TWI649450B - 金屬被覆鋼帶 - Google Patents

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Abstract

一種形成一Al-Zn-Si-Mg合金塗層於一鋼帶上之方法，包括將一鋼帶浸入熔融Al-Zn-Si-Mg合金浴中並形成該合金之塗層於該鋼帶的經暴露之表面上。該方法亦包括控制該熔融塗覆浴及該塗覆浴下游中之條件，使得橫越形成於該鋼帶上之塗層的表面上有一一致地Al/Zn比例。一經Al-Zn-Mg-Si被覆之鋼帶，其包括一一致地Al/Zn比例在該Al-Zn-Si-Mg合金塗層之表面或最外部1-2μm上。

Description

金屬被覆鋼帶 發明領域
本發明係有關於金屬帶的製造，特別是鋼帶，其具有包含鋁、鋅、矽，及鎂作為該合金中之主要元素的抗腐蝕金屬合金塗層，且依據此基礎，此後被稱為一“Al-Zn-Si-Mg合金”。
具體而言，本發明係有關於一種形成一Al-Zn-Si-Mg合金塗層於一帶上的熱浸塗金屬塗覆方法，包括將未經塗覆之帶浸入一熔融Al-Zn-Si-Mg合金浴中並形成一合金塗層於該帶上。
通常，本發明之該Al-Zn-Si-Mg合金包含以重量%計，下列範圍的該等元素Al、Zn、Si及Mg：Zn：30至60%
Si：0.3至3%
Mg：0.3至10%
餘量：Al及無法避免的不純物。
更典型地，本發明之該Al-Zn-Si-Mg合金包含以重量計%，下列範圍的該等元素Al、Zn、Si及Mg：Zn：35至50%
Si：1.2至2.5%
Mg：1.0至3.0%
餘量：Al及無法避免的不純物。
該Al-Zn-Si-Mg合金塗層可包含其他元素，該等其他元素作為刻意合金添加劑或作為無法避免的雜質。因此，該詞語“Al-Zn-Si-Mg合金”在此被了解為涵蓋包含此等其他元素作為刻意合金添加劑或作為無法避免的雜質的合金。該等其他元素可包括，例如，Ca、Ti、Fe、Sr、Cr，及V之一或多者。
依據該終端應用，該金屬被覆鋼帶可被上塗料，例如以一聚合性塗料，上塗料於該帶之一或兩個表面。在此條件下，該金屬被覆鋼帶可本身做為一終端產品被銷售，或可具有被施用於一或兩個表面之塗料並做為一上塗料的終端產品來銷售。
本發明係特別但不是特定地有關於以該上述Al-Zn-Si-Mg合金塗覆、且可擇地以一塗料塗覆之鋼帶，且在此之後係冷卻成形(例如藉由輥壓成形)成一終端使用產品，諸如建築產品(例如，輪廓牆(profiled wall)及屋頂板)。
發明背景
一個廣泛使用於澳洲及他處、用於建築產品，特別是輪廓牆及屋頂板的抗腐蝕金屬塗覆組成物，係一55重量%之Al-Zn塗覆組成物，其亦包含Si。注意到的是，除非另外指明，所有對於百分比的參考為以重量計。
該等輪廓板通常由冷成形(cold forming)上塗料 的金屬合金被覆帶所製造。通常，該等輪廓板係藉由輥壓成形該經上塗料之帶而製造。
於輪廓板上之該塗覆組成物的塗層之微結構通 常包含富含Al之樹枝狀結晶及富含Zn之樹枝狀結晶間通道。
添加Mg至此55%Al-Zn-Si塗覆組成物的已知組 成物已知被提出於數年間的專利文獻中，見例如美國專利6,635,359，申請人為Nippon鋼鐵公司，但於鋼帶上之Al-Zn-Si-Mg塗層在澳洲並非為商業上可取得的。
已被確立的是當Mg被包括於一55%Al-Zn-Si塗 覆組成物中，Mg帶來大約某些有益效應於產品效能，諸如經改良的切緣保護。
申請人已進行與帶(諸如鋼帶)上之Al-Zn-Si-Mg 合金塗層之有關廣泛的研究及開發工作，且該等研究及工作包括工廠試驗。本發明為此研究及開發工作之部分的結果。
在工廠試驗的歷程期間，申請人發現在 Al-Zn-Si-Mg合金被覆鋼帶之該表面上的一個缺陷。該等工廠試驗係以具有下列組成的Al-Zn-Si-Mg合金進行，以wt.%計：53Al-43Zn-2Mg-1.5Si-0.45Fe及附帶地不純物。申請人對於該發生的缺陷感到驚訝。申請人在Al-Zn-Si-Mg合金之廣泛的實驗室工作並為觀察到該缺陷。更甚者，自從注意到於工廠試驗中之該缺陷，申請人無法於實驗室中再造該缺陷。申請人在澳洲及其他處多年來可商業取得之標準 55%Al-Zn合金被覆鋼帶上未觀察到該缺陷。
