国内外高性能热镀锌板发展概况

国内外高性能热镀锌板发展概况北京钢铁研究总院1、目前我国钢铁工业在品种、质量、成本、服务和劳动生产率方面与世界先进水平仍存在一定差距，面对日趋激烈的的国际国内市场竞争，必须加快结构调整步伐，这不仅是我国冶金工业生存与发展的需要，也是当今世界冶金工业的发展趋势。热镀锌（HotDipGalavnizing）发明于18世纪中叶，它是由热镀锌工艺发展而来。钢带连续热镀锌工艺历经五十年的发展，已经成为一种工艺成熟的、技术先进的工业技术，至今为止，热镀锌仍是钢材防蚀方法中应用最普遍的、最有效的工艺措施。在建筑工业中,用于各类工业及民用建筑的轻钢龙骨、建筑层面板、瓦楞板、卷帘门等；在家电和轻工业方面，用于各类家用电器的外壳和底板；镀锌钢板广泛用于轻工、加电、汽车和建筑工业。在汽车工业中，用于汽车车体的、外壳、内板、底板等。我国大力发展电力、交通、通讯、能源和城市基础建设，随着建筑、家电、汽车工业的强劲发展，我国镀锌行业面临前所未有的机遇和巨大的市场。近二十年来钢带连续热镀锌技术、装备以及相应的控制手段均有巨大的发展，使镀锌板得以满足汽车面板和家电用板的苛刻要求，并从而以其比电镀锌合金钢带廉价、耐蚀性优异而大有取代之势。本课题拟借鉴国外先进的高性能汽车用热镀锌生产技术与装备开发技术及经验，通过技术创新、优化设计、精密制造以及国外技术合作，突破制约我国高性能汽车用热镀锌钢板生产技术与装备发展瓶颈。同时探讨热镀锌技术发展在国民经济可持续发展、节约能源、矿产方面的重要意义和前景。2、汽车用高档热镀锌板国内外的发展形势汽车工业产品具有高效、高可靠、高集成的要求，汽车用热镀锌钢板是镀锌钢板中的精品和极品。自1975年美国首次把热镀锌板应用于汽车工业的20多年间，世界各汽车生产大国都在努力开发和研制以防腐蚀为目标，并综合考虑焊接性、涂敷性和成型性的高质量热镀锌板，并取得了一系列的技术进步，其中包括钢基体的化学成分，钢板表面的轧制质量，热镀锌镀层厚度的均匀性，合金化的最佳结构及工艺控制等一系列技术问题。经过20年的研究，上述的技术问题及完成此项技术要求的工艺装备已基本得到解决而开始大量应用于汽车上，这些技术的成功应用可极大地改善汽车工作状态、延长寿命并节省能源。高表面质量、高强度和高深冲性是汽车面板所必需具备的基础条件,镀层表面质量与薄板表面质量粗糙度、清洁度、带钢化学成分及其冲压成型性有直接的关系，同时热镀工艺、锌液成分、热镀设备也是影响镀层表面质量的重要因素。高强度和高冲压性与热镀锌基板化学成分、物理性能、热处理工艺以及热镀性能都有密切关系，下面将重点论述国外与国内汽车用高挡热镀锌板镀层品种、基板、工艺及设备等方面的发展现状及趋势。2．1国外的热镀锌板的发展趋势2．1．1热镀锌镀层品种的发展现状1）无铅热镀锌镀层美丽的锌花是传统的热镀锌板的典型特征，由此获得用户的青睐，具有一定的商业价值。但是研究表明锌花表面的不平整性，镀层中的铅含量会影响镀层板在后序加工中的加工性能、涂装性能和使用中的耐蚀性，因此自60年代起国外一直在研究无锌花和小锌花的生产技术。通过水雾冷却，Heurfey喷锌粉等工艺，可以增加晶体结晶成核数量和控制晶体生长，达到生产小锌花板的目的。80年代起国外开始研究无铅热浸锌技术，目前欧洲、南美新建镀锌生产线均采用无铅镀锌工艺，无铅镀锌已成为当前热镀锌发展的趋势。2）热镀锌板合金化镀层在热镀锌品种中，通过镀后热扩散处理，开发了合金化镀锌板，耐蚀性较普通热镀锌板提高了一倍以上，通过这种合金化处理可以消除镀层表面锌花；同时减少了点焊时锌的蒸发量，降低了点焊机铜电极受锌蒸汽污染的程度，从而提高了电极的寿命。为确保合金化镀锌板镀层的良好附着性，对于汽车用外板的较厚的合金化镀锌板采用了高效的加热和冷却措施（高效烧咀、或感应加热器），并配备各种类型的合金化传感器，通过仪器分析和电脑指令及时调整镀层中相应的结构，以生产适于高冲压变形的要求。