CN104328370A - 一种热镀锌镁合金钢板的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，它是以冷轧IF、DP、TRIP带钢作为基板，经过表面清洗，退火处理后，再依次进行热镀锌、真空镀镁、合金化工艺，最后将带钢经过涂油或钝化表面处理后卷取而成。本发明首次将热镀锌与真空镀镁的工艺相结合，并对镀锌、镀镁、合金化的工艺参数进行改进，得到的镀锌镁合金钢板表现出了极佳的耐蚀性，它的耐红锈能力是具有同等厚度镀层钢板的3-10倍。本发明制得的锌镁合金镀层与基板的结合力好，避免了基板中铁与锌的扩散及脆性锌铁合金相的形成，从而避免了镀层的粉化倾向，由于表面锌镁合金层硬度大且非常致密，因此该镀层具有相对更低的表面摩擦系数，对冲压成形更有利。

Description

一种热镀锌镁合金钢板的生产方法

技术领域

本发明涉及一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，属于钢板加工领域。

背景技术

随着汽车、建筑、精密仪器、重型机械等行业的快速发展，人们对钢板耐蚀性提出更高的要求，一般来说，通过增加镀层厚度能有效提高镀层耐蚀性，但镀层厚度的一味增加也会导致成本的不断增加和资源浪费，当前市场上锌的价格长期居高不下，因此开发具有薄镀层、高耐蚀特点的新型合金镀层钢板具有非常重要的意义。

从目前国内外报道来看，锌镁合金镀层是最具产业化前景的锌基合金镀层之一。目前可用于制备锌镁合金镀层钢板的方法包括真空镀膜、水溶液电镀、熔融盐电镀等。其中，水溶液电镀所采用的电镀液体系是有机体系，其生产成本(原料合成成本)较高，同时该体系的危险性很大。另外，要获得Zn-Mg合金镀层，完成电镀之后还需要进行热处理，热处理过程中可能会导致Zn、Fe的互扩散产生Zn-Fe合金相，导致镀层脆性倾向增加，与基板结合性能变差。熔融盐电镀需要的温度条件非常高，因而相应能耗大，成本高，并且高温条件下Zn层与钢板之间会因元素扩散而生成合金相，钢板的力学性能也会受到影响等，因此目前难以在实际生产中起主导作用。

真空镀膜方法是最有可能实现工业化大生产的方法。与传统湿法电镀相比，真空镀膜方法具有许多优点，一是沉积材料广泛，可沉积铝、镁等湿法电镀很难沉积的标准电位很负的金属。二是真空涂层的附着力、致密度、耐腐蚀性等都相当优良。此外，真空镀膜方法更适宜进行多层结构复合镀层制备，为镀层结构多样化开发提供了很好的手段。本发明正是结合了真空镀膜与热镀锌工艺的优点来制备锌镁合金钢板。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，解决目前的镀锌镁合金钢板耐蚀性差，生产成本高等问题。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，它包括以下步骤：

1)选择冷轧IF、DP、TRIP带钢作为基板；

2)基板首先经过表面清洗，去除表面残留后进入退火炉，在780-840℃温度范围内进行再结晶退火处理，以获得所需要的力学性能；

3)将退火完毕后的带钢温度控制在460-530℃范围内，进入锌锅进行热镀锌处理，镀锌时带钢运行速度控制在60-150m/min，锌锅温度控制在450-468℃，锌液中铝的重量含量控制在0.16-25％，镁的重量含量控制在1-6％，其余为锌及不可避免的杂质，其中杂质Fe必须控制在0.01％以下，表面锌层的厚度通过调节氮气气刀的压力来控制，镀后带钢表面锌层厚度为20-100μm；

4)热镀锌完后的带钢经冷却后进入真空镀镁槽，真空镀镁槽中，带钢沿水平方向运行，真空镀镁槽的上下两面各设有4-10个与蒸发坩埚连通的管道，真空镀镁槽的真空度控制在1×10^-5托以下，真空镀镁槽内杂质氧的含量控制在20ppm以下，蒸发坩埚的温度控制在670-800℃，坩埚内为金属镁，通过加热使镁蒸发后形成蒸汽沉积在带钢表面，带钢表面沉积镁的厚度控制在0.3-2μm，镁的沉积速度通过调节带钢运行速度和坩埚开口控制阀来控制，沉积完毕后进入合金化炉；