申請人發現該缺陷具有數個不同形式，包括條紋、補丁及木紋圖案。該缺陷由申請人私自敘述為一“灰燼(ash)”標記。
該缺陷的一嚴重實例顯示於圖1中，其係來自該等工廠試驗之Al-Zn-Si-Mg合金被覆鋼帶之表面的一部分之照片，在戶外觀測條件下-在直接日光的低角度下取得。在圖1中，該缺陷本身表現為較深區域，當在“最佳”光照下於低視角觀測時，具有外觀為(a)一補丁(一良好定義的區域，其一致地較周圍區域深)、(b)一條紋(一窄區域，延該帶的長度延伸，其係較周圍區域深)，及(c)一木紋圖案(一延該帶的長度延伸之區域，其具有清楚較深的線及在該等較深地線之間的較淺地線，即，類似木紋)於該被覆鋼帶之表面上。申請人發現當視角朝向垂直增加時，該曲線之可見區別度快速降低，直到其不再被看到，不具有明顯地塗層人工物存在於該表面上，例如，金屬點、渣片及金光閃爍的的變化。
申請人發現該缺陷並不侷限為顯示於圖1中的型態且可為任何其他較深區域的構型。
申請人就被覆帶的外形美觀之觀點來看該缺陷為令人擔憂地。此對於商業上為非常重要的議題。
上述討論並非被作為澳洲或其他處之一般通常知識之承認。
發明概要
申請人發現上述灰燼標記缺陷係由Al-Zn-Si-Mg合金塗層表面上該Al/Zn比例的變化而造成，詳言之，在該缺陷區域內之該表面Al/Zn比例的降低，造成在該等塗層之表面上富含Zn之樹枝狀結晶間通道的平均寬度之增加。
申請人觀察到Al/Zn比例的變化與該缺陷與該塗層截面最外部1-2μm有關，但不是必須被限制至上述內容。
申請人亦發現該缺陷最容易藉由以一電子探針微分析儀進行該缺陷界限的元素映射而偵測。
根據本發明，此處提供形成一以Al-Zn-Si-Mg為主之合金的塗層於一基材上的方法，該基材諸如但不限於一鋼帶，該方法特徵在於藉由控制以下條件(a)用以塗覆該基材之包含該以Al-Zn-Si-Mg為主之合金的浴，及(b)該熔融浴的下游，使得在橫過該形成於該基材上之該塗層的表面有一致地Al/Zn比例。
於該Al/Zn比例之內容中的該用語“一致地”此處被了解為表示，在任何二或多個獨立1mm x 1mm區域(由能量分散X射線光譜(EDS)測量)之間的該Al/Zn比例之通常小於0.1之變化。雖然有上述Al/Zn比例變化限制，用於商業用途之該塗層的合適性，以及因此該辭語“一致地”係藉由在最佳光照條件下視覺表面外觀而界定。
根據本發明，此處提供形成一Al-Zn-Si-Mg合金塗層於一鋼帶上以形成上述Al-Zn-Si-Mg被覆鋼帶的方法，該方法包括將鋼帶浸入熔融Al-Zn-Si-Mg合金浴中並形成 該合金之塗層於該鋼帶的經暴露之表面上，且該方法包括控制該熔融塗覆浴及該塗覆浴之下游中的條件使得在橫越形成於該鋼帶上之該塗層的表面有一致地Al/Zn比例。
雖然不希望被下列說明所束縛，申請人相信該缺 陷可能起因於該等塗層之該微結構中Mg2Si之不一致地表面/次表面分布。申請人在該缺陷區域內該塗層截面之下半中觀察到經增加的Mg2Si成核速率。
該方法可包括控制該熔融塗覆浴及該塗覆浴下 游中任何合適地條件。
舉例而言，該方法可包括控制該熔融塗覆浴之該 組成物的任何一或多者，以及在該被覆鋼帶離開該熔融塗覆浴之後冷卻該被覆鋼帶之速率。
通常，該方法包括控制該熔融塗覆浴之該Ca濃 度。
通常，該熔融塗覆浴之該Ca濃度係藉由工業中之 一般標準實務而測定，包括取得塗覆浴樣品及藉由數個任何已知分析選擇，諸如XRF及ICP之一或多者，以通常為正/負10ppm之測量誤差予以分析。
該方法可包括控制該Ca濃度為至少100ppm。
該方法可包括控制該Ca濃度為至少120ppm。
該方法可包括控制該Ca濃度為至少200ppm。
該方法可包括控制該Ca濃度為至少180ppm。
該Ca濃度可為任何其他合適地濃度範圍。
通常，該方法包括控制該熔融塗覆浴之Mg濃 度。
