GI対GA – 組成、熱処理、特性、および応用

はじめに

熱浸鍍亜鉛鋼（一般にGIと呼ばれる）と亜鉛鉄合金鍍鋼（GA）は、建築、自動車、家電、一般産業製造において最も広く使用されているコーティング鋼製品の2つです。エンジニアや調達専門家は、これらのコーティングを選択する際に、腐食抵抗と塗装性、成形性と溶接性、部品コストとライフサイクル性能といった競合する設計優先事項のバランスを日常的に取っています。

定義的な技術的区別は冶金的なものであり、GIは鋼の表面に比較的純粋な亜鉛層を保持し、GAは熱処理されて界面に亜鉛-鉄合金層を形成します。この違いは、異なる表面化学、成形および接合における機械的応答、そして下流の仕上げ挙動を引き起こすため、GIとGAは製品設計やプロセス選択においてしばしば比較されます。

1. 規格と指定

熱浸鍍亜鉛鋼および亜鉛鉄合金鋼をカバーする主要な規格および仕様には以下が含まれます：

• ASTM/ASME
• ASTM A653 / A653M — 熱浸鍍亜鉛または亜鉛-鉄合金鍍鋼の鋼板。
• ASTM A879 / A879M — 熱浸鍍亜鉛鋼板など（関連製品仕様）
• EN / CEN
• EN 10346 — 継続的に熱浸鍍された鋼の平面製品（亜鉛鍍鋼および亜鉛鉄合金鍍鋼をカバー）。
• JIS（日本）
• JIS G3302 — 熱浸亜鉛鋼板、シートおよびストリップ（亜鉛鍍鋼）。
• JIS G3312 / 亜鉛鍍鋼および亜鉛鉄合金鍍鋼の関連規格（製品名は異なる）。
• GB / 中国
• GB/T 2518およびGB/T 2519（その他） — 熱浸亜鉛鋼板およびストリップに一般的に参照される。

分類：GIおよびGAは、炭素/低合金冷間圧延鋼に適用されるコーティングです。基材グレードは通常、ステンレス鋼、HSLA鋼、または工具鋼ではなく、低炭素鋼（軟炭素鋼/プロセス鋼または間隙のない鋼）です。コーティングの種類は、異なる基材鋼の冶金的クラスではなく、亜鉛（GI）または亜鉛-鉄合金（GA）として区別されます。

2. 化学組成と合金戦略

以下は、GIおよびGA製品に使用される鋼基材の典型的な化学組成の代表的な比較です。これらは、亜鉛鍍鋼/亜鉛鉄合金鍍鋼のために一般的に選ばれる商業用低炭素冷間圧延製鋼の指標範囲です。実際の組成は、供給者のミル証明書または適用される仕様から取得する必要があります。

元素	典型的範囲 — GI/GA基材（代表的）
C	0.01 – 0.12 wt%
Mn	0.10 – 0.80 wt%
Si	0.00 – 0.30 wt%
P	≤ 0.05 wt%（典型的制御）
S	≤ 0.02 wt%（典型的制御）
Cr	微量 – 意図的に添加されないことが多い
Ni	微量 – 通常添加されない
Mo	微量 – 通常添加されない
V	微量 – 微合金化バリエーションで可能
Nb (Cb)	微量 – 高強度微合金鋼で可能
Ti	微量 – 間隙のない/安定化鋼で可能
B	微量（ppm） – 一部のHSLAグレードで使用
N	IF鋼で低ppmで制御

合金戦略に関する注意： - GI/GAの場合、基材は通常低炭素鋼であり、成形性を保持し、コーティングおよび後処理中の水素誘発亀裂を制限します。 - 微合金化（Nb、V、Ti）は、特定の製品ライン（例：商業用高強度鋼）で高強度を達成するために選択的に使用され、標準のGI/GA商品鋼ではありません。 - コーティング化学は異なります：GIは主に金属亜鉛を保持し、界面での微量のFeの取り込みがあります；GAは、亜鉛鍍鋼後に空気中で焼鈍することによってFeとZnの相互拡散を促進し、亜鉛-鉄間金属相（プロセスに応じてΓ、δ、ζ相など）を形成します。

