CN111004971B - 一种热浸镀钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热浸镀钢及其制备方法，所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。使用本发明的制备方法制备的热浸镀钢，可以避免热浸镀过程出现锌渣缺陷，解决了锌渣缺陷所导致的镀液浪费和钢的表面质量差的问题。

Description

一种热浸镀钢及其制备方法
技术领域
本发明属于涂镀技术领域，特别涉及一种热浸镀钢及其制备方法。
背景技术
热浸镀钢板是使熔融金属与钢基体反应，从而形成牢固的冶金结合镀层。热浸锌钢具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长，制造过程简单，产品价格低等优点，在许多各种不同的工业例如汽车工业、电器工业和建筑工业中的需求日益增加。
常用的热浸镀钢板的镀层种类包括热浸镀锌、热浸镀锌铁合金、热浸镀锌铝合金、热浸镀锌铝镁合金、热浸镀铝锌合金、热浸镀铝等。这些热浸镀镀层的一个共同特点就是都含有一定的铝元素和锌元素，这是由于液态的锌与铝容易与钢基体反应形成铝-铁、锌-铁化合物，从而使得镀层与基体结合牢固。
但是，热浸镀钢板在热浸镀过程中，容易在镀液中形成颗粒物，粘接到钢表面，形成夹杂物的缺陷，俗称为“锌渣”。锌渣的形成既造成镀液的浪费，还会影响热浸镀钢板的表面质量。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种热浸镀钢及其制备方法，以解决现有技术中热浸镀过程中形成锌渣缺陷，导致的镀液浪费和钢的表面质量差的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一方面，本发明提供了一种热浸镀钢，所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。
进一步地，所述合金层为铜合金层、镍合金层、锡合金层中的一种或多种。
进一步地，所述合金层中，所述颗粒物的体积分数为0.01～1％。
进一步地，所述颗粒物为陶瓷、金属和氧化物中的一种或多种。
进一步地，所述颗粒物与所述合金层之间的晶格失配度为0.2～0.5。
进一步地，所述合金层厚度为0.1～0.5μm。
进一步地，所述钢基体的化学组分及其质量分数为：C：0.002～0.2％、Si:0.1～1.0％、Mn:0.1～2.0％、P:0.005～0.02％、S:0.004～0.01％、Als:0.02～0.08％，其余为铁和不可避免的杂质。
另一方面，本发明提供了上述的一种热浸镀钢的制备方法，所述方法包括，
将冶炼得到的板坯依次经过加热、粗轧、精轧、卷取、酸洗、冷轧，获得冷轧板；
将所述冷轧板依次进行表面处理、热处理、热浸镀，获得热浸镀钢；所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。
进一步地，所述表面处理包括化学镀、电镀、等离子喷涂、刷镀、物理气相沉积、化学气相沉积、增材制造中的一种。
进一步地，所述热处理为退火处理，所述退火温度为500～900℃。
本发明的有益效果至少包括：
本发明提供了一种热浸镀钢及其制备方法，所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。钢基体表面覆盖的合金层能够阻挡所述钢基体中的铁元素扩散出来，避免铁元素与镀液中的元素发生反应，合金层中的颗粒物可以阻挡镀液沿着合金层的晶界浸蚀渗透，这样，既阻挡了钢基体中的铁元素扩散出来，又阻挡了镀液中的元素进入合金层，从而无法形成锌渣，避免了锌渣缺陷所导致的镀液浪费和钢的表面质量差的问题。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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他的附图。
