CN101180414B - 镀金属的钢带 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢带，该钢带在其至少一个表面上具有金属镀层。该钢带的特征在于，该镀层包括含有镁的铝-锌-硅合金并且该镀层具有小尺寸的闪亮点。

Description

镀金属的钢带
本发明涉及具有耐腐蚀金属镀层的钢带，所述金属镀层通过在镀层金属的熔融槽中热浸镀钢带而形成在钢带上。
本发明具体但不排他地涉及可以冷成形(例如轧制成形)为最终产品的镀金属的钢带如屋顶制品。
本发明更具体但不排他地涉及前段所述类型的镀金属的钢带，其具有耐腐蚀的带有小闪亮点(spangle)的金属镀层，即平均小闪亮点尺寸小于0.5mm量级的镀层。
本发明更具体但不排他地涉及前述类型的镀金属的钢带，其具有耐腐蚀的带小闪亮点的金属镀层并且包括含镁的铝-锌-硅合金。
术语“铝-锌-硅合金”在本文中应理解为是指包含以下重量％的元素铝、锌和硅的合金：
铝：45～60
锌：37～46
硅：1.2～2.3
本申请人通过例如以注册商标Zincalume的方式销售的镀有铝-锌-硅合金的钢带。
术语“铝-锌-硅合金”在本文中还应理解为是指那些可以包含或可以不包含其它元素如铁、钒、和铬中的任何一种或多种的合金。
在常规的热浸金属镀敷方法中，钢带一般经过一个或多个热处理炉，其后进入并经过装在镀敷锅中的融熔镀层金属(如铝-锌-硅合金)浴。
热处理炉可以这样排列，使钢带水平地行经各处理炉。
热处理炉也可以这样排列，使钢带垂直地行经各处理炉，并经过一系列上下导辊传送。
镀层金属通常利用加热感应器在镀敷锅中保持融熔状态。
钢带通常由出口端部分，以浸在浴中的细长炉子出口斜道或突喙的形式从热处理炉排出。
在浴中，钢带经过一个或多个导辊并向上从浴中取出，且在其经过该浴时镀敷了金属镀层。
在离开镀槽之后，镀有金属的钢带经过镀层厚度控制站，例如气刀(gasknife)或气擦除(gas wiping)站，在那里镀层表面经擦除气体喷射，以控制镀层的厚度。
然后，该镀有金属的钢带经过冷却段进行强制冷却。
此后可视情况，使该镀有金属的钢带用相继经过表皮辊道工段(也称硬化冷轧工段)和拉伸整平工段加以整理。整理过的钢带在卷取站成卷。
概括地讲，本发明提供一种镀金属的钢带，该钢带与现有产品相比，从镀层的耐腐蚀和韧性的综合性能的角度来说，提高了产品的性能。
更具体地说，本发明的镀金属的钢带与现有产品相比，从镀层的耐腐蚀、韧性和表面缺陷的综合性能考虑，也提高了产品的性能。
术语“表面缺陷”在本文中应理解为是指在申请人所述的镀层表面上的“粗糙镀层”和“针孔未镀敷”缺陷。
通常，“粗糙镀层”缺陷是指镀层具有超过1mm钢带长度的实质性变化和10～40μm厚度变化的区域。
通常，“针孔未镀敷”缺陷是指未镀敷的非常小的区域(直径＜0.5mm)。
本申请人认为，熔融槽表面上的氧化物是造成上述表面缺陷的主要原因。该表面氧化物是因为熔融槽金属与熔融槽上面突喙中的水蒸汽反应，由熔融槽中的金属形成的固体氧化物。本申请人认为，氧化物是当钢带进入熔融槽经过氧化层时被钢带吸占的。
总体上，本发明提供一种钢带，该钢带在其至少一个表面上具有金属镀层，其特征在于，该镀层包括含镁的铝-锌-硅合金并且该镀层具有小的闪亮点。
镁加到铝-锌-硅合金中改进了镀层的耐腐蚀性并且小的闪亮点尺寸改进了镀层的韧性和弥补了镁对镀层韧性的不利作用。
术语“小的闪亮点(small spangle)”在本文中应理解为是指钢带具有小于0.5mm，优选小于0.2mm的闪亮点，其是利用澳大利亚标准AS1733中所述的平均截取距离(average intercept distance)法测定的。
优选镁浓度小于8％重量。
优选镁浓度小于3％重量。
优选镁浓度为至少0.5％重量。
