TWI781038B - 熱浸鍍鋅鋼材及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種熱浸鍍鋅鋼材與其製作方法。此製作方法係先提供冷軋鋼材。然後，對冷軋鋼材進行清洗製程，以形成清洗鋼材。接著，對清洗鋼材進行退火製程，以形成退火鋼材。於形成退火鋼材後，對退火鋼材依序進行熱浸鍍鋅製程與氣刀吹拂製程，以形成熱浸鍍鋅鋼材。藉由退火製程，所製得之熱浸鍍鋅鋼材具有細緻之鋅花。

Description

熱浸鍍鋅鋼材及其製作方法

本發明係有關於一種鋼材的製作方法，特別是提供一種具有細緻鋅花之熱浸鍍鋅鋼材與其製作方法。

熱浸鍍鋅鋼材可作為汽車外鈑、電腦機殼、伺服器機殼等用途。當省略對熱浸鍍鋅鋼材的烤漆製程，或薄化熱浸鍍鋅鋼材表面之烤漆層時，鋼材表面之鋅花大小明顯影響熱浸鍍鋅鋼材的塗裝性。因此，所使用的鍍鋅鋼材若從微細鋅花外觀趨於無法以肉眼觀察的無鋅花外觀，則可提升熱浸鍍鋅鋼材的表面品質，進而改善塗裝性。

一般而言，藉由調控鍍鋅製程的參數可控制鋅花之大小。一種習知技術係藉由提高滾軋機之軋輥的表面粗糙度，並於鍍鋅製程後控制氣刀與鋼材的距離，來改善移出鋅液後的冷卻條件。另外，於氣刀上方配置冷卻風箱，以增加鋅液凝固後的冷卻速度，進而控制鋅花大小。然而，此習知技術難以滿足不同鍍層規格的產品需求，且以冷卻風箱吹拂鍍鋅鋼材時，可能吹入空氣中的雜質，因此污染鋼材表面。

另一種習知技術係藉由噴射水或水溶液的液滴，使液滴先通過網狀高壓電電極再附著於熱浸鍍鋅後的鋼材之表面，進而作為熔融鋅的凝固核，其中電極具有-1 kV至-50 kV的高壓電，且隨著凝固核的成核數量的增加可細化鋅花。然而，噴射水溶液的方法，可能因液滴撞擊在熔融態的鋅層上，而造成凹陷，導致外觀受損等表面品質之問題，進而無法滿足應用需求。

有鑑於此，亟需提供一種熱浸鍍鋅鋼材與其製作方法，以改進習知熱浸鍍鋅鋼材無法兼具細緻鋅花與表面品質的缺陷。

因此，本發明之一態樣是提供一種熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中此製作方法藉由調整冷軋鋼材的合金元素含量，以藉由特定合金元素之氧化態，有效地控制鋅花大小，以滿足應用需求。

本發明之另一態樣是提供一種熱浸鍍鋅鋼材，其係利用前述之製作方法所製成。

根據本發明之一態樣，提供一種熱浸鍍鋅鋼材的製作方法。此方法係先提供冷軋鋼材，並對冷軋鋼材進行清洗製程，以形成清洗鋼材，其中冷軋鋼材包含不大於0.1重量百分比的碳、0.08重量百分比至2.5重量百分比的錳、不大於0.06重量百分比的磷、不大於0.005重量百分比的硫、不大於0.02重量百分比的矽、不大於0.02重量百分比的鉻、不大於0.2重量百分比的鉬、不大於0.02重量百分比的鈮、不大於0.03重量百分比的鈦、不大於0.05重量百分比的鋁，以及餘量的鐵。前述之清洗製程包含依序進行之預清洗步驟與電解清洗步驟。接著，對清洗鋼材進行退火製程，其中退火製程係氧化合金元素，以形成退火鋼材，且此合金元素包含錳。再來，對退火鋼材進行熱浸鍍鋅製程，其中熱浸鍍鋅製程係浸泡退火鋼材於鋅液中，以形成鍍鋅層於退火鋼材之表面上。接著，於進行熱浸鍍鋅製程後，對退火鋼材進行氣刀吹拂製程，以形成熱浸鍍鋅鋼材，其中氣刀吹拂製程係藉由氣刀控制鍍鋅層之厚度。

