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CN109112454B - 耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件 - Google Patents

耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件，由于陶瓷化学转化膜的存在，耐受了加热至850～950℃的高温，气氛中的氧通过陶化膜与镀层缓慢反应，形成更多的氧化物，进一步阻止了锌层的蒸发，热冲压之后镀层完全转变成铁合金层，没有镀层蒸发现象，无硬质的Fe‑Al金属间化合物。

Description

耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件
技术领域
本发明涉及一种镀层钢板，特别涉及一种耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件。
背景技术
现代的汽车制造业要求减重、节能、安全性的结合，热压成型钢的出现满足了这方面的要求，因此得到了极大的发展。
但是在热冲压的加热以及冲压过程中，钢板在几百度的温度下暴露于空气中会发生比较严重的表面氧化，冲压完成后需要进行清理以及防腐处理，消耗人力和成本。为解决此问题，各种解决方案先后被提出，包括在钢板表面涂覆防腐涂料、热浸镀铝硅镀层、锌铁合金镀层、锌镍镀层，这些方法各有优缺点。
锌基镀层钢板在热压成型领域也得到了较多的应用，但是有几个问题依然没有得到较好的解决，包括锌层的液相腐蚀问题、锌液的高温蒸发问题。现有技术中有在镀锌钢板表面涂覆高温防氧化涂料的方法，但是钢板涂覆高温防氧化涂料操作不方便，在经济上也不适合。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种耐高温锌基镀层钢板及其制造方法、热成型方法和部件，具备纯锌镀层对钢板的保护作用，同时又解决了纯锌镀层液相侵蚀及易于蒸发等缺点。
本发明目的是通过下面的技术方案实现的：
一种耐高温锌基镀层钢板，其特征在于：含有锌及锌合金热浸镀层，热浸镀层表面具有陶瓷化学转化膜；所述的陶瓷化学转化膜厚度为10-1000纳米；所述的陶瓷转化膜包括ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、及MgO、Al2O3、ZnO三种中的一种或几种。
所述的热浸镀层含有Si、Ti、Mn、Ca、Na、K、B中的一种或几种元素。
所述的热浸镀层中锌的质量百分含量60％以上。
一种耐高温锌基镀层钢板的制造方法，其特征在于：将含有锌及锌合金热浸镀层钢板进入陶化液中，或者将陶化液均匀涂覆到含有锌及锌合金热浸镀层钢板表面，经过50～130℃的温度烘干，在烘干的过程中溶液与钢板表面发生化学反应，在镀层表面生成一层陶瓷化学转化膜；所述的陶化液为含有锆的化合物的溶液。
一种耐高温锌基镀层钢板的热成型的方法为：在含氧气氛中将钢板加热至850～950℃，在650℃以下的温度区间加热速度控制在15℃/s以下，在850～950℃的温度区间保温3-15分钟，之后进行热成型，热成型过程中的冷却速率大于20℃/s，冷却终点温度控制在50～350℃。在650℃以下的温度区间加热速度控制在15℃/s以下，可以保证在加热的过程中镀层表面的陶化层不被破坏。
所述的进入陶化液中是通过线下以单张钢板的方式进行。
所述的将陶化液均匀涂覆到含有锌及锌合金热浸镀层钢板表面是在连续热浸镀生产线上通过辊涂、喷淋后再烘干的方法进行的。
所述的陶化液，包括锆化物、氧化剂、硅烷偶联剂、成膜促进剂、PH值调节剂、缓蚀剂，PH值控制在2-5。
一种耐高温锌基镀层钢板制得的部件，热成型后钢板表面由钢基体到表面依次为铁基固溶体层、金属间化合物层和氧化物-陶瓷化学转化膜结合层，所述的金属间化合物层以Fe-Zn化合物为主；所述的氧化物以氧化锌为主。
铁基的固溶体层，由镀层中的元素扩散溶解于铁基体之中，但是没有改变铁的晶格结构，该层为铁基体与镀层之间的过渡层；金属间化合物层，铁元素扩散进入镀层并与镀层中的元素之间反应形成金属间化合物，该层以Fe-Zn化合物为主，同时含有镀层中的其它元素；氧化物-陶瓷化学转化膜结合层，该层是镀层中的元素在热冲压的加热和保温过程中与空气中的扩散进入镀层中的氧反应生成的氧化物。
对含有铝、镁等合金元素的锌合金镀锌板进行化学转化处理的过程中，由于镀层中的Al、Mg等合金元素在镀锌钢板的镀层表面富集，镀层表面的Al、Mg元素的含量远大于其在镀层中的平均含量，且这些元素由于本身的化学活性较大，会参与到化学转化处理过程中，形成氧化物和盐类存在于化学转化膜中。
在锆盐的化成处理中，表面转化膜中包含有ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2，以及依据镀层中锌合金组分不同而变化的MgO、Al2O3、ZnO等，在随后的热冲压成型过程中，无定形陶瓷氧化锆、氧化铝、氧化镁等会形成对锌合金层的保护，阻止锌的蒸发，使得镀层与钢基体形成完整均一的铁锌合金。且由于化成转化的薄膜与镀层有着良好的结合，可以提高镀层钢板在热冲压过程中的成形性能，提高钢板的润滑、流动能力，便于复杂成形。