通常，該熔融塗覆浴之該Mg濃度係藉由工業中 之一般標準實務而測定，包括取得塗覆浴樣品及藉由數個任何已知分析選擇，諸如XRF及ICP之一或多者，以通常為正/負10ppm之測量誤差予以分析。
該方法可包括控制該Mg濃度為至少0.3%。
該方法可包括控制該Mg濃度為至少1.8%。
該方法可包括控制該Mg濃度為至少1.9%。
該方法可包括控制該Mg濃度為至少2%。
該方法可包括控制該Mg濃度為至少2.1%。
該Mg濃度可為任何其他合適地濃度範圍。
該方法可包括控制該塗覆浴後(post-coating bath) 冷卻速率為少於40℃/s同時該被覆帶溫度係於400℃至510℃之溫度範圍內。
申請人已發現，對於被測試的該等塗覆合金組成 物，在400℃至510℃之該塗覆溫度是顯著地且在此範圍內快速冷卻，由於該Al/Zn比例之變化加劇是不希望地，該變化程度使該如灰燼標記缺陷，差異變得視覺上明顯地。該冷卻速率被選擇為在此溫度範圍內少於40℃/s係基於盡量減少該Al/Zn比例中之變化加劇。
申請人亦發現低於400℃之塗覆溫度對於一塗層之表面處之該Al/Zn比例上沒有顯著地影響。
申請人亦發現高於510℃之塗覆溫度對於該Al/Zn比例的一致性沒有顯著地影響。
被強調的是，在任何給予的狀況下，該顯著地溫度範圍之限制將依該塗覆合金組成物而定，且該發明並非必須侷限於400℃至510℃之塗覆溫度範圍。
該方法可包括控制該塗覆浴後冷卻速率至少於35℃/s同時該被覆帶溫度係於400℃至510℃之溫度範圍內。
該方法可包括控制該塗覆浴後冷卻速率至少於10℃/s同時該被覆帶溫度係於400℃至510℃之溫度範圍內。
該方法可包括控制該塗覆浴後冷卻速率至少於15℃/s同時該被覆帶溫度係於400℃至510℃之溫度範圍內。
通常，被覆帶之該冷卻速率係經由一計算機模型控制。
申請人相信Ca濃度、Mg濃度及塗覆浴後冷卻速率之任何一或多者的選擇係與塗覆質量無關。
一般而言，本發明與塗覆質量無關。
通常，該塗覆質量係50-200g/m2。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含多於1.8重量%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含多於1.9%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含多於2%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含多於2.1%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含少於3%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含少於2.5%之Mg。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含多於1.2%之Si。
該Al-Zn-Si-Mg合金可包含少於2.5%之Si。
該Al-Zn-Si-Mg合金包含下列重量%之範圍的元素Al、Zn、Si，及Mg：Zn：30至60%
Si：0.3至3%
Mg：0.3至10%
餘量：Al及無法避免之不純物。
特別地，該Al-Zn-Si-Mg合金包含下列重量%之範圍的元素Al、Zn、Si，及Mg：Zn：35至50%
Si：1.2至2.5%
Mg：1.0至3.0%
餘量：Al及無法避免之不純物。
該鋼可為低碳鋼。
根據本發明，亦提供一種由上述方法所製造之Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶。
根據本發明，亦提供一種包括一致Al/Zn比例於該Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶之表面上的Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶。