根據本發明的一些實施例，前述退火製程的溫度為700℃至900℃。

根據本發明的一些實施例，前述退火製程的退火爐內露點為-30℃至-60℃。

根據本發明的一些實施例，前述退火製程的還原氣氛包含90%至96%的氮氣與4%至10%的氫氣。

根據本發明的一些實施例，前述鋅液包含0.15重量百分比至0.5重量百分比的鋁、0.012重量百分比至0.02重量百分比的鐵、不大於0.003重量百分比的鉛、不大於0.003重量百分比的銻，以及餘量的鋅。

根據本發明的一些實施例，前述鋅液的溫度為460℃至485℃。

根據本發明的一些實施例，當前述冷軋鋼材包含小於1.5重量百分比的錳時，前述鋅液的溫度為460℃至470℃。

根據本發明的一些實施例，當前述冷軋鋼材包含1.5重量百分比至2.5重量百分比的錳時，前述鋅液的溫度為475℃至485℃。

根據本發明的一些實施例，前述氣刀包含60℃至100℃的氮氣。

根據本發明的另一態樣，提供一種熱浸鍍鋅鋼材，其中此熱浸鍍鋅鋼材係藉由前述之製作方法所製成，且此熱浸鍍鋅鋼材的鋅花尺寸為0.3 mm至1.7 mm。

應用本發明熱浸鍍鋅鋼材與其製作方法，其係調整冷軋鋼材之合金元素含量，以藉由其氧化態來控制鍍鋅層之鋅花大小，進而提升熱浸鍍鋅鋼材的表面品質。於退火製程中，退火爐之露點範圍有助於錳氧化物之生成，而可增加熱浸鍍鋅製程中單位面積的鐵鋁相之成核位置，促使鐵鋁相晶粒細化，進而有助於細化鋅花。其次，鋅液中的鋁可抑制質地硬脆的鐵鋅相之形成，而有利於後續加工成形。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

圖1係繪示根據本發明的一些實施例之熱浸鍍鋅鋼材的製造方法之流程示意圖。方法100係先提供冷軋鋼材，並對冷軋鋼材進行清洗製程，以形成清洗鋼材，如操作110與操作120所示。在一些實施例中，冷軋鋼材可包含不大於0.1重量百分比的碳、0.08重量百分比至2.5重量百分比的錳、不大於0.06重量百分比的磷、不大於0.005重量百分比的硫、不大於0.02重量百分比的矽、不大於0.02重量百分比的鉻、不大於0.2重量百分比的鉬、不大於0.02重量百分比的鈮、不大於0.03重量百分比的鈦、不大於0.05重量百分比的鋁，以及餘量的鐵。冷軋鋼材之製備係採用所屬技術領域慣用之製程與設備來進行，故在此不另贅述。舉例而言，冷軋鋼材可藉由一般之連鑄製程來製作。

冷軋鋼材中之錳可於後續之退火製程形成錳氧化物，且於熱浸鍍鋅時誘發鋁熱還原(aluminothermic reduction)反應，進而還原鋼材表面之金屬氧化物，以有效提升鋅液之鍍覆性。另外，錳氧化物於熱浸鍍鋅時亦有助於增加初始鐵鋁相之成核點，而可細化鐵鋁相晶粒，進而細化鋅層之鋅花。若錳含量小於0.08重量百分比，錳僅固溶於鋼材內部，鋼材表面無法有多餘的錳以形成微量氧化錳，來增加初始鐵鋁相的成核點。若錳含量大於2.5重量百分比，退火製程易生成大型錳氧化物顆粒或連續型氧化層，造成熱浸鍍鋅時無法鋁熱還原，因此影響鍍鋅性。較佳地，冷軋鋼材中之錳含量可為0.1重量百分比至2.5重量百分比。

