであるか、いくつかの低強度グレードでは完全フェライトです。 - より高強度のコーティング製品の場合、微合金化と制御圧延により、分散した炭化物/窒化物を持つ精製されたフェライトを生成できます（HSLA特性）。

熱処理と加工の影響： - コーティングの適用は通常、連続熱浸漬コーティングによって行われ（ZnおよびAl–Znの両方）、ストリップは溶融浴を通過し、その後空気または強制冷却されます。浴の化学と冷却は、金属間化合物層の成長を制御します。 - コーティング前のアニーリングとテンパリングは基材の微細構造と機械的特性を設定します；コーティング後の熱曝露（例：ガルバニール）は局所的な拡散層（Zn–Fe金属間化合物）を生成する可能性があります。 - 薄ゲージのコーティングシートには正規化は一般的ではありません；急冷とテンパリングまたは重熱処理は、基材グレードがより高い強度を要求する場合にのみ典型的であり、その場合はコーティングの考慮（コーティングの熱安定性、拡散）を管理する必要があります。 - ガルバルームの場合、Al含有量は鋼/コーティング界面で保護的なAl–Fe金属間化合物/混合層を形成します；亜鉛メッキコーティングの場合、Fe–Zn金属間化合物層（例：ガンマ、デルタ相）が形成され、接着性と脆さに影響を与えます。

4. 機械的特性

ガルバルームと亜鉛メッキ製品は類似の基材を共有しているため、機械的特性は主に基鋼と加工によって設定されます。コーティングはバルクの引張強度/降伏強度に最小限の寄与をしますが、表面関連の破壊開始に影響を与えます（例：成形中のコーティング亀裂）。

表 — 商業用コーティングされた冷間圧延炭素鋼の典型的な機械的特性範囲（指標；基材グレードとテンパーに依存）：

特性	典型的な範囲	ノート
引張強度 (Rm)	270 – 450 MPa	HSLA基材の場合はより高い値が可能
降伏強度 (Rp0.2 または ReH)	140 – 350 MPa	グレードに依存（商業用対高強度）
伸び (A%)	15 – 40%	コーティングの種類は直接的な影響が最小限
衝撃靭性	中程度から良好（温度依存）	基材の微細構造によって決まる
硬度	低から中程度（基材に対するHV）	コーティングの硬度は異なる；ガルバルームコーティングは純亜鉛よりも硬い場合がある

解釈： - どちらのコーティングもコア強度を大きく変えることはありません；構造要件を満たすために基材グレードを選択してください。 - コーティングの選択は表面の靭性と曲げ時のコーティング亀裂の感受性に影響を与えます — ガルバルームコーティングは通常より硬く、脆いZnコーティングよりも鋭い曲げでより目立つ亀裂を示す可能性があります。

5. 溶接性

溶接性の考慮は基材の化学と熱下でのコーティングの挙動によって支配されます：

• 溶接ゾーンでのコーティング除去：両方のコーティングは溶融ゾーンで燃焼または置換され、煙を生成する可能性があります；前処理と適切な煙抽出が必要です。
• 基材の炭素レベルと合金化が硬化性と冷間亀裂感受性を決定します。事前加熱/熱入力要件を評価するために受け入れられた炭素換算指標を使用してください。

有用な溶接性指標（例）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - コーティングされたシートに使用される低炭素、低合金基材は通常、低い$CE_{IIW}$および$P_{cm}$値を示し、標準プロセス（GMAW、SMAW、抵抗溶接）で良好な一般的な溶接性を示します。 - ガルバルームのAl–Znコーティングは耐火性のアルミニウム酸化物と増加したスパッタ/煙を生成する可能性があり；溶接パラメータと清掃は亜鉛（Zn）製品とはわずかに異なります。 - 亜鉛メッキコーティングは切断エッジでより多くの犠牲的腐食保護を提供しますが、高熱プロセス中にZnが蒸発すると多孔性リスクが増加する可能性があります；適切な溶接手順と換気が必要です。