合金が特性に与える影響： - 炭素とMnは主に引張強度と硬化性を制御します—高いレベルは強度を増加させますが、成形性と溶接性を低下させます。 - SiとPは亜鉛鍍鋼反応を加速させることができ（Siはよく知られた亜鉛鍍鋼反応元素です）、コーティングの接着性と厚さに影響を与えます。 - 微合金元素（Nb、V、Ti）は強度を増加させ、重要な量が存在する場合、溶接性と成形性に影響を与える可能性があります。

3. 微細構造と熱処理応答

微細構造： - 基材（GIおよびGAの両方）：熱間圧延/冷間圧延低炭素フェライト鋼の微細構造で、パーライトは非常に低炭素鋼では通常最小限または存在しません；微合金化バリエーションは微細な沈殿物を含む場合があります。 - GIコーティング微細構造：主に金属亜鉛で、鋼に隣接する薄い鉄リッチ拡散層があります；外側の亜鉛層は比較的柔らかく、延性があり、大きな間金属化合物層はありません。 - GAコーティング微細構造：熱浸鍍亜鉛後に焼鈍によって生成された連続的な亜鉛-鉄合金層。この層は、より高い鉄含有量を持つ間金属相を含み、純亜鉛のトップコートよりも硬く、脆いです。

熱処理/プロセスルート： - 亜鉛鍍鋼（GI）：鋼は清掃され、フラックス処理され、溶融亜鉛浴に浸されます；冷却により主に純亜鉛の外層が形成されます。浸漬後に意図的な合金化熱処理は適用されません。 - 亜鉛鉄合金鍍鋼（GA）：熱浸鍍鋼ステップの後、コーティングされたストリップは空気または酸化雰囲気中で焼鈍されます（通常は連続ライン上）。焼鈍はZnとFeの拡散を促進し、合金化されたコーティングを生成します。焼鈍温度、時間、およびライン速度は合金層の厚さと相組成を制御します。

処理の影響： - GA焼鈍は、鋼基材をわずかにテンパーすることができ（温度/時間に依存）、以前の冷間加工からの残留応力を均一化する可能性があります；これらの熱サイクルは機械的特性にわずかに影響を与えることがあります。 - 基材の熱機械処理（例：制御圧延またはTMCP）は、高強度GI/GA製品が必要な場合に関連します；コーティングプロセスはコーティング欠陥を避けるように調整する必要があります。

4. 機械的特性

コーティング製品の機械的特性は、主に基材の仕様とコーティング後の処理に依存します。コーティング自体はバルク引張挙動にわずかに寄与しますが、曲げ、成形、および表面硬度における局所的な挙動に強く影響します。

特性	典型的GI（熱浸亜鉛コーティング）	典型的GA（亜鉛鉄合金鍍鋼）
引張強度（UTS）	基材依存（例：一般的な商業グレードで270–420 MPa）	同じ基材依存範囲
降伏強度（0.2%オフセット）	基材依存（例：140–350 MPa）	同じ基材依存範囲
伸び（A%）	基材依存（例：20–35%）	基材依存だが、GAは表面で局所的な延性が低い場合がある
衝撃靭性	基材依存；コーティングはバルク効果が最小	同様のバルク靭性；コーティングの脆さがエッジノッチ挙動に影響を与える可能性がある
表面硬度	柔らかい亜鉛トップ層（低HV）	より硬く、より脆い亜鉛-鉄合金層（より高い表面硬度）

解釈： - バルク機械性能に関して、GIおよびGA部品は基材鋼グレードが同じであれば同様に振る舞います。違いはコーティング/基材界面で生じます：GAコーティングはより硬く、より脆いため、局所的な成形性を低下させ、厳しい曲げや大きな引き伸ばし成形中にコーティングの亀裂が発生しやすくなります。 - GAの合金層は、より高い表面硬度と改善された塗装接着性を提供しますが、GIと比較して曲げ半径とエッジ延性を妨げる可能性があります。