前述之清洗製程包含依序進行之預清洗步驟與電解清洗步驟。預清洗步驟可例如係採用鹼性溶劑、清洗溶劑及/或其他適當之清洗媒介來清潔冷軋鋼材之表面。電解清洗步驟係藉由施加電壓，以產生電化學之氧化還原作用，而可去除冷軋鋼材表面之污物。其中，預清洗步驟與電解清洗步驟之流程與參數條件係通常知識者所熟知，且其可根據需求與設備限制被適當地調整。在一些實施例中，清洗鋼材可具有70%以上的潔淨度，以助於後續鋅層之鍍附，其中清潔度之試驗方式是藉由膠帶黏貼鋼材後，將此膠帶拿至透光的清潔度分析儀下進行量測。

於進行清洗製程後，對清洗鋼材進行退火製程，以形成退火鋼材，如操作130所示。退火製程期間，退火爐內的條件使鋼材中的合金元素固溶，且選擇性氧化鋼材表面的錳合金元素，以形成錳氧化物在鋼材表面上。進行退火製程時，退火爐內的溫度設定於700℃至900℃，除了可使鋼材的合金元素固溶，清洗鋼材的條狀晶結構也可再結晶為等軸晶結構，因此鋼材具有較適合的強度，以滿足應用所需。

進行退火製程時，退火爐內的露點係控制在-30℃至-60℃。當露點為-30℃至-60℃時，爐內適當之乾燥程度可避免清洗鋼材表面的鐵與氧氣反應形成鐵氧化物，而可避免鐵氧化物對後續熱浸鍍鋅製程的鋅液披覆性之不良影響，並可抑制表面金屬氧化物的生成，以提高產品的表面品質，且控制生產成本以符合經濟效益。

進行退火製程時，退火爐內的還原氣氛包含90%至96%的氮氣與4%至10%的氫氣，其中氮氣有利於鋼材在高溫環境下不與氧氣反應產生氧化物，以避免影響鍍鋅製程的附著性或造成品質缺陷，且氫氣有利於還原鋼材表面的氧化物，以避免氧化物影響鍍鋅製程的附著性或造成品質缺陷。

藉由退火製程氧化鋼材中之錳合金元素，所形成之錳氧化物可於熱浸鍍鋅製程時，藉由鋁熱反應，有效地還原鋼材表面於製程期間所形成之金屬氧化物，並增加表面鐵鋁相之成核點，而可提升鋅層之鍍覆性，且有效細化鋅花。

於退火製程後，對退火鋼材進行熱浸鍍鋅製程，以形成鍍鋅層於退火鋼材的表面上，如操作140所示。當退火鋼材接觸到熔融狀態的鋅液後，退火鋼材之表面可發生合金化反應。其中，鋅液可包含0.15重量百分比至0.5重量百分比的鋁、0.012重量百分比至0.02重量百分比的鐵、不大於0.003重量百分比的鉛、不大於0.003重量百分比的銻，以及餘量的鋅。此外，鋅液中的鋁之較佳範圍為0.18重量百分比至0.22重量百分比。當退火鋼材與熔融鋅液接觸時，退火鋼材中的鐵與鋅液中的鋁可形成鐵鋁相(如Fe ₂Al ₅)，故可避免退火鋼材之表面形成質地硬脆的鐵鋅相。其中，鐵鋁相除了阻礙退火鋼材與鋅之間的合金化(即抑制鐵鋅相的生成)，其亦有利於鍍鋅後之加工成形。