5)合金化炉采用辐射电加热方式，合金化炉的电加热功率为1300-2500kw，温度控制在350-550℃范围内，带钢在炉内的时间控制在6-18秒，让带钢表面镁与锌充分扩散形成MgZn₂或Mg₂Zn₁₁相；

6)带钢经过涂油或钝化表面处理后卷取。

优选地，所述氮气气刀的氮气纯度为99.999％，气刀压力为200-500bar，气刀距离锌液面的高度为100-600mm，角度为0至-5度。

优选地，步骤5)中，合金化炉的温度控制在350-380℃。

本方法采用了往锌液中添加1-6％的Mg，镁的添加能在热镀锌层就形成一定量锌镁合金相，提高镀层耐蚀性，但是由于镁存在易燃以及冶炼等因素，锌液中镁的添加量非常有限。因此，结合后续的真空镀镁及合金化工艺，能极大提高锌镁合金镀层中的镁含量以及锌镁合金相总量，提高镀层耐蚀性。镀镁工艺中，必须严格控制真空度以及氧含量，这主要是因为镁蒸汽易燃易爆。镀镁厚度可在0.3-2μm范围内选择，在该范围内形成的锌镁合金相耐蚀性更高。合金化温度则是依据锌镁合金扩散实验所确定，实验证实，330℃条件以下，锌和镁之间难以互扩散形成锌镁合金，350℃条件下扩散6-18秒，锌和镁能充分互扩散形成锌镁合金相，而从380℃开始，不仅锌和镁互扩散更充分，基板中铁也和锌开始扩散锌铁相，脆性锌铁相的形成对镀层附着力不利，因此，合金化温度控制在350-380℃更有利于提高镀层的附着力。

通过与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)本发明首次将热镀锌与真空镀镁的工艺相结合，并对镀锌、镀镁、合金化的工艺参数进行改进，得到的镀锌镁合金钢板表现出了极佳的耐蚀性，它的耐红锈能力是具有同等厚度镀层钢板的3-10倍。

2)本发明中的锌镁合金镀层与基板的结合力好，避免了基板中铁与锌的扩散及脆性锌铁合金相的形成，从而避免了镀层的粉化倾向。由于表面锌镁合金层硬度大且非常致密，因此该镀层具有相对更低的表面摩擦系数，对冲压成形更有利。

3)本发明中锌镁合金镀层中镁含量高，锌镁合金层厚度大，可达1-4μm，这是传统热镀锌镁工艺或电镀锌镁工艺难以获得的。

4)生产周期短，效率高，产品具备“薄镀层、高耐蚀”特点，成本低，易实现工业化大生产。

附图说明

图1是本发明中的真空镀镁槽的结构示意图。图中：1-真空镀镁槽，2-蒸发坩埚，3-管道，4-开口控制阀，5-工作辊。

图2是不同合金化温度处理后锌镁合金板XRD衍射图谱。

图3是不同温度合金化处理后的三个试样与电镀锌试样在5％NaCl中的极化曲线对比。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，其步骤如下：

1)以IF钢为基板，规格为0.8×1700m。

2)基板首先经过表面清洗(依次热水漂洗、电解清洗、碱洗)，全面去除表面残留后进入退火炉进行再结晶退火处理，退火温度为820℃。

3)将退火完毕后的带钢温度控制在470℃，进入锌锅进行热镀锌处理，镀锌时带钢运行速度控制在150m/min，锌锅温度控制在460℃，锌液中铝的重量含量控制在0.21％，镁的重量含量控制在1％，其余为锌及不可避免的杂质，其中杂质Fe必须控制在0.01％以下，表面锌层的厚度通过调节氮气气刀的压力来控制，氮气气刀的氮气纯度为99.999％，气刀压力为400bar，气刀高度为300mm，角度为0度，镀后带钢表面锌层厚度为20μm。

4)热镀锌完后的带钢经冷却后进入真空镀镁槽(图1所示)，真空镀镁槽中，带钢在工作辊的带动下沿水平方向运行，真空镀镁槽的上下两面各设有7个与蒸发坩埚连通的管道，真空镀镁槽的真空度控制在1×10^-5托以下，真空镀镁槽内杂质氧的含量控制在20ppm以下，蒸发坩埚的温度控制在680℃，坩埚内为金属镁，通过加热使镁蒸发后形成蒸汽沉积在带钢表面，带钢表面沉积镁的厚度控制在1μm，镁的沉积速度通过调节带钢运行速度和坩埚的开口控制阀来控制，沉积完毕后进入合金化炉。