根據本發明，亦提供一種包括一致Al/Zn比例於該Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶之表面或該最外1-2μm上的Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶。
據本發明，亦提供一種輪廓壁及屋頂板，其已經由上述Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶輥壓成形或壓制成形，或以其他方式成型。
1‧‧‧退繞站
2‧‧‧焊接器
3‧‧‧累積器
4‧‧‧帶清洗區域
5‧‧‧爐組配
6‧‧‧塗覆鍋
7‧‧‧冷卻部分
8‧‧‧軋製部分
10‧‧‧繞線站
本發明係進一步參考所附圖式作為舉例而被敘述，其中：圖1係來自該等工廠試驗之該Al-Zn-Si-Mg合金被覆鋼帶之表面之一部分的照片，在理想觀測條件下取得；及圖2係根據本發明之方法，用於製造Al-Zn-Si-Mg合金被覆鋼帶的連續生產線之一實施例的示意圖。
較佳實施例之詳細說明
參照圖2，為了使用，數卷冷軋低碳鋼帶於一退繞站1被退繞且帶之成功退繞長度藉由一焊接器2被末端對末端焊接並形成帶之連續長度。
該帶接著成功地通過一累積器3、一帶清洗區域4及一爐組配5。該爐組配5包括一預熱器、一預熱還原爐，及一還原爐。
該帶係於該爐組配5中藉由小心控制包括下列之程序變數而熱處理：(i)該等爐之溫度輪廓、(ii)於該等爐中之該還原氣體濃度、(iii)通過該等爐之氣體流速，及(iv)於該等爐中之帶滯留時間(即，線速)。
於該爐組配5中之該等程序變數被控制因此有自 該帶之該表面的氧化鐵殘餘物之移除，及自該帶之表面之殘留油及鐵的移除。
該經熱處理之帶接著被送至經由一出口吻部向 下進入及通過在一塗覆鍋6中之包含一Al-Zn-Si-Mg合金之熔融浴中，該合金具有於100-200ppm之範圍內的Ca濃度，並以Al-Zn-Si-Mg合金被覆。該Al-Zn-Si-Mg合金被保持熔融於該塗覆鍋中，於595-610℃之範圍內的經選擇之溫度下，藉由使用加熱感應器(未顯示)。在該浴內，該帶通過一浸入式輥(sink roll)且係往上自該浴拿出。該線速被選擇以提供一經選擇之帶在該塗覆浴中的浸入時間，以製造一塗層，其具有50-200g/m2之塗覆質量於該帶的兩個表面上。
在離開該塗覆浴6後，該帶垂直通過一氣體掃淨 站(未顯示)，在其處該塗覆表面受到掃淨氣體的噴射以控制該塗層的厚度。
該被覆帶係接著通過一冷卻部分7並在一大於 10℃/s但少於40℃/s之經選擇地冷卻速率下受到強制冷卻，同時該被覆帶溫度係介於400℃及510℃。於少於400℃或大於510℃之溫度，該冷卻速率可為任何合適地冷卻速率。
該經冷去之被覆帶接著送到通過一軋製部分8，其調節(conditioned)該被覆帶之表面。
該被覆帶於此後於一繞線站10被捲繞。
如上所討論，申請人進行與鋼帶上之Al-Zn-Si-Mg合金塗層有關的廣泛研究及開發工作，包括工廠試驗，且申請人注意到在工廠試驗期間Al-Zn-Si-Mg合金 被覆鋼帶之表面上的缺陷。該等工廠試驗係以具有下列組成物之Al-Zn-Si-Mg合金，以wt.%計：53Al-43Zn-2Mg-1.5Si-0.45Fe，以及附帶地不純物。申請人對於該缺陷的發生感到驚訝。申請人在Al-Zn-Si-Mg合金之廣泛的實驗室工作中並未觀察到該缺陷。更甚者，自從注意到於工廠試驗中之該缺陷，申請人無法於實驗室中再造該缺陷。申請人在澳洲及其他處多年來可商業取得之標準55%Al-Zn合金被覆鋼帶上未觀察到該缺陷。更甚者，如上所討論，申請人已發現該缺陷具有數種不同型式，包括條文、補丁，及木紋圖案，且該缺陷之此等各形式之嚴重實例如圖1中所示。
如上所討論，申請人已發現上述該缺陷可能起因 於Al-Zn-Si-Mg合金塗層之表面上的Al/Zn比例的變化，且可能起因於該等塗層中之微結構中Mg2Si之不一致地分布，且本發明包括控制該熔融塗覆浴及塗覆浴下游中之條件，使得橫越形成於該鋼帶上之塗層的表面有一致地Al/Zn比例。