由於鐵鋁相晶粒係生成於鋼材表面，因此鐵鋁相晶粒大小將受到鋼材表面的晶粒度與潔淨度所影響。例如，於熱浸鍍鋅製程中，退火鋼材之表面所生成的金屬氧化物，將增加單位面積中鐵鋁相晶粒的成核位置，促使鐵鋁相晶粒細化，進而有助於後續成長的鋅花進行細化。於形成鐵鋁相後，熔融態的鋅係在鐵鋁相上成核成長，以形成鍍鋅層，故鋅花大小(即鋅晶粒的大小)受到鐵鋁相的晶粒尺寸影響。當鐵鋁相晶粒越小時，單位面積之鋼材表面具有越多之成核點，而可細化鋅花。

在一些實施例中，熱浸鍍鋅製程中的鋅液溫度設在460℃至485℃。其中，當冷軋鋼材包含小於1.5重量百分比的錳時，熱浸鍍鋅製程的鋅液溫度可為460℃至470℃，而可避免熱浸鍍鋅製程中生成浮渣並附著於鋼材上，因此提升鍍鋅後的表面品質；當冷軋鋼材包含1.5重量百分比至2.5重量百分比的錳時，退火鋼材的表面易生成較多金屬氧化物，因此熱浸鍍鋅製程中的鋅液溫度須調整為475℃至485℃，以促進金屬氧化物的鋁熱還原，且延緩鍍鋅層的凝固速度，進而確保熔融態的鋅液可填入鋼材表面的未鍍點缺陷(bare spots)區中。另一方面，調整後的溫度範圍也可避免熱浸鍍鋅製程中生成浮渣並附著於鋼材上，改善鍍鋅後的表面品質。此外，鋅液的溫度為460℃至485℃時，此溫度範圍可避免鍍鋅層之合金化速度過快，而可減少表面的麻點缺陷。

於進行操作140後，對退火鋼材進行氣刀吹拂製程，以形成熱浸鍍鋅鋼材，如操作150與操作160所示。氣刀吹拂製程的氣體媒介包含氮氣，並藉由調整氣刀壓力來控制鍍鋅層的厚度。在一些實施例中，氣刀包含60℃至100℃的氮氣，以延緩鋅液凝固，也有助於改善較高錳含量(如1.5重量百分比至2.5重量百分比)之退火鋼材於熱浸鍍鋅製程期間產生的未鍍點缺陷。當氣刀中氮氣之溫度為60℃至100℃時，可避免鍍鋅層產生水波紋之表面缺陷，且避免延緩鋅液凝固所致之鋅花粗大化，以減少麻點等表面缺陷之生成。本發明之氣刀吹拂製程的其他參數(如氣刀壓力等)係通常知識者所熟知，且可根據需求與設備限制適當地調整參數。另外，鍍鋅層厚度並無特別限制，僅須使鋼材滿足應用所需。

在一些實施例中，所製得之熱浸鍍鋅鋼材可選擇性地再依序進行調質軋延(skin pass)製程、表面塗油及/或化成製程。調質軋延製程可賦予熱浸鍍鋅鋼材表面粗糙度並消除降伏伸長現象。化成製程可經加熱、烘乾與固化後，於表面形成皮膜。調質軋延、表面塗油與化成製程係採用通常知識者所熟知之參數，故在此不另贅述。另外，化成製程中所塗覆皮膜的種類與使用的溶液皆不受限制，僅須使鋼材滿足應用所需。

熱浸鍍鋅鋼材經調質軋延製程後，難以由肉眼觀察鋅花之晶界來計算鋅花大小，因此須將熱浸鍍鋅鋼材以鹽酸溶液輕微腐蝕表面，直到明顯可見鋅花，且以無水酒精沖洗後，再計算大小。在一些實施例中，熱浸鍍鋅鋼材的鋅花尺寸可為0.3 mm至1.7 mm，而可滿足應用之需求。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做各種之更動與潤飾。

實施例1

首先，提供冷軋鋼材，且此冷軋鋼材包含0.001重量百分比的碳、0.08重量百分比的錳、0.012重量百分比的磷、0.003重量百分比的硫、0.01重量百分比的矽、0.01重量百分比的鉻、0.001重量百分比的鉬、0.008重量百分比的鈮、0.021重量百分比的鈦、0.031重量百分比的鋁，以及餘量的鐵。然後，依序進行清洗製程與退火製程，以形成退火鋼材。其中，退火製程之退火爐的溫度為700℃至900℃、露點為-30℃至-60℃，且退火爐內包含90%至96%的氮氣與4%至10%的氫氣之還原氣氛，以在2.26