5)合金化炉采用辐射电加热方式，合金化炉的电加热功率为1600kw，温度控制在350℃，带钢在炉内的时间控制在18秒，让带钢表面镁与锌充分扩散形成MgZn₂；

6)带钢经过涂油表面处理后卷取，涂油规格为1.0g/m²。

如图2所示为不同温度处理后锌镁合金板XRD衍射图谱。从中可看出，在330℃合金化处理试样表面并无锌镁合金相生成，表面主要为Mg和Zn。当热处理温度提高至350℃与380℃后，表面相组成发生了明显变化，标定结果表明主要有两种类型合金相生成，一是锌镁合金相MgZn₂，其典型特征是在2θ为19.667、20.785及22.261处出现了三个衍射峰，分别对应MgZn₂的(100)、(002)与(101)三个晶面，说明本发明中的锌镁合金试样经合金化退火处理形成的锌镁合金相主要为MgZn₂。退火过程中Mg和Zn互扩散形成MgZn₂或Mg₂Zn₁₁两种金属间化合物是镀层耐蚀性提高的主要原因。

如图3所示为不同温度合金化处理后的三个试样与传统热镀方法制备的电镀锌镁合金试样(EG)在5％NaCl中的极化曲线对比，M330、M350，M380分别代表在330℃、350℃、380℃合金化处理。从图中可以看出锌镁合金镀层试样EG试样的自然腐蚀电位有较大负移。此外，在腐蚀初始阶段，锌镁合金板自腐蚀电流相对EG试样较大，因此在初始阶段应该具有相对较大的腐蚀速度。但随着腐蚀的进行，锌镁合金镀层试样极化曲线上出现了明显钝化现象，阳极极化电流随电压的增大而基本保持不变，表明此时试样表面形成了钝化膜。镀层钝化膜的形成能有效保护基体，降低腐蚀速度。而EG试样未出现任何钝化现象，表明锌镁合金镀层试样具有相对更好耐蚀性。

盐雾试验结果表明，本实施例中的锌镁合金板耐红锈能力高达150h，是采用常规热镀方法制备的同等镀层厚度锌镁合金板的5倍。采用90度V弯检测方法检测锌镁合金板的镀层附着力结果为1级，附着力良好。采用型号为MTS-indentor xp的纳米压痕仪检测表面摩擦系数，进行八次实验取平均值，测得其表面摩擦系数为0.28，低于传统热镀锌镁合金板表面平均值水平0.4。

实施例2

1.一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，其步骤如下：

1)选择冷轧DP带钢作为基板；

2)基板首先经过表面清洗，去除表面残留后进入退火炉，在840℃进行再结晶退火处理，以获得所需要的力学性能；

3)将退火完毕后的带钢温度控制在530℃，进入锌锅进行热镀锌处理，镀锌时带钢运行速度控制在95m/min，锌锅温度控制在458℃，锌液中铝的重量含量控制在0.19％，镁的重量含量控制在3％，其余为锌及不可避免的杂质，其中杂质Fe必须控制在0.01％以下，表面锌层的厚度通过调节氮气气刀的压力来控制，镀后带钢表面锌层厚度为100μm；

4)热镀锌完后的带钢经冷却后进入真空镀镁槽，真空镀镁槽中，带钢沿水平方向运行，真空镀镁槽的上下两面各设有6个与蒸发坩埚连通的管道，真空镀镁槽的真空度控制在1×10^-5托以下，真空镀镁槽内杂质氧的含量控制在20ppm以下，蒸发坩埚的温度控制在800℃，坩埚内为金属镁，通过加热使镁蒸发后形成蒸汽沉积在带钢表面，带钢表面沉积镁的厚度控制在2μm，镁的沉积速度通过调节带钢运行速度和坩埚开口控制阀来控制，沉积完毕后进入合金化炉；

5)合金化炉采用辐射电加热方式，合金化炉的电加热功率为2500kw，温度控制在550℃，带钢在炉内的时间控制在6秒，让带钢表面镁与锌充分扩散形成MgZn₂或Mg₂Zn₁₁相；

6)带钢经过钝化表面处理后卷取。

盐雾试验结果表明，本实施例中的锌镁合金板耐红锈能力高达140h，是采用常规热镀方法制备的同等镀层厚度锌镁合金板的4-5倍。采用90度V弯检测方法检测锌镁合金板的镀层附着力结果为1级，附着力良好。采用型号为MTS-indentor xp的纳米压痕仪检测表面摩擦系数，进行九次实验取平均值，测得其表面摩擦系数为0.31，低于传统热镀锌镁合金板表面平均值水平0.4。