由于汽车用在冲压成型时的条件，除要求钢板基体具有必要的优异的机械性能外，对镀层（合金化层）附着性的要求也十分苛刻。近20年，对合金化镀锌板冲压成型性与镀层微观结构之间的关系进行大量的研究，结果表明，取得了良好的镀层附着性的关键是镀层相结构及铁含量。为获得最佳的镀层相结构和合适的铁含量，而开发出镀层的均匀化技术和合金化控制技术。为了严格控制镀层的相结构，必须对合金化过程中的加热和其后的冷却过程进行精确的控制。其措施如下：（1）在合金化的加热区和保温区之间设置镀层反射因素测定素，以测定镀层表面的合金化，控制钢带温度保持在δ1相稳定形成的温度区间内（激光束法）；（2）在保温和喷雾冷却区之间设置高温度计和发射率测定器，以便同时测量钢带温度和发射率；（3）经冷却后的钢带在适当的位置合金化相结构传感器以测量镀层中铁含量及层中δ1、Γ和ζ各相层的厚度（荧光法或X-射线衍射法）；（4）钢带经过气刀后进合金化炉前以及在相结构传感器之后均设置镀层厚度（重量）测定仪（荧光X-光法）3）二层合金化热镀锌钢板合金化镀锌板在涂漆时易发生气泡等涂膜缺陷，新日铁研制出二层合金化热镀锌钢板。该二层合金化热镀锌钢板镀锌层的构成，在钢板底层进行热镀10%FeZn合金层，其锌附着量5年防锈蚀用30g/m2，10年防锈蚀用60g/m2，其上层则采用电镀锌富铁80%FeZn层，其附着量为3g/m*2。实验结果表明，新研制二层合金化热镀锌钢板，底层10%FeZn，附着量30~60g/m2，完全可以满足汽车耐蚀性要求。其上层富铁80%FeZn层附着量3g/m2，上层硬度得到提高，既解决了弧坑状缺陷,也降低了冲压力。例如，80%FeZn层附着量为1g/m2时，其硬度为300HV，冲压力为1960Mpa,此时仍有弧坑状缺陷；当附着量3g/m2时，其硬度为350HV，冲压力为1770MPA，此时无弧坑状缺陷，它说明了新研制的二层合金化热镀锌钢板具有良好的加工成型性能。4）差厚锌层用控制气刀压力的方法，常常使两面镀锌层厚度差比为1：3。这样锌层厚的一面耐蚀性好，薄的一面焊接性好，这个品种常用于汽车制造。5）单面镀层单面锌层即一面镀一定的锌层厚度，而另一面不镀锌的热镀锌板。单面热镀锌板的生产方法有疏锌法、直接法、间接法和双层分离法。单面热镀锌板主要用于汽车制造，有锌层的面防腐，无锌层的面有利于点焊。由于合金化板（锌-铁合金）具备良好的焊接性，所以单面镀锌板已逐步被淘汰。2．1．2热镀锌基板的发展现状汽车板热镀锌机组以生产外板为重点，生产规格板厚多在0.6~1.2mm之间，板宽多为800~1850mm，最宽可达到2000mm。产品级别相当复杂，从CQ、DQ、DDQ、EDDQ（IF），到BH、DP、TRIP等汽车用高强度钢板。通过采用多种先进技术，使镀层形貌、厚度精度等得到精确控制，如镀层厚度误差小于2~3g/m2。通过采用无铅镀锌可生产无锌花钢板，这种镀层不易产生晶间腐蚀，使用寿命长，适用于汽车和电器行业。日本几乎每套热镀锌机组都设置了锌铁合金化炉，锌铁合金化镀层板（Galavneal）标准镀锌层厚度为双面160~180g/m2，合金镀层含Fe8%~12%[2]。国外在20世纪70年代开发了微合金钢和磷合金钢，80年代中期开发了双向DP钢和烘烤硬化钢，90年代开发了相变、诱导塑性TRIP钢[3]。目前，国际合作项目“超轻型钢制车体（ULSAB）开发”正在顺利进行，其目标是要达到行车油耗34KM/3L（美国），车体减重25%。在车体结构上大量采用高强和超高强钢板是其基本出发点。超轻型钢制车体通过大ULSAB的最大特点是：并不以牺牲性能而达到减轻车重的目的[4]。超轻钢车以车体结构用高强度钢的比例超过90%作为设计依据，日本在1985~1995年的十年间，车身高强度刚的比例由10%增加到30%，随着表面处理性能的提高，汽车寿命从6。7年延长到9。3年，扣除高性能化钢板制造时的能源增加，一年可以节省357*104L重油，几乎相当于节省国内钢铁业能源消耗量的百分之几。