10 ^-23atm至1.85

10 ^-26atm的氧分壓下氧化錳元素。再來，將退火鋼材浸泡於鋅液中，以於鋼材表面形成鍍鋅層。其中，鋅液包含0.18重量百分比至0.22重量百分比的鋁、0.012重量百分比至0.02重量百分比的鐵、不大於0.003重量百分比的鉛、不大於0.003重量百分比的銻，以及餘量的鋅，且鋅液溫度控制為460℃至470℃。於熱浸鍍鋅製程中，鋼材表面所形成的鐵鋁相晶粒係藉由浸泡退火鋼材在濃度為10 體積百分比的醋酸溶液中，當表面的鍍鋅層腐蝕且露出灰色色澤之鐵鋁層時，再以無水酒精進行沖洗，最後藉由電子顯微鏡觀察鐵鋁相顯微組織之晶粒大小，而晶粒大小之結果如圖2A所示，其中實施例1的鐵鋁相晶粒之平均尺寸為266 nm。

於進行熱浸鍍鋅製程後，對退火鋼材進行氣刀吹拂製程，即可製得實施例1之熱浸鍍鋅鋼材，其中氣刀包含60℃至100℃的氮氣。然後，所製得之熱浸鍍鋅鋼材係進一步依序進行調質軋延製程、表面塗油及/或化成製程。實施例1之熱浸鍍鋅鋼材係藉由重量百分濃度為36.5%至38%的鹽酸溶液輕微腐蝕熱浸鍍鋅鋼材表面，直到明顯可見鋅花，且以無水酒精沖洗後，再依照ASTM E112的規範來計算鋅花大小，且其結果如圖3A所示，其中鋅花之平均大小為1.61 mm。

實施例2至5

實施例2至5之製作流程與實施例1相同，不同之處在於實施例2至5之冷軋鋼材具有不同之成分組成，特別是提高錳元素的添加量，且其組成分別如表一所示。另外，實施例5於熱浸鍍鋅製程中，鋅液溫度係調整為475℃至485℃，以提升鋁熱反應與延緩鋅液凝固。實施例2至5於熱浸鍍鋅製程中形成的鐵鋁相晶粒之電子顯微鏡照片分別如圖2B至2E所示，而其所製備之熱浸鍍鋅鋼材之鋅花外觀的光學顯微鏡照片圖分別如3B至3E所示，其中實施例2至5的鐵鋁相晶粒之平均尺寸分別為228 nm、164 nm、149 nm與132 nm，且鋅花平均大小分別為1.16 mm、0.70 mm、0.51 mm與0.37 mm。

比較例1與2

比較例1與2之製作流程與實施例1相同，不同之處在於比較例1是提高鈮元素的添加量(以實施例4合金成分為基礎)，而比較例2特別是降低鈦元素的添加量(以實施例3合金成分為基礎)，且其組成如表一所示。其中，相較於錳為高氧分壓元素，鈮與鈦元素為低氧分壓元素。比較例1與2所製備之熱浸鍍鋅鋼材之鋅花外觀的光學顯微鏡照片分別如圖3F至3G所示，其中比較例1與2的鋅花平均大小分別為0.45 mm與0.72 mm。

依據表一之結果可知，提高冷軋鋼材中錳元素之含量，可降低熱浸鍍鋅製程中所生成的鐵鋁相之晶粒尺寸，進而減小熱浸鍍鋅鋼材的鋅花大小，達到細化鋅花之目的。另外，無論增加或減少冷軋鋼材中如鈮、鈦等低氧分壓元素均不影響鋅花大小，因此選擇低氧分壓元素之含量時較不受到限制，而可滿足應用所需。例如，生產具有相似鋅花大小之鋼材時，可選擇性減少低氧分壓元素使用量，以節省原料並降低生產成本。