优选镁浓度为1～5％重量。
更优选镁浓度为1～2.5％重量。
铝-锌-硅合金可包含其它元素。
优选铝-锌-硅合金包含锶和/或钙。
加到铝-锌-硅合金中的锶和/或钙主要是降低上述表面缺陷的数量和补偿由镁引起的表面缺陷数量的增加。
锶和/或钙可以单独加入或者组合加入。
锶和/或钙可以按任何适宜的量加入。
优选(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度为至少2ppm。
优选(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度小于0.2％重量。
更优选(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度小于150ppm。
通常(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度小于100ppm。
更优选(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度不大于50ppm。
在铝-锌-硅合金包含锶而不包含钙的情况下，优选锶的浓度为2～4ppm。
更优选锶浓度为3ppm。
在铝-锌-硅合金包含钙而不包含锶的情况下，优选该合金包含范围为4～8ppm的钙。
更优选钙浓度为6ppm。
在铝-锌-硅合金包含锶和钙的情况下，优选锶和钙的浓度为至少4ppm。
优选锶和钙的浓度为2～12ppm。
优选铝-锌-硅合金为硼化钛改性的铝-锌-硅合金，例如Bethlehem钢铁公司的国际专利申请PCT/US00/23164(WO 01/27343)中所述的合金。该国际申请的说明书中的公开内容引入本文作为相互参考。该国际申请公开了硼化钛可以使低铝-锌-硅合金的闪亮点尺寸最小化。
优选铝-锌-硅合金不包含钒和/或铬作为考虑的(deliberate)合金元素，即反对它们例如因为熔融槽中的污染物而以痕量存在。
本发明还提供一种在钢带上形成金属镀层的方法，该方法包括以下步骤：使钢带相继经过热处理炉和如上所述的含镁的融熔铝-锌-硅合金浴，以及：
(a)钢带在该热处理炉中进行热处理；和
(b)钢带在所述熔融槽中进行热浸镀，并在钢带上形成带有小闪亮点的合金的镀层。
优选该方法包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其为至少2ppm。
优选该方法包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其小于0.2％重量。
更优选该方法包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其小于150ppm。
通常该方法包括控制(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其小于100ppm。
优选该方法包括控制(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其不大于50ppm。
可以通过任何适宜的方法控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度。
本申请人优选的选择之一是：确定投放至熔融槽用于形成铝-锌-硅合金的铝中的锶和/或钙的最低浓度。
另一种但不是仅有的选择是：向熔融槽中周期性地投放使其浓度保持为所需浓度量的锶和/或钙。
小闪亮点可通过任何合适的方法步骤形成，例如向熔融槽中加硼化钛颗粒(该术语包括粉末)，如Bethlehem钢铁公司的国际申请PCT/US00/23164(WO 01/27343)中所述。