图1为本发明实施例的一种热浸镀钢的制备方法工艺步骤图。
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。
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。
本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一方面，本发明实施例提供了一种热浸镀钢，所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。
传统热浸镀钢板的镀层的主要金属元素为锌和铝，液态锌和铝均容易与铁形成化合物。一般来说，两种或多种金属之间能够形成固溶体、有序化合物以及相分离组织三种固态形式。其中，相分离组织包括共晶组织和偏晶组织两种形态，在这两种形态下，金属之间的结合能小于或等于熵增造成的分离能，因此金属元素无法形成有序排列的化合物，金属原子之间作用力比较小，熔点相对较低，与钢基体和浸镀液的相容性更好，不容易在浸镀液中析出和长期稳定存在，因此不会造成锌渣缺陷。本发明实施例还在合金层中引入了一定量的颗粒物。由于常见热浸镀镀液中往往还有铝元素和锌元素，这两种元素的浸蚀作用比较强，尤其在高温液态下浸蚀更加明显。合金层与液态镀液接触后，由于镀液与合金层之间并不会形成化合物，因此难以阻挡镀液对合金层的浸蚀渗透，尤其容易沿着合金层的晶界渗入。因此，本发明在合金层中弥散分布一些与合金非共格的颗粒物，这些颗粒物能够阻碍镀液沿着晶界渗入合金层中。
一般来说，与合金非共格的颗粒物在外加温度载荷和冲击载荷(冲击载荷来自于热浸镀过程的弯曲和张力)作用下，颗粒物会缓慢向晶界位置偏聚，这能够有效阻止镀液沿着晶界渗透。但是如果颗粒物尺寸太大，则偏聚时间会很长，同样达不到效果。研究表明，如果颗粒物尺寸小于50纳米，则颗粒物向晶界的偏聚时间能显著缩短。此外，颗粒物尺寸太大，也会导致合金层本身脆性严重，从而导致整个镀层在变形中发生破裂脱落。因此，本发明中规定颗粒物尺寸范围是不大于50纳米。
进一步地，所述合金层为铜合金层、镍合金层、锡合金层中的一种或多种。
进一步地，所述合金层中，所述颗粒物的体积分数为0.01～1％。为了达到颗粒物阻碍镀液沿着晶界渗入合金层的效果，颗粒物的体积分数不能太小。但是同时，颗粒物体积分数如果太大，则容易造成合金层本身的脆性开裂剥落，从而导致整个镀层在变形中发生破裂脱落。因此本发明规定颗粒物的体积分数范围为0.01～1％。
进一步地，所述颗粒物为陶瓷、金属和氧化物中的一种或多种。
进一步地，所述颗粒物与所述合金层之间的晶格失配度为0.2～0.5。
在合金层中的颗粒物必须与合金层本身晶格具有一定的失配度。所谓失配度就是指颗粒的晶格常数与合金层晶格常数之间的差异，计算公式为：(合金层晶格常数-颗粒的晶格常数)/合金层晶格常数，失配度越大，表明颗粒物晶格与合金层晶格差异越大，颗粒物周围的合金层晶格畸变越严重，颗粒物周围的合金内应力越大。为了让颗粒物具有一定的热力学稳定性，不至于在热处理以及热浸镀过程中发生溶解，颗粒物与合金层之间的失配度需要达到一定数值。但是如果失配度太大，则造成合金内应力过大，导致在应力作用下颗粒物发生分解和破裂，从而失去作用。因此，本发明中规定颗粒物与合金层的失配度不小于0.2也不大于0.5。
进一步地，所述合金层厚度为0.1～0.5μm。
钢基体表面覆盖的合金层能够阻碍钢基体中的铁元素扩散出来与镀液发生反应，因而需要具备一定的厚度。常规热浸镀时间不超过3秒，热浸镀温度为400℃～600℃，在此条件下，铁原子在常见金属和合金中的扩散系数为5×10-13～5×10-17cm2/s，特征扩散距离为100纳米～0.2纳米，因此本发明中规定了合金层厚度不应小于0.1微米，也就是100纳米。但是合金层本身也不宜过厚，合金层过厚本身又会导致合金层与钢基体之间的附着力问题、镀层与合金层之间的电偶腐蚀问题、镀层与合金层之间附着力问题，容易在变形过程中出现镀层开裂剥落，在使用过程中发生破损位置耐蚀性显著下降问题等。因此，发明中规定合金层厚度不超过0.5微米。优选的，合金层厚度范围为0.1微米到0.4微米。更优选的，合金层厚度范围为0.15微米到0.35微米。