綜上所述，本發明係先調整冷軋鋼材中之錳含量，再藉由退火製程形成錳氧化物後，浸泡鋼材在含有鋁的鋅液中進行鋁熱還原反應，以生成細化的鐵鋁相顆粒於鋼材表面，因此藉由鐵鋁相顆粒增加成核點來達到細化鋅花之目的。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:方法 110,120,130,140,150,160:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下。 圖1係繪示根據本發明之一些實施例之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法之流程示意圖。 圖2A至2E係分別顯示本發明之實施例1至實施例5的鐵鋁相之電子顯微鏡照片。 圖3A至圖3E係分別顯示本發明之實施例1至實施例5的鋅花外觀之光學顯微鏡照片。 圖3F與圖3G係分別顯示本發明之比較例1與比較例2的鋅花外觀之光學顯微鏡照片。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:方法

110,120,130,140,150,160:操作

Claims (10)

1. 一種熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，包含：提供一冷軋鋼材，其中該冷軋鋼材包含：不大於0.1重量百分比的碳；0.08重量百分比至2.5重量百分比的錳；不大於0.06重量百分比的磷；不大於0.005重量百分比的硫；不大於0.02重量百分比的矽；不大於0.02重量百分比的鉻；不大於0.2重量百分比的鉬；不大於0.02重量百分比的鈮；不大於0.03重量百分比的鈦；不大於0.05重量百分比的鋁；以及餘量的鐵；對該冷軋鋼材進行一清洗製程，以形成一清洗鋼材，其中該清洗製程包含：對該冷軋鋼材進行一預清洗步驟；以及於進行該預清洗步驟後，對該冷軋鋼材進行一電解清洗步驟；對該清洗鋼材進行一退火製程，其中該退火製程係氧化一合金元素，以形成一退火鋼材，其中該合金元素包含錳，該退火製程的氧分壓為2.26×10^-23atm至1.85×10^-26atm；對該退火鋼材進行一熱浸鍍鋅製程，其中該熱浸鍍鋅製 程係浸泡該退火鋼材於一鋅液中，以形成一鍍鋅層於該退火鋼材之一表面上；以及於進行該熱浸鍍鋅製程後，對該退火鋼材進行一氣刀吹拂製程，以形成該熱浸鍍鋅鋼材，其中該氣刀吹拂製程係藉由一氣刀控制該鍍鋅層之一厚度，且該熱浸鍍鋅鋼材的鐵鋁相之晶粒之一尺寸為132nm至266nm。
2. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該退火製程的一溫度為700℃至900℃。
3. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該退火製程之一退火爐內的一露點為-30℃至-60℃。
4. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該退火製程的一還原氣氛包含90%至96%的氮氣與4%至10%的氫氣。
5. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該鋅液包含：0.15重量百分比至0.5重量百分比的鋁；0.012重量百分比至0.02重量百分比的鐵；不大於0.003重量百分比的鉛；不大於0.003重量百分比的銻；以及 餘量的鋅。
6. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該鋅液的一溫度為460℃至485℃。
7. 如請求項6所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中當該冷軋鋼材包含小於1.5重量百分比的錳時，該鋅液的該溫度為460℃至470℃。
8. 如請求項6所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中當該冷軋鋼材包含1.5重量百分比至2.5重量百分比的錳時，該鋅液的該溫度為475℃至485℃。
9. 如請求項1所述之熱浸鍍鋅鋼材的製作方法，其中該氣刀包含60℃至100℃的氮氣。
10. 一種熱浸鍍鋅鋼材，藉由如請求項1至9中之任一項所述的製作方法所製成，其中該熱浸鍍鋅鋼材的一鋅花尺寸為0.3mm至1.7mm，且該熱浸鍍鋅鋼材的鐵鋁相之晶粒之一尺寸為132nm至266nm。

Images