CN115558876A - 一种热镀锌钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种热镀锌钢板及其制备方法，属于钢材制备技术领域。一种热镀锌钢板，包括钢板及钢板表面的镀层，镀层的晶粒粒径≤100μm；镀层表面的氧化膜厚度为100‑200nm；镀层的表面粗糙度参数Rsk为‑0.2‑0.3。其通过限制镀层的晶粒粒径，根据霍尔‑佩奇公式可知，多晶组织的晶粒粒径越小，则金属材料的强度越高、硬度越高、耐磨性即越强。进一步通过限制镀层表面氧化膜的厚度，使其增厚，较厚的氧化膜有利于降低摩擦副与镀层的直接接触，并且降低接触压力，起到缓冲和润滑的效果；同时控制其厚度上限，防止摩擦副与氧化膜之间摩擦时发生粘接，反而导致磨损加剧的情况。进一步通过限制镀层的表面粗糙参数，平衡镀层的耐磨性和氧化膜的成膜能力。

Description

一种热镀锌钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢材制备技术领域，特别涉及一种热镀锌钢板及其制备方法。

背景技术

热浸镀锌是传统保护钢材、提高钢材耐蚀性的主要方法，被广泛应用到各种钢材生产中，包括钢板、钢丝、钢管等。然而热浸镀锌存在表面锌层比较软的特点，在许多应用场合下容易出现问题，比如钢板在变形过程中，比较软的镀锌层容易和模具粘接，造成镀层剥落；比如钢管在焊接过程中，比较软的镀层会粘接到焊头上，造成焊头寿命下降；比如钢丝在拧成钢丝绳过程中，比较软的镀层容易互相剐蹭剥落。

热浸镀锌钢板是热镀锌钢材中应用最多的种类，其被广泛应用到汽车车身、电器、钢结构建筑、家电等领域，取得了良好的社会效益。热镀锌钢板在应用中，需要进行多种变形，比如冲压、折弯、胀型等。在变形加工中，镀层容易和模具粘接，造成镀层剥落，存在较大的腐蚀隐患，也对生产效率不利。

钢板成形时，镀层表面受到较大的剪切摩擦力，同时镀层还由于钢板变形而受到拉应力，在拉应力和剪切力的作用下，镀层与钢板之间存在较大的应力。如果耐磨性较差，会导致镀层直接从钢板表面剥落和撕裂，从而失去了镀层对钢板的保护效果，造成钢板容易在使用中发生腐蚀。

虽然目前也开发了很多锌合金镀层，比如锌铝镁合金镀层、锌铝合金镀层，但是通过合金化的方法提高镀层耐磨性也存在很多问题。合金镀层往往变形不够均匀，会出现局部变形过大而局部变形不足的问题，不能满足对表面质量要求更高的应用需求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种热镀锌钢板及其制备方法，以解决现有技术中热镀锌钢板耐磨性普遍较差的技术问题。

本发明实施例提供了一种热镀锌钢板，包括钢板及钢板表面的镀层，

所述镀层的晶粒粒径≤100μm；

所述镀层表面的氧化膜厚度为100-200nm；

所述镀层的表面粗糙度参数Rsk为-0.2-0.3。

可选的，所述镀层中，晶粒取向为<1000>的晶粒的数量为总晶粒数量的80-90％。

可选的，所述镀层的晶粒粒径≤80μm。

可选的，所述钢板的表面粗糙度Ra为0.6-1.4μm。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种如上所述的热镀锌钢板的制备方法，包括如下步骤：