本發明之該方法包括控制該熔融塗覆浴及塗覆 浴下游中之任何合適地條件，使得橫越形成於該鋼帶上之該塗層的表面，即，在塗層截面區域上或其最外部1-2μm內，有一致地Al/Zn比例(根據第5頁之定義)。
舉例而言，與圖2相關被敘述的本發明之該方法 的實施例包括控制(a)於該熔融塗覆浴中之Ca濃度、(b)於該熔融塗覆浴中之Mg濃度，及(c)在該被覆鋼帶離開該熔融 塗覆浴之後，該被覆鋼帶的冷卻速率，如上面圖2之說明中所敘述。
注意到的是本發明並未被侷限至控制此條件之組合。
許多修改在不悖離本發明之精神及範圍下，可針對上述本發明進行。

Claims (16)

  1. 一種用於形成一Al-Zn-Si-Mg合金塗層於一鋼帶上以形成一Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶的方法，該方法包括將鋼帶浸入一熔融Al-Zn-Si-Mg合金浴中並形成該合金之塗層於該鋼帶的經暴露之表面上，且該方法包括控制該熔融塗覆浴之該組成物的任何一或多者，以及在該被覆鋼帶離開該熔融塗覆浴之後冷卻該被覆鋼帶之速率，使得在橫越形成於該鋼帶之表面上的塗層上有一一致地Al/Zn比例。
  2. 如請求項1之方法，其包括控制該熔融塗覆浴之該Ca濃度。
  3. 如請求項2之方法，其包括控制該熔融塗覆浴之該Ca濃度至至少100ppm。
  4. 如請求項2或3之方法，其包括控制該熔融塗覆浴之該Ca濃度至少於200ppm。
  5. 如請求項1之方法，其包括控制該熔融塗覆浴之該Mg濃度。
  6. 如請求項1之方法，其包括控制該塗覆浴後冷卻速率為少於40℃/s，而該被覆鋼帶溫度係介於400℃及510℃。
  7. 如請求項1或6之方法，其包括控制該塗覆浴後冷卻速率為大於10℃/s，而該被覆鋼帶溫度係介於400℃及510℃。
  8. 如請求項1之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括多於1.8重量%之Mg。
  9. 如請求項1或8之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括少於3重量%之Mg。
  10. 如請求項9之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括少於2.5重量%之Mg。
  11. 如請求項1之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括多於1.2重量%之Si。
  12. 如請求項1或11之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括少於2.5重量%之Si。
  13. 如請求項1之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括下列範圍之重量%的該等元素Al、Zn、Si，及Mg：Zn：30至60% Si：0.3至3% Mg：1.8至10%餘量：Al及無法避免之不純物。
  14. 如請求項1之方法，其中該Al-Zn-Si-Mg合金包括下列範圍之重量%的該等元素Al、Zn、Si，及Mg：Zn：35至50% Si：1.2至2.5% Mg：1.8至3.0%餘量：Al及無法避免之不純物。
  15. 一種Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶，其包括在該Al-Zn-Si-Mg合金塗層之表面或該最外1-2μm上的一致地Al/Zn比例。
  16. 一種輪廓牆及屋頂板，其已由請求項15所界定之該Al-Zn-Mg-Si被覆鋼帶輥壓成形或壓製成形。
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