本发明一种耐高温锌基镀层热压成型钢板，适用于C-Mn钢，典型的如22MnB5、30MnB5等，或者其它适用于热冲压的钢。正是由于陶瓷化学转化膜的存在，耐受了加热至850～950℃的高温，气氛中的氧通过陶化膜与镀层缓慢反应，形成更多的氧化物，进一步阻止了锌层的蒸发，热冲压之后镀层完全转变成铁合金层，没有镀层蒸发现象，无硬质的Fe-Al金属间化合物。
具体实施方式
下面结合具体实施例进行说明：
实施例1：
镀层为锌铝镁合金的热压成型钢板，镀层的成分组成为：2％Mg、3％Al、其余为Zn，钢板为22MnB5，采用陶化工艺进行在线处理，将陶化液辊涂到镀层钢板表面，之后进行烘干。烘干温度为85℃，该陶瓷膜的厚度为100纳米，主要由ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、MgO、Al2O3、ZnO、SiO2构成，尤其以纳米氧化锆、氧化铝、氧化镁为主。热浸镀层含有Si、Ti、F、Na等元素；陶化液的主要成分为：氟锆盐、双氧水、氟钛酸、氟化锆、酒石酸、硝酸钠、单宁酸、KH550。
热冲压工艺，在含有氧的气氛中，在650℃以下的温度区间加热速度控制在10℃/s，在920℃的温度区间保温5分钟，之后进行热冲压，热冲压过程中的冷却速率为35℃/s，冷却终点温度控制在200℃。
镀层在加热的过程中没有蒸发现象，并完全转变成铁合金。
实施例2：
镀层为锌铝镁合金的热压成型钢板，镀层的成分组成为：1.5％Mg、2％Al、其余为Zn，钢板为22MnB5，采用陶化工艺进行离线处理，将镀层钢板浸没到陶化液中，取出之后进行烘干。烘干温度为130℃，该陶瓷膜的厚度为1000纳米，主要由ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、MgO、Al2O3、ZnO、SiO2构成，尤其以纳米氧化锆、氧化铝、氧化镁为主。热浸镀层含有Si、Ti、F、Na、K等元素；陶化液的主要成分为：氟锆盐、双氧水、氟钛酸、氟化锆、酒石酸、氟硼酸钠、硝酸钾、月桂醇聚氧乙烯醚、KH550。
热冲压工艺，在含有氧的气氛中，在650℃以下的温度区间加热速度控制在8℃/s，在950℃的温度区间保温4分钟，之后进行热冲压，热冲压过程中的冷却速率为40℃/s，冷却终点温度控制在100℃。
镀层在加热的过程中没有蒸发现象，并完全转变成铁合金。
实施例3：
镀层为锌铝合金的热压成型钢板，镀层的成分组成为：4.7％Al、其余为Zn，钢板为30MnB5，采用陶化工艺进行离线处理，将镀层钢板浸没到陶化液中，取出之后进行烘干。烘干温度为110℃，该陶瓷膜的厚度为400纳米，主要由ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、Al2O3、ZnO、SiO2构成，尤其以纳米氧化锆、氧化铝为主。热浸镀层含有Si、Ti、Mn、Na、F等元素；陶化液的主要成分为：氟锆盐、高锰酸钾、氟钛酸、过硫酸钠、硝基苯磺酸钠、氟化锆、柠檬酸钠、KH560。
热冲压工艺，在含有氧的气氛中，在650℃以下的温度区间加热速度控制在8℃/s，在950℃的温度区间保温4分钟，之后进行热冲压，热冲压过程中的冷却速率为40℃/s，冷却终点温度控制在100℃。
镀层在加热的过程中没有蒸发现象，并完全转变成铁合金。
实施例4：
镀层为锌镁合金的热压成型钢板，镀层的成分组成为：2.5％Mg、0.2％Al、其余为Zn，钢板为20MnB5，采用陶化工艺进行在线处理，将陶化液喷淋到镀层钢板表面，之后进行烘干。烘干温度为95℃，该陶瓷膜的厚度为90纳米，主要由ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、Al2O3、ZnO、SiO2构成，尤其以纳米氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化锰为主。热浸镀层含有Si、Ti、Mn、F、K等元素；陶化液的主要成分为：氟锆盐、氧化锆、高锰酸钾、高氯酸钾、氟钛酸、氟化锆、硝酸、柠檬酸钠、KH560。
热冲压工艺，在含有氧的气氛中，在650℃以下的温度区间加热速度控制在13℃/s，在850℃的温度区间保温14分钟，之后进行热冲压，热冲压过程中的冷却速率为50℃/s，冷却终点温度控制在50℃。
镀层在加热的过程中没有蒸发现象，并完全转变成铁合金。
实施例5：
镀层为锌的热压成型钢板，镀层的成分组成为：0.23％Al、其余为Zn，钢板为：0.25％C,0.5％Si，2.0Mn，0.3％Mo，0.05％Ti，0.5％Cr，采用陶化工艺进行离线处理，将镀层钢板浸没到陶化液中，取出之后进行烘干。烘干温度为120℃，该陶瓷膜的厚度为800纳米，主要由ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、Al2O3、ZnO、SiO2构成，尤其以纳米氧化锆、氧化铝、氧化锌为主。热浸镀层含有Si、Ti、B、F、K、Na等元素；陶化液的主要成分为：氟锆盐、四氯化锆、硝酸钾、氟钛酸、硼酸、氟化锆、柠檬酸钠、KH560。
热冲压工艺，在含有氧的气氛中，在650℃以下的温度区间加热速度控制在6℃/s，在890℃的温度区间保温7分钟，之后进行热冲压，热冲压过程中的冷却速率为25℃/s，冷却终点温度控制在300℃。
镀层在加热的过程中没有蒸发现象，并完全转变成铁合金。