优选热处理炉具有伸入熔融槽中的细长形的炉出口斜道(chute)或突喙(snout)。
本发明还提供了由上述镀有金属的钢带制成的冷成型产品。
本发明是申请人在研究工作中完成的，并且参考附图通过实施例对本发明作了说明，在附图中：
图1a、图1b和图2是在不同条件下试验的边缘钻蚀(edge undercutting)对铝-锌-硅合金中镁浓度的曲线图。
图3是镀层韧性(通过开裂敏感度级别测定)对包含不同镁浓度的铝-锌-硅合金镀层的镀层厚度的曲线图。
图4是镀层韧性(通过开裂敏感度级别测定)对包含相同镁浓度和不同闪亮点尺寸的铝-锌-硅合金镀层的镀层厚度的曲线图。
图5是根据本发明方法生产镀有铝-锌-硅合金的钢带的连续生产线的一个实施方案的示意图。
图1至4中所示的以及下面所详细描述的实验工作的结果表明：
(a)在铝-锌-硅合金中加镁，改善钢带上合金镀层的耐腐蚀性(图1和2)；
(b)在铝-锌-硅合金中加镁，降低钢带上合金镀层的韧性(图3)；和
(c)形成与普通闪亮点尺寸相反的小闪亮点的铝-锌-硅合金的镀层，改善了镀层的韧性(图4)。
(a)镁对耐腐蚀性的影响
就镀层成分中有不同浓度镁的钢带试验样板，对镀层的耐腐蚀性进行(a)室外暴露试验和(b)喷盐试验。
对一系列钢带表面镀敷有Zincalume(55％重量的Al)的钢带试验样板进行室外暴露试验，所述Zincalume包含0％重量、0.5％重量、1.0％重量和2.0％重量的Mg。各镀有金属的试验样板的顶面经过铬酸盐的预处理之后，先上底漆，然后上聚酯面漆。
室外暴露试验通过将试验样板放置在位于澳大利亚新南威尔士Bellambi试验点的本申请人的试验场地上进行。Bellambi试验点被评定为具有苛刻的海洋环境。一组试验样板放在让漆面淋雨等的位置。这样，漆面受雨水冲洗。第二组试验样板放在蔽雨的位置，使漆面在此位置上不直接淋雨，因而不被雨水冲洗。在试验结束时，受冲洗的试验样板的试验时间为83个月，而未受冲洗的试验样板的试验时间为52个月，这些试验样板通过视觉进行检查并进行测量，以确定因为试验样板镀有金属的边缘的腐蚀蠕变而引起的漆层的边缘钻蚀。
室外暴露试验结果总结于图1(a)和1(b)中。这些图表明，镀有金属的钢带的耐腐蚀性随金属镀层成分中镁含量的增加而降低，这可通过漆表面的边缘钻蚀来评定。
对一系列钢带表面镀有Zincalume(55％重量的Al)的钢带试验样板进行喷盐试验，所述Zincalume包含0％重量、1.0％重量和2.0％重量的Mg。各镀有金属的试验样板的顶面经铬酸盐预处理之后，先上底漆，然后上聚酯或氟碳树脂面漆。
喷盐试验依据ASTM B117，利用喷盐在标准的实验室加速腐蚀试验中进行。试验样板的试验时间为1250小时。在试验结束时，对试验样板通过视觉进行检查并进行测量，以确定试验样板镀有金属的边缘的腐蚀蠕变引起的镀层边缘钻蚀。
室外暴露试验结果总结于图2中。由菱形数据点定义的曲线涉及涂有聚酯面漆的试验样板。由正方形数据点定义的曲线涉及涂有氟碳树脂面漆的试验样板。该图表明，镀有金属的钢带的耐腐蚀性随该金属镀层成分中的镁含量的增加而降低，这可通过漆表面边缘钻蚀来评定。
(b)镁对镀层韧性的影响
利用本申请人开发的标准方法，在不同镀层厚度下评价镀有一系列不同镀层成分的钢带试验样板上的镀层的韧性。
该方法包括：对各试验样板上进行2T弯曲试验，然后在放大倍数为15倍的光学显微镜下，利用一组从0级(最轻微开裂)至10级(最严重开裂)的级别标准，对镀层的弯曲开裂严重程度进行分级评定。镀层开裂的严重性级别如例如Willis，D.J.和Zhou，Z.F.，Factors Influencing the Ductility of 55％Al-Zn Coatings，Galvatech 1995，pp455-462中所述。