进一步地，所述钢基体的化学组分及其质量分数为：C：0.002～0.2％、Si:0.1～1.0％、Mn:0.1～2.0％、P:0.005～0.02％、S:0.004～0.01％、Als:0.02～0.08％，其余为铁和不可避免的杂质。
另一方面，本发明实施例还提供了上述的一种热浸镀钢的制备方法，图1为本发明实施例的一种热浸镀钢的制备方法工艺步骤图，结合图1，所述方法包括，
S1、将冶炼得到的板坯依次经过加热、精轧、粗轧、卷取、酸洗、冷轧，获得冷轧板。
板坯经过加热、精轧、粗轧和卷取获得成分合格、尺寸符合要求、板形良好和表面质量优异的热轧卷；热轧卷经过酸洗去除热轧卷表面的氧化铁皮，经过冷轧，获得尺寸、表面符合要求的冷轧板。
S2、将所述冷轧板依次进行表面处理、热处理、热浸镀，获得热浸镀钢。所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。
合金层中的颗粒物是在表面处理或热处理过程中获得的，具体是哪个步骤获得，与颗粒物来源有关。如果颗粒物是外生颗粒物，则可以在表面处理过程中引入到合金层中，采用表面处理将合金层粉末与颗粒物混合堆覆在钢基体的表面。如果颗粒物属于内生颗粒物，那么这种颗粒物是合金在热处理阶段通过相变析出获得，比如，在热处理阶段进行低温过时效处理，镍铁合金在低温下可以析出富铁颗粒；因此可以在热处理阶段设计低温过时效处理，从合金中析出细小的富铁颗粒物。
进一步地，所述表面处理包括化学镀、电镀、等离子喷涂、刷镀、物理气相沉积、化学气相沉积、增材制造中的一种。通过表面处理在钢基体的表面覆盖一层合金层，
进一步地，所述热处理为退火，所述退火温度为500～900℃。退火的目的是为了使热浸镀钢获得满足要求的力学性能，同时为热浸镀提供所需的热量，此外，在退火近端进行低温时效处理，还可以在合金层中获得内生析出的颗粒物。
本发明实施例提供了一种热浸镀钢及其制备方法，通过对冷轧板表面处理和热处理，在钢基体的表面覆盖了一层合金层，且合金层包含了非共格颗粒物，合金层可以阻挡钢基体中的铁元素扩散出来进入镀液中，共格颗粒物可以阻挡镀液中的元素沿着晶界渗入合金层中，从而无法形成锌渣，避免了锌渣缺陷所导致的镀液浪费和钢的表面质量差的问题。
下面将结合具体的发明实施例，对本发明中的技术方案做进一步的说明。
实施例1到实施例12提供了一种热浸镀钢及其制备方法，将冶炼得到的板坯依次经过加热、粗轧、精轧、卷取、获得热轧卷，所述热轧卷的厚度为1.0mm、宽度为1500mm，材质为CQ级别。将所述热轧卷经过酸洗、冷轧，获得冷轧板；将所述冷轧板依次进行表面处理、热处理、热浸镀，获得热浸镀钢。实施例1到实施例12所制备的钢基体的化学成分如表1所示，制备过程中加热温度、精炼结束温度、卷取温度、表面处理方法、退火温度以及颗粒物如表2所示，颗粒物尺寸、合金层、颗粒物体积分数、颗粒物与合金层失配度、合金层厚度以及钢的应用如表3所示。
对比例1到对比例12提供了一种热浸镀钢及其制备方法，将冶炼得到的板坯依次经过加热、粗轧、精轧、卷取、获得热轧卷，所述热轧卷的厚度为1.0mm、宽度为1500mm，材质为CQ级别。将所述热轧卷经过酸洗、冷轧，获得冷轧板；将所述冷轧板依次进行退火处理、热浸镀，获得热浸镀钢。对比例1到对比例12所制备的钢基体的化学成分如表1所示，制备过程中加热温度、精炼结束温度、卷取温度、表面处理方法、退火温度以及颗粒物如表2所示，颗粒物尺寸、合金层、颗粒物体积分数、颗粒物与合金层失配度、合金层厚度以及钢的应用如表3所示。
实施例1到实施例12，对比例1到对比例12所制备的钢的合金层厚度采用在线荧光法测量，颗粒物尺寸采用激光颗粒度仪测量。
表1
Figure BDA0002320273050000071
表2
Figure BDA0002320273050000081
表3