得到所述钢板，将所述钢板加热至第一温度，得到预热钢板；

得到所述镀层的镀液，将所述镀液加热至第二温度，得到预热镀液；

将所述预热钢板浸入所述预热镀液，得到热浸镀钢板；

于所述热浸镀钢板表面吹气，得到调厚钢板；

将所述调厚钢板冷却至室温后轧制，得到所述热镀锌钢板。

可选的，所述第一温度和第二温度均为450-500℃。

可选的，所述吹气的气体中具有银的卤化物的粉末；所述粉末的粒径为0.1-10μm；所述气体中，所述粉末的体积百分比为0.01-1％。

可选的，所述冷却过程中，从400℃降至300℃的时间为20-40s。

可选的，所述轧制的轧辊的表面粗糙度Ra为1.8-3.2μm。

可选的，所述轧制的单位宽度轧制力为3000-5000kN/m。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的热镀锌钢板，通过限制镀层的晶粒粒径，根据霍尔-佩奇公式可知，多晶组织的晶粒粒径越小，则金属材料的强度越高、硬度越高、耐磨性即越强。进一步通过限制镀层表面氧化膜的厚度，使其增厚，较厚的氧化膜有利于降低摩擦副与镀层的直接接触，并且降低接触压力，起到缓冲和润滑的效果；同时控制其厚度上限，防止摩擦副与氧化膜之间摩擦时发生粘接，反而导致磨损加剧的情况。进一步通过限制镀层的表面粗糙参数，平衡镀层的耐磨性和氧化膜的成膜能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的方法的流程图；

图2是Ag-Zn相图；

图3是晶粒在不同粗糙度的钢板表面形核的示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。例如，室温可以是指10～35℃区间内的温度。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种热镀锌钢板，包括钢板及钢板表面的镀层，

所述镀层的晶粒粒径≤100μm；

所述镀层表面的氧化膜厚度为100-200nm；

所述镀层的表面粗糙度参数Rsk为-0.2-0.3。

上述主要特征和限定范围详细说明如下：

控制镀层的晶粒粒径范围的原因在于：热镀锌镀层中的主要元素是锌，但其并不是单晶组织，而依然是多晶组织。根据霍尔-佩奇公式，多晶组织的晶粒尺寸越小，则金属材料强度越高，硬度越高，相应耐磨性能越强。因此控制镀层的晶粒粒径≤100μm。

需要说明，热镀锌镀层表面的晶粒并不一定是等轴枝晶，也可能是胞晶组织或者定向凝固晶粒组织。

控制镀层表面的氧化膜厚度的原因在于：影响热镀锌钢板耐磨性的因素，除了晶粒尺寸，另外一个就是镀层表面本身。镀层表面并不是数学意义上无厚度的面，而是有一定厚度的表面层，只是表面层的厚度远远小于镀层表面的平面尺寸。表面层在摩擦磨损过程中，直接与摩擦副接触，因而对耐磨性有显著影响。常规镀锌板表面存在10-50μm厚度的氧化铝为主的氧化膜层。本发明中，将氧化膜的厚度提高到100-200μm，这是由于氧化膜是摩擦过程中是起到了润滑剂的效果，较厚的氧化膜有利于减少摩擦副与镀层的直接接触，降低接触压力。但是氧化膜太厚，会造成摩擦副与氧化膜之间的粘接效果，反而会导致磨损加剧。

控制镀层的表面粗糙度参数Rsk的原因为：与传统认为粗糙度参数Ra是主要影响因素不同，发明人研究发现实际上Rsk参数才是影响摩擦磨损的关键因素。请参照图3，Rsk表示了镀锌板表面粗糙形貌的偏向性，如果Rsk是较大的正的数值，那就意味着表面存在稀疏而尖锐的“山峰”，“山峰”之间是比较宽的“山谷”。相反，如果Rsk是较大的负的数值，那就意味着表面存在着宽而平坦的“台地”，“台地”之间是深而窄的“山谷”。在镀锌板成形过程中，与摩擦副接触的主要是高的部分。因此较高部分的强度才是决定镀锌板是否耐磨的主要因素。如果“山峰”过于尖锐而稀少，也就是Rsk太大，那么摩擦过程中很容易造成山峰折断。反之，形成宽而平坦的“台地”，有利于保持强度，减少摩擦过程造成的损伤。然而，“台地”本身无法保存表面的润滑油，也很难形成稳定的氧化膜，太小的Rsk导致在摩擦过程中表面氧化膜迅速损失。因此，本发明中控制Rsk值的范围为-0.2-0.3。