5. 溶接性

溶接性は基材の化学組成、コーティングの種類、およびプロセス制御に依存します。

主要な影響： - 基材の炭素含有量と合金化の組み合わせは、冷間亀裂や硬化性に対する感受性を制御します。炭素と合金化が高いほど、より多くの予熱/後熱が必要です。 - コーティングの種類はスポット溶接とアーク溶接に影響を与えます： - GI（亜鉛外装）：加熱時に亜鉛が蒸発し、溶接ゾーンにポロシティ、スプラッシュ、および潜在的な脆化を引き起こします；シールドとプロセス調整が必要です。 - GA（亜鉛-鉄合金）：合金層は抵抗スポット溶接中により安定し、GIに対して改善されたナゲット形成を生じる傾向がありますが、局所的な合金含有量（Fe-Zn）が融合挙動に影響を与えます。

有用な溶接性指数： - 炭素等価（IIW形式）： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm（はんだ付け/溶接シーム亀裂予測子）： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

定性的解釈： - これらの式を使用して、予熱、インターパス温度制御、または溶接後の熱処理の必要性を評価します。GIおよびGAコーティング鋼の両方において、低い$CE_{IIW}$および低い$P_{cm}$値は、溶接性が容易であることを示します。 - 実際には、コーティング除去や調整された溶接パラメータ（低電流、速いサイクル、GI用のキャパシタ放電スポット溶接）が亜鉛関連の溶接問題を管理するために使用されます。GAは合金層のおかげで抵抗スポット溶接でより一貫して溶接されることが多いですが、アーク溶接では依然として亜鉛蒸気の影響を制御する必要があります。

6. 腐食と表面保護

非ステンレスコーティング鋼は亜鉛の犠牲的保護に依存しています。腐食性能と仕上げ挙動の違いは、コーティングの形態と化学組成に起因します。

• GI（熱浸亜鉛）：外側の金属亜鉛は優れたガルバニック保護を提供します；純亜鉛の外層は優先的に腐食し、多くの大気中で保護的な亜鉛腐食生成物（例：亜鉛水酸化炭酸塩）を形成します。
• GA（亜鉛鉄合金）：亜鉛-鉄合金層はGIと同様のガルバニック保護を提供しますが、腐食生成物の特性は異なります。合金化された表面は、密着した塗装接着性と制御されたフラッシュ錆挙動を促進する傾向があり、これは後の塗装にとってしばしば有益です。

ステンレス鋼：ステンレス材料が考慮される場合、局所的な腐食抵抗のためにPRENを使用します： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ この指数はGI/GAには適用されません。なぜなら、それらは亜鉛ベースのコーティングを持つ炭素鋼だからです。

指数が適用されない場合： - 亜鉛鍍鋼にPRENを適用しないでください；代わりに、予想される環境クラス、亜鉛コーティングの厚さ（g/m^2またはμm）、およびコーティング後のパッシベーションまたは塗装システムを評価してください。

7. 製造、加工性、および成形性

成形および仕上げ挙動は大きく異なります：

成形性： - GI：より延性のある外側の亜鉛は、よりタイトな曲げ半径とより良い引き伸ばし成形性を可能にし、コーティングの破損リスクを低下させます。しかし、重い成形は亜鉛層を薄くしたり破損させたりし、素の鋼を露出させる可能性があります。 - GA：合金層はより硬く、より脆いため、厳しい成形中にコーティングの亀裂、粉化、または剥がれのリスクが増加します。GAは通常、中程度の成形が必要な用途や塗装が必要な場合に制限されます。

曲げおよびヘミング： - GIは、コーティングの損失なしに小さな曲げ半径やより厳しいヘミング操作を許容します。 - GAは、コーティングの失敗を避けるために、より穏やかな曲げ半径と最適化された工具を必要とします。