镀层的开裂严重性级别是镀层韧性的量度，等级越高表示该镀层的韧性越低。
该工作以及说明书下一部分讨论的评价闪亮点尺寸对镀层韧性影响的工作的试验涂层的成分列于下面的表1中。
表1
Figure G2006800178262D00061
如上所述，Zincalume是在与镀有铝-锌-硅合金的钢带相关的产品中使用的本申请人的注册商标。
表1中标题为“组成”的栏目下，各栏中的组成是利用感应耦合等离子体光谱(Inductively Coupled Plasma Spectrometry，ICP)技术通过湿化学分析确定的。表中样品说明栏中的具体内容代表各试验镀层的各自目标锅组成。
对Zincalume对照镀层以及含0.5、1.0、1.5和2.0％重量Mg的Zincalume合金镀层的韧性试验结果总结在图3中。
图3表明，镀层的韧性随Zincalume镀层中镁含量的增加而降低。
(c)闪亮点尺寸对韧性的影响
在不同镀层厚度下，利用镀有一系列不同镀层成分的试验样板，评价闪亮点尺寸对韧性的影响。
具体地，参见上面的表1，试验样板镀有(a)Zincalume对照并具有“正常”尺寸的闪亮点，(b)含有2％重量Mg的Zincalume并具有“正常”尺寸的闪亮点，及(c)含有2％重量的Mg和TiB的Zincalume并具有“小的”闪亮点。
这些试验样板的韧性用与上述相同的方法进行评价。
韧性试验的结果总结在图4中。
图4表明，形成含2％重量Mg并具有“小的”闪亮点的Zincalume镀层，与相同成分但“正常”尺寸的闪亮点的镀层相比，改善了镀层的韧性。
图5是根据本发明方法生产镀有铝-锌-硅合金的钢带的连续生产线的一个实施方案的示意图。
参见图5，使用中，将成卷的冷轧钢带在解卷站1解卷，并用电焊机2将不断解卷的钢带头对头地焊接成为长度连续的钢带。
然后将钢带连续通过累积器3、钢带清洁工段4和炉子联合装置5。炉子联合装置5包括预热器、预热还原炉和还原炉。
钢带在炉子联合装置5中通过仔细控制工艺变量进行热处理，所述工艺变量包括：(i)炉中的温度曲线，(ii)炉中的还原气体浓度，(iii)通过炉子的气体流速，及(iv)钢带在炉子中的驻留时间(即线速度)。
控制炉子联合装置5中的工艺变量，以便从钢带表面除去氧化铁残余物和从钢带表面除去残余的油和铁细粒。
然后使热处理过的钢带经过出口突喙向下进入并经过装在镀敷锅6中的融熔合金浴，并被该合金所镀敷。
该合金为铝-锌-硅合金，其包含：
(a)对镀层的耐腐蚀性有贡献的小于8％重量的镁，
(b)使镀层的闪亮点尺寸最小化的硼化钛，及
(c)使上述表面缺陷的数目最少化的小于0.2％重量的锶和钙。
优选铝-锌-硅合金不含钒和/或铬。
铝-锌-硅合金利用热感应器(未示出)而在镀料锅中保持融熔。
在合金浴内，钢带经过导辊传送并从浴中向上取出。钢带两个表面在其经过合金浴时被合金所镀敷。
在熔融槽中形成于钢带上的镀层呈包含镁以及锶和/或钙的铝-锌-硅合金的形式。
镀层因为锶和钙而具有较小数目的上述表面缺陷。
镀层因为硼化钛而具有小的闪亮点。
离开熔融槽6之后，镀敷过的钢带垂直经过气擦除站(未示出)，在气擦除站，其镀敷的表面经受擦除气体的喷射，以控制镀层的厚度。
然后，使镀敷过的钢带经过冷却工段7，经受强制冷却。
接着，使冷却的镀敷钢带经过轧制工段8，以整理镀敷钢带的表面。
其后，使镀敷钢带在卷绕站10盘绕成卷。
对于上述优选的实施方案，可以做出许多不脱离本发明构思和范围的修改。
具体地，应当注意的是，上述实验工作仅是申请人对本发明进行的实验工作的选择方案。本申请人通过具体的例子已经对于本文中所报导的含镁量高于2％重量和高至8％重量的铝-锌-硅合金进行了实验研究，并且实验的结果同样与本文中所报导的结果一致。

Claims (25)