Figure BDA0002320273050000091
对按表1、表2和表3的工艺要求制备的实施例1到实施例12，对比例1到对比例12的钢进行热浸镀处理，进行应用，获得热浸镀钢板，并对热浸镀钢板进行以下检测。
(1)对热浸镀钢板进行表面缺陷评价，采用图像法自动识别热浸镀钢板表面的锌渣缺陷，计算单位面积的锌渣个数，单位为个/平方米。
(2)对上述热浸镀钢板试样进行镀层折弯性能检测，试样方法为折弯试验，执行标准为GB/T 232，弯曲半径为0mm，弯曲角度为180°。
弯曲后观察样品外缘表面形貌，其中：
良好：没有出现裂纹
合格：距离边部3mm范围内存在裂纹，其他位置没有裂纹
不合格：在距离边部3mm范围之外出现裂纹。
(3)对上述热浸镀钢板试样进行镀层耐蚀性实验，先将样品进行折弯试验，执行标准为GB/T 232，弯曲半径为1mm，弯曲角度为90°，然后采用中性盐雾试验评价240小时，观察折弯位置腐蚀状况，其中：
良好：没有出现红锈
合格：红锈面积不超过5％
不合格：红锈面积超过5％
热浸镀钢板经过上述三种检测实验，评估结果见表4所示。
表4为实施例1到实施例12，对比例1到对比例12所制备的钢经过热浸镀，获得热浸镀板的性能数据，根据表4中的数据可知，实施例1到实施例12的锌渣缺陷为3～5个/平方米，镀层折弯性能66.7％为良好，33.3％为合格，镀层耐蚀性75％为良好，25％为合格；对比例1到对比例12的锌渣缺陷为4～18个/平方米，且75％的热浸镀板的锌渣缺陷为12个/平方米以上，镀层折弯性能75％不合格，25％为合格，镀层耐蚀性33.3％为差，66.7％为良好。与对比例1到对比例12相比，实施例1到实施例12制备的钢的锌渣缺陷、镀层折弯性能和镀层耐蚀性都有大幅度的提高。
表4
Figure BDA0002320273050000111
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 (5)

1.一种热浸镀钢，其特征在于，所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm；
所述合金层中，所述颗粒物的体积分数为0.01～1％；
所述颗粒物为碳化硅、氮化铝、铬、钨、氧化铝、氧化镁、氧化钙中的一种或多种；
所述颗粒物与所述合金层之间的晶格失配度为0.2～0.5，所述晶格失配度是指颗粒的晶格常数与合金层晶格常数之间的差异，计算公式为：(合金层晶格常数-颗粒的晶格常数)/合金层晶格常数；
所述合金层厚度为0.1～0.5μm；
所述合金层为铜合金层、镍合金层、锡合金层中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种热浸镀钢，其特征在于，所述钢基体的化学组分及其质量分数为：C：0.002～0.2％、Si:0.1～1.0％、Mn:0.1～2.0％、P:0.005～0.02％、S:0.004～0.01％、Als:0.02～0.08％，其余为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的一种热浸镀钢的制备方法，其特征在于，所述方法包括，将冶炼得到的板坯依次经过加热、粗轧、精轧、卷取、酸洗、冷轧，获得冷轧板；将所述冷轧板依次进行表面处理、热处理、热浸镀，获得热浸镀钢；所述热浸镀钢包括钢基体、合金层和镀层，所述合金层在所述钢基体和所述镀层之间，所述合金层中含有颗粒物，所述颗粒物为非共格颗粒物，所述颗粒物的尺寸＜50nm。
4.根据权利要求3所述的一种热浸镀钢的制备方法，其特征在于，所述表面处理包括化学镀、电镀、等离子喷涂、刷镀、物理气相沉积、化学气相沉积、增材制造中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种热浸镀钢的制备方法，其特征在于，所述热处理为退火处理，所述退火温度为500～900℃。
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