加工性： - 両製品は主に基材鋼として加工されます；コーティングは工具の摩耗や表面仕上げの変動に寄与します。GAの硬い表面は切削工具の摩耗を増加させる可能性があります；GIは摩耗が少ない傾向があります。

仕上げ： - GAは、後の塗装接着性が重要な場合に好まれます。なぜなら、鉄リッチな表面がより良い化学的結合を提供し、リン酸塗装/前処理プロセス中の流出を減少させるからです。GIは通常、同等の塗装接着性を達成するために変換コーティングまたは前処理を必要とします。

8. 典型的な用途

GI（熱浸亜鉛コーティング）	GA（亜鉛鉄合金鍍鋼）
屋根材や外装、雨樋、腐食抵抗と低コストが主な要因となる屋外構造部材	自動車のボディパネル（内部構造、一部の外部パネルは事前塗装）、塗装性とスポット溶接が重要な家電部品
農業機器、フェンス、標識ポスト	一貫した塗装接着性とその後の電着塗装（e-coat）が必要な部品
曲げ性と現場でのガルバニック保護が必要な一般産業用板金	溶接（抵抗スポット溶接）が必要で、塗装され、そのエッジ品質と塗装外観が重要なコンポーネント

選択の理由： - 犠牲的腐食保護、コスト効率、成形延性が優先される場合はGIを選択します。 - 後の塗装システム、表面の均一性、溶接/組立の互換性が優先される場合は、わずかに高いコーティングコストと成形限界の低下を受け入れてGAを選択します。

9. コストと入手可能性

• コスト：GIは一般的にGAを作成するための焼鈍/合金化ステップを省略するため、低コストのオプションです。GAは処理（ライン上での焼鈍）と厳しい化学/ライン制御を追加し、適度なプレミアムをもたらします。
• 入手可能性：GIおよびGAは、シート、コイル、およびさまざまなコーティング重量で世界中に広く入手可能です。GAの入手可能性は、一部の地域市場や特定のコーティング重量/グレードで狭くなる可能性があるため、調達はリードタイムと最小注文数量を確認する必要があります。
• 製品形状：コイルとカット長シートは両方に一般的であり、事前塗装製品は塗装プロセスに応じてGAまたは処理されたGIを使用する場合があります。

10. まとめと推奨

まとめ表

属性	GI	GA
溶接性（一般）	プロセス制御で良好；アーク溶接のための亜鉛蒸気の問題	抵抗スポット溶接のための一貫性が向上；合金層が融合に影響
強度–靭性（基材）	基材に依存；コーティングは柔らかい	同じ基材；コーティングは表面で硬い
コスト	低い（焼鈍/合金化ステップなし）	高い（追加の焼鈍/処理）

最終的な推奨 - コスト効率の良い犠牲的腐食保護が必要で、優れた曲げ性と成形性が求められる場合はGIを選択します（例：屋根材、屋外構造、非常に成形された部品）。GIは、タイトな半径や厳しい成形が必要な場合に実用的なデフォルトであり、塗装はオプションまたは現場で適用されます。 - 優れた塗装接着性、一貫した外観、そして自動車や家電製造で一般的な抵抗スポット溶接における改善された挙動が必要な場合はGAを選択します。GAは、後の仕上げプロセス（e-coat、粉体塗装、焼成）と表面の均一性が設計の推進要因である場合に好まれます。

結論として：GIとGAは冶金的な意味での代替鋼グレードではなく、低炭素鋼基材に適用される異なるコーティング/プロセスオプションです。正しい選択は、成形の厳しさ、必要な腐食寿命、溶接/接合方法、塗装/仕上げの要件、そして総ライフサイクルコストの統合評価に基づくべきです。最終的な仕様を確定する際には、供給者からミル証明書とコーティングプロセスデータを要求して、コーティング質量（g/m²）、相組成（GAの場合）、およびラインパラメータを確認してください。