1.一种钢带，该钢带在其至少一个表面上具有金属镀层，该钢带的特征在于，所述镀层包括含有镁的铝-锌-硅合金并且该镀层具有小尺寸的闪亮点，其中所述铝-锌-硅合金是指包含45～60wt％的铝、37～46wt％的锌和1.2～2.3wt％的硅的铝-锌-硅合金，而且其中所述小尺寸的闪亮点是指平均闪亮点尺寸小于0.5mm的闪亮点。
2.权利要求1所定义的钢带，其中镁的浓度为小于8％重量。
3.权利要求1所定义的钢带，其中镁的浓度为小于3％重量。
4.权利要求1所定义的钢带，其中镁的浓度为至少0.5％重量。
5.权利要求1所定义的钢带，其中镁的浓度为1～5％重量。
6.权利要求1所定义的钢带，其中镁的浓度为1～2.5％重量。
7.前面任一项权利要求所定义的钢带，其中铝-锌-硅合金包含锶和/或钙。
8.权利要求7所定义的钢带，其中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度为至少2ppm。
9.权利要求7所定义的钢带，其中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度小于0.2％重量。
10.权利要求7所定义的钢带，其中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度不大于50ppm。
11.权利要求7所定义的钢带，其中在铝-锌-硅合金含锶而不含钙的情况下，锶的浓度范围为2～4ppm。
12.权利要求7所定义的钢带，其中在铝-锌-硅合金含钙而不含锶的情况下，该合金包含范围为4～8ppm的钙。
13.权利要求7所定义的钢带，其中在铝-锌-硅合金含锶和钙的情况下，锶和钙浓度为至少4ppm。
14.权利要求1所定义的钢带，其中铝-锌-硅合金是硼化钛改性的铝-锌-硅合金。
15.权利要求1所定义的钢带，其中铝-锌-硅合金不含钒和/或铬作为考虑的合金元素，即反对它们因为熔融槽中的污染物而以痕量存在。
16.一种在钢带上形成金属镀层的方法，该方法包括以下步骤：使钢带相继经过热处理炉和前面任一项权利要求中所定义的含镁的铝-锌-硅合金的熔融槽，以及：
(a)钢带在该热处理炉中进行热处理；和
(b)钢带在所述熔融槽中进行热浸镀，并在钢带上形成带有小闪亮点的镀层，其中所述小闪亮点是指平均闪亮点尺寸小于0.5mm的闪亮点。
17.权利要求16所定义的方法，包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其为至少2ppm。
18.权利要求16所定义的方法，包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其为小于0.2％重量。
19.权利要求16所定义的方法，包括控制熔融槽中(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其为小于150ppm。
20.权利要求16所定义的方法，包括控制(i)锶或者(ii)钙或者(iii)锶和钙的浓度，使其为不大于50ppm。
21.权利要求16所定义的方法，包括确定投放至熔融槽用于形成铝-锌-硅合金的铝中的锶和/或钙的最低浓度。
22.权利要求16所定义的方法，包括向熔融槽中周期性地投放使其浓度保持为所需浓度量的锶和/或钙。
23.权利要求16所定义的方法，包括向熔融槽中添加硼化钛颗粒，使融熔的铝-锌-硅合金含有硼化钛，从而在钢带上形成带有小闪亮点的镀层。
24.权利要求16所定义的方法，包括向熔融槽中添加硼化钛粉末，使融熔的铝-锌-硅合金含有硼化钛，从而在钢带上形成带有小闪亮点的镀层。
25.由权利要求1至15中任一项所定义的镀金属钢带所制成的冷成型产品。
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