2000年在日本汽车制造中，高强度钢板的使用已达36.3%。现将目前开发出的热镀锌基板的种类和性能分述于下。6）IF钢合金化镀锌板采用优质的沸腾钢和镇静钢难以生产适合汽车冲压成型要求苛刻的镀锌板。为此上世纪70年代出现了IF钢（无间隙原子钢），它具有极好的冲压成型性，它从而适应于汽车的内、外面板。IF钢具有优异的深冲性能，可满足大部分难冲压件的冲压要求，因而正在逐渐取代08AL系列的汽车用钢，目前国外已经在DDQ极钢板上大量应用了IF钢。各高强度钢也是在IF钢的基础上，通过添加Mo、Cu、P等元素来生产的。IF钢的出现对钢铁企业的技术水平和管理水平提出了更高的要求。在技术方面，必须采用铁水预处理技术，保证用低磷、硫、硅的铁水作为炼钢原料；必须采用炉后精练技术和在线的碳、氧分析技术，保证钢水高的成分准确性和纯净度；必须采用RH（中超低碳钢高速脱碳工艺），保证钢水极低的碳和气体含量，必须采用低碳的覆盖剂、保护渣和耐材，保证钢水不回碳，对于汽车外板，必须清理板胚表面；必须采用从加热到精轧和卷取间的板带温度控制技术，保证热轧带钢均匀的机械性能；必须采用高精度热轧、冷轧技术，保证极佳的板形和高精度的尺寸以及防止产生辊印和卷取缺陷的技术等等。一贯制生产过程质量保证体系十分必要，也就是说，在炼钢、连铸、热轧和冷轧的每一道工序，都必须严格按照产品的最终用途来组织生产，特别是在频繁改变钢材品种时候，必须采用相应的措施来保证最终产品的质量。另外一个重大的课题是，如何通过综合的整体生产系统，将镀锌生产线与其他生产工序连接起来，以最大程度降低成本。总之，生产汽车用镀锌板对于每个钢铁企业，特别是国内的钢铁企业，都是一个非常大的挑战。7）固溶强化型钢板的热镀锌为了提高钢的强度，通常添加Si、Mn和P等元素进行固溶强化，并利用马氏体和贝氏体的组织强化，对于DP双相钢，通过控制合金元素含量和采用临界冷却速度可获得马氏体组织。作为汽车面板的要求是低的屈服强度ós〈240Mpa〉）和高的￥值。在IF钢中加P、Mn、Si等固溶强化元素，由于此钢无固溶C和N存在，基本上是非时效性钢板。但无固溶C存在时易引起二次加工脆化，故可加入微量B以防止。以P为主要强化元素时ób可达340~370Mpa，而以Mn、P为主加入时。其ób可达390~440Mpa[5]。8）烘烤硬化型（BH钢）及热处理强化型钢板BH钢是指烘烤硬化钢。IF钢属于超低碳钢，BH钢的含C量为0.016~0.020%，利用应变时效而强化的方法，在超低C钢中使残余的微量（5ppm）的固溶C，在冲压成型时产生位错，而在以后进行涂装烘烤（170℃，20min）时会析出Fe-C化合物而将位错固定，从而使其强度增高。采取调整化学成分生产的BH冷轧钢板也具有较好的深冲性能，添加Nb、Ti等微量元素，在轧制状态下使其形成碳氮化合物。其R值为1.92~2.06。这种BH冷轧钢板在涂漆烘烤温度170`C下可使汽车零部件抗拉强度提高40~70MPA。目前已研制出340Mpa级BH冷轧钢板[6]。9）组织强化型高强度钢板通过改变钢的微观组织可在大范围内提高其强度（440~1470Mpa），目前开发出三种高强度级别的钢板，其代表性的钢有双相（DP）钢板和贝氏体钢板。此钢的屈服强度低，加工硬化指数高，成型性好。此外，TRIP（变态诱发超塑型钢）及超高强度钢板等均有希望大规模应用于汽车。目前这些钢板的热镀锌及合金化合处理，除DP钢板有少量热镀锌的研究以外，其他高强度钢板尚未开展研究[7]。这些钢板的热镀锌和合金化处理技术上会有一定的难度，需要我们去探索[8]。热镀锌基板的研究必须与热镀锌工艺相结合起来，否则即使基板达到要求的性能，镀锌工艺不能满足要求也达不到目的。2．1．3镀锌工艺技术的发展为了获得优质的表面，90年代国外新建的镀锌生产线大量采用美钢联法，美钢联法采用高密度电解脱酯技术（HCD）可以快速有效地清除表面的油污，同时在还原退火炉中美钢联法用全辐射管替代改良森吉米尔法中的明火加热，因此可以严格的控制温度和气