6. 腐食と表面保護

保護メカニズム： - 亜鉛メッキ（Znコーティング）：主な保護はガルバニック（犠牲的）であり — 亜鉛は優先的に腐食し、傷や切断エッジで露出した鋼にカソード保護を提供します。時間が経つにつれて、亜鉛の腐食生成物が付着し、いくらかのバリアを提供します。 - ガルバルーム（Al–Zn合金コーティング）：主な保護は、表面に形成された密なAl酸化物バリアであり、腐食に抵抗します；Zn成分はコーティングが破損した場合に二次的なガルバニック保護を提供します。

ステンレス特性が関連する場合、PRENを使用してピッティング抵抗を推定します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ 注：PRENは非ステンレスコーティングされた炭素鋼には適用されません；ステンレスの参照指標として含まれています。

実用的な影響： - 大気曝露：ガルバルームは通常、多くの環境で屋根や壁の外装に対して優れた一般的な大気腐食抵抗と耐久性を示します。 - エッジおよび機械的損傷：亜鉛メッキコーティングは、亜鉛がより陽極的であるため、切断エッジや深い傷でより良い犠牲的保護を提供します。 - 海洋および非常に腐食性の環境：どちらのコーティングもステンレス鋼には及びません；ガルバルームは一部の海洋環境でZnよりも優れた性能を示すことが多いですが、局所的なガルバニック効果と機械的損傷を考慮する必要があります。材料選定は特定の腐食試験またはサービス履歴に基づくべきです。

7. 加工性、機械加工性、および成形性

• 切断および剪断：両者は同様に機能します；ガルバルームの硬いコーティングは、わずかに工具の摩耗を増加させ、異なるバリ形成を引き起こす可能性があります。
• 成形および曲げ：亜鉛メッキ（純亜鉛）コーティングは通常、より延性があり、鋭い曲げでの目に見える亀裂に対してより良い抵抗を示します。タイトな半径の曲げには、ガルバルームのコーティング破損を避けるために潤滑と注意深い金型設計が必要です。
• パンチングおよびスタンピング：ガルバルームは、工具が最適化されていない場合、コーティングの剥がれがより顕著になる可能性があります；ガルバニール（亜鉛鉄合金）は、後の仕上げのためにより良い塗装接着性を提供できます。
• 塗装および仕上げ：塗装接着性は表面前処理に依存します。ガルバニールおよび前処理された亜鉛表面は、しばしば優れた塗装結合を提供します；ガルバルームは適切に前処理されていれば通常良好に塗装され、異なる前処理化学が必要な場合があります。

8. 典型的な用途

ガルバルーム（Al–Znコーティング）	亜鉛メッキ（Znコーティング）
長寿命とバリア保護が重視される屋根および外壁パネル	犠牲的エッジ保護が重要な構造部材、フレーミング、ファスナー、雨樋
高温サービス（Al層の熱反射特性）	フェンス、パーリン、スタッド、および冷間成形セクション
腐食抵抗と外観が重要な家電ハウジングおよびHVACダクト	自動車の内装パネル、シャーシ部品（塗装性のためにしばしばガルバニール）
工業用建物、倉庫、および農業構造物	経済的で広く利用可能な一般目的の鋼板、パイプ、およびチューブ

選択の理由： - 長期的な大気腐食抵抗と屋根、外壁、または家電の外装の美観が重要な場合はガルバルームを選択してください。 - 熱反射性または優れたバリア保護が必要で、詳細設計により切断エッジの腐食要素への迅速な曝露を避けることができる場合はガルバルームを選択してください。 - 延長されたサービスライフのためにわずかに高い材料コストを受け入れることができる場合はガルバルームを選択してください。

亜鉛メッキを選択する場合： - コスト感度、切断エッジでの犠牲的保護、または重い機械的取り扱いが選択基準の主な考慮事項である場合。 - 構造フレーミング、ファスナー、または成形性とエッジ保護が重要な一般目的の鋼板を含む用途。 - サプライチェーンの普及と低い資本コストが重要な要因である場合。

最終的な注意：機械的性能は基材によって支配されるため、構造要件に対して正しい基鋼グレードとテンパーを常に指定し、腐食および加工ニーズを満たすためにコーティングの重量/厚さおよびコーティング後の処理（塗装、パッシベーション、ガルバニール）を指定してください。疑問がある場合は、意図された曝露クラスに対する比較腐食試験を要求し、製造業者との溶接/プロセスの互換性を確認してください。