Claims (3)

1.一种耐高温锌基镀层钢板的热成型方法，其特征在于：所述耐高温锌基镀层钢板含有锌及锌合金热浸镀层，热浸镀层表面具有陶瓷化学转化膜；所述的陶瓷化学转化膜厚度为10-1000纳米；所述的陶瓷转化膜包括ZrO2、ZrOF2、Zr2OF2、及MgO、Al2O3、ZnO三种中的一种或几种；所述耐高温锌基镀层钢板制造方法为：将含有锌及锌合金热浸镀层钢板进入陶化液中，或者将陶化液均匀涂覆到含有锌及锌合金热浸镀层钢板表面，经过50～130℃的温度烘干，在烘干的过程中溶液与钢板表面发生化学反应，在镀层表面生成一层陶瓷化学转化膜；所述的陶化液为含有锆的化合物的溶液；热成型方法为：在含氧气氛中将钢板加热至850～950℃，在650℃以下的温度区间加热速度控制在15℃/s以下，在850～950℃的温度区间保温3-15分钟，之后进行热成型，热成型过程中的冷却速率大于20℃/s，冷却终点温度控制在50～350℃；热成型后钢板表面由钢基体到表面依次为铁基固溶体层、金属间化合物层和氧化物-陶瓷化学转化膜结合层；所述的金属间化合物层以Fe-Zn化合物为主；所述的氧化物以氧化锌为主。
2.根据权利要求1所述的耐高温锌基镀层钢板的热成型方法，其特征在于：所述的热浸镀层含有Si、Ti、Mn、Ca、Na、K、B中的一种或几种元素。
3.根据权利要求1所述的耐高温锌基镀层钢板的热成型方法，其特征在于：所述的热浸镀层中锌的质量百分含量60％以上。
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