优选地，所述镀层的晶粒粒径≤80μm。

作为一种可选的实施方式，所述镀层中，晶粒取向为<1000>的晶粒的数量为总晶粒数量的80-90％。

控制<1000>晶粒含量的原因在于：现有技术中认为，锌晶粒[1000]晶面具有最好的耐磨性能，因为该晶面为密排面，因此要尽可能让[1000]晶面与钢板表面平行，也就是让晶粒的<1000>方向与钢板表面垂直，具有<1000>取向。但是当晶粒尺寸缩小到100μm甚至更小的情况下时，<1000>取向反而会导致晶粒与晶粒之间的晶界脆弱。在摩擦过程中，虽然<1000>取向耐磨性很好，但是镀层一般都是多晶粒的组织，如果晶界脆性增大，则整个镀层耐磨性也会下降。因此，本发明中控制<1000>取向的晶粒不超过总晶粒数的90％。当然，<1000>取向晶粒是镀层耐磨性提高的基础，因此该取向晶粒比例不能太低，不低于80％。

作为一种可选的实施方式，所述钢板的表面粗糙度Ra为0.6-1.4μm。

控制钢板的表面粗糙度的原因在于：钢板的表面粗糙度Ra对镀层晶粒尺寸具有显著影响，因为镀层晶粒的凝固形核位置主要位于钢板表面粗糙度形貌的凹坑位置。凹坑太浅，Ra太小，会导致无法正常形核，从而导致晶粒尺寸粗大。但如果凹坑太深，Ra太大，则由于凹坑曲率半径太小的缘故，锌液无法浸润，同样导致无法形核，从而导致晶粒尺寸粗大。因此，发明中要求钢板的表面粗糙度Ra为0.6-1.4μm。

根据本发明另一种典型的实施方式，提供了一种如上提供的热镀锌钢板的制造方法，包括如下步骤：

S1、得到所述钢板，将所述钢板加热至第一温度，得到预热钢板。

其中：第一温度为450-500℃。

控制第一温度的原因在于：首先，加热钢板是必须得，因为钢板温度太低会导致钢板与镀液之间无法很好浸润，镀液在温度较低的钢板表面倾向于收缩成液滴，这会导致镀层破损和覆盖不完全，同时也会导致镀层厚度差异很大。但是钢板的温度不能太高，否则钢板中的Fe元素会迅速与镀液中反应，使得镀层晶粒粗大。因此，发明中控制第一温度为450-500℃。

S2、得到所述镀层的镀液，将所述镀液加热至第二温度，得到预热镀液。

其中：第二温度为450-500℃。

控制第二温度的原因在于：首先，加热镀液是必须的，因为如果镀液温度太低就会凝固，即使没有凝固，也让镀液的粘度显著增大，表面张力显著增大，导致镀液在钢板表面不能完全铺展和润湿，从而使得局部镀层厚薄差异很大，晶粒生长不均匀，摩擦过程中出现局部严重磨损。但是镀液温度不能太高，钢板在较高温度的镀液中，钢板中的Fe元素会迅速与镀液中反应，使得镀层晶粒粗大。因此，发明中控制第二温度为450-500℃。