实施例3

一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，其步骤如下：

1)选择冷轧TRIP带钢作为基板；

2)基板首先经过表面清洗，去除表面残留后进入退火炉，在780℃进行再结晶退火处理；

3)将退火完毕后的带钢温度控制在485℃，进入锌锅进行热镀锌处理，镀锌时带钢运行速度控制在60m/min，锌锅温度控制在462℃，锌液中铝的重量含量控制在0.25％，镁的重量含量控制在6％，其余为锌及不可避免的杂质，其中杂质Fe必须控制在0.01％以下，表面锌层的厚度通过调节氮气气刀的压力来控制，镀后带钢表面锌层厚度为40μm；

4)热镀锌完后的带钢经冷却后进入真空镀镁槽，真空镀镁槽中，带钢沿水平方向运行，真空镀镁槽的上下两面各设有10个与蒸发坩埚连通的管道，真空镀镁槽的真空度控制在1×10^-5托以下，真空镀镁槽内杂质氧的含量控制在20ppm以下，蒸发坩埚的温度控制在670℃，坩埚内为金属镁，通过加热使镁蒸发后形成蒸汽沉积在带钢表面，带钢表面沉积镁的厚度控制在0.3μm，镁的沉积速度通过调节带钢运行速度和坩埚的开口控制阀来控制，沉积完毕后进入合金化炉；

5)合金化炉采用辐射电加热方式，合金化炉的电加热功率为1300kw，温度控制在360℃，带钢在炉内的时间控制在10秒，让带钢表面镁与锌充分扩散形成MgZn₂或Mg₂Zn₁₁相；

6)带钢经过涂油表面处理后卷取。

盐雾试验结果表明，本实施例中的锌镁合金板耐红锈能力高达170h，是采用常规热镀方法制备的同等镀层厚度锌镁合金板的5倍以上。采用90度V弯检测方法检测锌镁合金板的镀层附着力结果为1级，附着力良好。采用型号为MTS-indentor xp的纳米压痕仪检测表面摩擦系数，进行十次实验取平均值，测得其表面摩擦系数为0.27，低于传统热镀锌镁合金板表面平均值水平0.4。

Claims (3)

1.一种热镀锌镁合金钢板的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选择冷轧IF、DP、TRIP带钢作为基板；

2)基板首先经过表面清洗，去除表面残留后进入退火炉，在780-840℃温度范围内进行再结晶退火处理，以获得所需要的力学性能；

3)将退火完毕后的带钢温度控制在460-530℃范围内，进入锌锅进行热镀锌处理，镀锌时带钢运行速度控制在60-150m/min，锌锅温度控制在450-468℃，锌液中铝的重量含量控制在0.16-25％，镁的重量含量控制在1-6％，其余为锌及不可避免的杂质，其中杂质Fe必须控制在0.01％以下，表面锌层的厚度通过调节氮气气刀的压力来控制，镀后带钢表面锌层厚度为20-100μm；

4)热镀锌完后的带钢经冷却后进入真空镀镁槽，真空镀镁槽中，带钢沿水平方向运行，真空镀镁槽的上下两面各设有4-10个与蒸发坩埚连通的管道，真空镀镁槽的真空度控制在1×10^-5托以下，真空镀镁槽内杂质氧的含量控制在20ppm以下，蒸发坩埚的温度控制在670-800℃，坩埚内为金属镁，通过加热使镁蒸发后形成蒸汽沉积在带钢表面，带钢表面沉积镁的厚度控制在0.3-2μm，镁的沉积速度通过调节带钢运行速度和坩埚开口控制阀来控制，沉积完毕后进入合金化炉；

5)合金化炉采用辐射电加热方式，合金化炉的电加热功率为1300-2500kw，温度控制在350-550℃范围内，带钢在炉内的时间控制在6-18秒，让带钢表面镁与锌充分扩散形成MgZn₂或Mg₂Zn₁₁相；

6)带钢经过涂油或钝化表面处理后卷取。

2.根据权利要求1所述热镀锌镁合金钢板的生产方法，其特征在于：所述氮气气刀的氮气纯度为99.999％，气刀压力为200-500bar，气刀距离锌液面的高度为100-600mm，角度为0至-5度。

3.根据权利要求1所述热镀锌镁合金钢板的生产方法，其特征在于：步骤5)中，合金化炉的温度控制在350-380℃。