S3、将所述预热钢板浸入所述预热镀液，得到热浸镀钢板。

S4、于所述热浸镀钢板表面吹气，得到调厚钢板。

其中：

所述吹气的气体中具有银的卤化物的粉末；

所述粉末的粒径为0.1-10μm；

所述气体中，所述粉末的体积百分比为0.01-1％。

该步骤的机理为：镀锌钢板的镀层厚度是依靠在镀层钢板表面吹气实现的。高速气流对钢板表面的镀液产生一定的正压力和切应力，这使得镀液在压力下流动，因而能够去除一部分的镀液，冷却后能够获得具有一定厚度的镀层。在这个吹气过程中，气体一方面让镀液发生流动，另一方面又对镀液有降温的作用。为了获得较小的镀层晶粒，发明中在吹气气体中加入了含有银的卤化物粉末，比如氯化银、溴化银、碘化银、氟化银等，请参照图2，这种含有银的卤化物粉末在接触到温度较高的镀液时，会迅速分解为Ag的颗粒物以及卤族元素气体。Ag的颗粒物与镀液中的Zn发生包晶反应，形成Zn-Ag包晶颗粒物，这种颗粒物与镀液中的Zn具有共格关系，能够起到镀液中Zn元素凝固形核核心的作用，从而提高了镀液的形核密度，让单位面积上形成的镀层晶粒数量增多，从而减小了每个晶粒的尺寸。加入卤化物粉末的另一个作用在于控制镀层晶粒的取向，如果镀液是直接在钢板表面生长晶粒，那么由于传热方向与钢板平面方向垂直，因而锌晶粒倾向于垂直于钢板表面生长，形成<1000>取向占优势的镀层组织；如果镀液中加入了卤化银颗粒物形成的Zn-Ag包晶颗粒，那么晶粒也会同时从Zn-Ag包晶颗粒开始向外生长，会打乱<1000>取向的优势分布，为了起到形核核心以及降低<1000>取向晶粒比例的作用，喷入的卤化银颗粒尺寸和数量都有一定要求，太大的了无法成为形核的核心，太少了密度不够，因此发明中控制粉末的体积百分比为0.01-1％，且粉末的粒径为0.1-10μm。其中体积百分比之所以设定上限值，一方面是因为超过这个体积分数之后，实际效果不明显，另一方面是由于太多的卤化银颗粒会导致产生太多的卤族元素气体，这些气体具有定的环境毒性，同时还对镀层的耐蚀性有影响；另外，太多的卤化银颗粒还会导致非<1000>取向晶粒太多，使得<1000>取向晶粒比例低于80％。同时卤化银颗粒物的尺寸不能太小，太细小的颗粒物在高速喷吹的气体中容易发生不稳定流动和旋涡，反而导致许多颗粒物没有喷到锌液上，而是会散落到其他位置，使得实际使用的卤化银颗粒物不足，使得效果反而不足。

S5、将所述调厚钢板冷却至室温后轧制，得到所述热镀锌钢板。

其中：

所述冷却过程中，从400℃降至300℃的时间为20-40s。

控制上述冷却参数的原因在于：为了让镀层表面生长出厚度为100-200nm厚度的氧化膜，在镀锌钢板冷却时使用氧化性气体作为冷却介质，比如空气、二氧化碳气体等，最常见的就是使用空气作为冷却介质，当然也可以使用富含氧气的混合气体。为了让氧化膜具备充分的生长时间，发明中控制从400℃降至300℃的时间为20-40s。这是由于氧化膜的生长需要一定的温度，温度太低，氧化膜生长速度太慢；温度太高，则氧化膜的生长过于疏松。时间太短，氧化膜厚度不足；时间太长，氧化膜厚度太厚。

所述轧制的轧辊的表面粗糙度Ra为1.8-3.2μm；

所述轧制的单位宽度轧制力为3000-5000kN/m。

镀层钢板表面的粗糙度参数Rsk主要依靠对镀后热镀锌钢板进行轧制实现。粗糙度参数Rsk描述了表面粗糙度形貌中极端的坑与谷的相对分布位置，为了获得不是太小和太大的Rsk参数，需要控制轧制过程的轧辊表面以及轧辊与钢板的接触。一般来说，轧辊表面形貌是通过电火花毛化、激光毛化、喷丸毛化等技术手段获得，其共同特点就是以一定的物理场作用到初始的光滑轧辊表面，去除表面的一部分物质，保留剩下的物质，从而获得轧辊表面的粗糙度形貌。在这个过程中，由于轧辊表面硬度较高，这是为了保证轧辊在与带钢接触时不容易磨损，因而去除轧辊表面物质所留下的痕迹往往是浅而宽的坑。为了达到一定的轧辊表面粗糙度，通常需要在轧辊表面反复加工多次，因而轧辊表面实际保留下来的物质面积很小，这部分面积构成了轧辊表面形貌的尖峰，因此在一般的轧辊轧制时，这部分尖峰与带钢表面接触，形成了带钢表面的深谷。所以通常带钢表面进行轧制加工后，表面的Rsk都是在-0.4以下，甚至到-1.0。为了获得-0.2到0.3的带钢表面Rsk数值范围，需要保证轧辊表面的粗糙度Ra不会太大，以避免将轧辊表面初始的光滑表面毛化成尖峰，造成带钢表面Rsk明显减小；但是如果轧辊表面的粗糙度Ra太低，则会导致轧制过程的不稳定，导致轧制过程中轧辊与带钢表面摩擦，让镀层表面氧化膜破损减薄。因此，发明中控制轧制的轧辊的表面粗糙度Ra为1.8-3.2μm。除此之外，轧制时的轧制力是表现轧辊与带钢接触的主要参数，轧辊与带钢接触不足，则在钢板表面只会留下深谷，使得Rsk偏小，但是如果轧制力过大，则容易导致镀锌板表面的晶粒变形，形成太多非<1000>取向的晶粒。因此，发明中控制轧制的单位宽度轧制力为3000-5000kN/m。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请进行详细说明。

实施例1-7

分别提供了一种热镀锌钢板，包括钢板及钢板表面的镀层，各项参数分别见表1。

表1实施例1-7的热镀锌钢板的参数

上述热镀锌钢板的制备方法，包括如下步骤：

S1、得到所述钢板，将所述钢板加热至第一温度，得到预热钢板。

S2、得到所述镀层的镀液，将所述镀液加热至第二温度，得到预热镀液。

S3、将所述预热钢板浸入所述预热镀液，得到热浸镀钢板。

S4、于所述热浸镀钢板表面吹气，得到调厚钢板。

S5、将所述调厚钢板冷却至室温后轧制，得到所述热镀锌钢板。

各实施例的制备方法的参数分别见表2。

表2实施例1-7的制备方法的参数

对比例1-5

分别提供了一种热镀锌钢板，包括钢板及钢板表面的镀层，各项参数分别见表3。

表3对比例1-5的热镀锌钢板的参数

上述热镀锌钢板的制备方法与实施例1-7的制备方法相同，各对比例的制备方法的参数分别见表4。

表4对比例1-5的制备方法的参数

实验例

对实施例1-7和对比例1-5提供的热镀锌钢板分别进行摩擦磨损评价。

操作方法为：采用圆柱-平板往复式摩擦试验方法，摩擦试验用的圆柱端头直径为10mm，端头硬度为60HRC，加载载荷为9.8N，摩擦频率为10Hz，摩擦时间为10min。测试摩擦后的表面摩擦痕的深度。深度小于5微米为合格○，否则为不合格×。摩擦痕深度通过白光干涉仪测量。评价结果如下表所示：

	摩擦磨损试验
		实施例1	○
实施例2	○
		实施例3	○
实施例4	○
		实施例5	○
实施例6	○
		实施例7	○
对比例1	×
		对比例2	×
对比例3	×
		对比例4	×
对比例5	×

从上表可以看出，本发明实施例1-7提供的热镀锌钢板的耐磨性能明显优于对比例1-5。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种热镀锌钢板，其特征在于，包括钢板及钢板表面的镀层，

所述镀层的晶粒粒径≤100μm；

所述镀层表面的氧化膜厚度为100-200nm；

所述镀层的表面粗糙度参数Rsk为-0.2-0.3。

2.根据权利要求1所述的热镀锌钢板，其特征在于，所述镀层中，晶粒取向为<1000>的晶粒的数量为总晶粒数量的80-90％。

3.根据权利要求1或2所述的热镀锌钢板，其特征在于，所述镀层的晶粒粒径≤80μm。

4.根据权利要求1或2所述的热镀锌钢板，其特征在于，所述钢板的表面粗糙度Ra为0.6-1.4μm。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

得到所述钢板，将所述钢板加热至第一温度，得到预热钢板；

得到所述镀层的镀液，将所述镀液加热至第二温度，得到预热镀液；

将所述预热钢板浸入所述预热镀液，得到热浸镀钢板；

于所述热浸镀钢板表面吹气，得到调厚钢板；

将所述调厚钢板冷却至室温后轧制，得到所述热镀锌钢板。

6.根据权利要求5所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，所述第一温度和第二温度均为450-500℃。

7.根据权利要求5所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，所述吹气的气体中具有银的卤化物的粉末；所述粉末的粒径为0.1-10μm；所述气体中，所述粉末的体积百分比为0.01-1％。

8.根据权利要求5所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，所述冷却过程中，从400℃降至300℃的时间为20-40s。

9.根据权利要求5所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，所述轧制的轧辊的表面粗糙度Ra为1.8-3.2μm。

10.根据权利要求5所述的热镀锌钢板的制备方法，其特征在于，所述轧制的单位宽度轧制力为3000-5000kN/m。

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