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基于常規(guī)鍍鋅鋼帶的PVD鍍膜的新型的高度抗腐蝕鋅合金鍍膜已經(jīng)開發(fā)出試驗規(guī)模的樣機(jī)。在本文中，報道已成功把這種技術(shù)升級到具有速率為60m/min的帶寬為300nm的連續(xù)試驗型生產(chǎn)線的情況。這條試驗型生產(chǎn)線的PVD技術(shù)包括了不同的等離子體清洗工藝，利用輻射加熱的熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)。將給出利用在已經(jīng)常規(guī)鍍鋅的鋼帶上蒸發(fā)各種金屬的附加膜層的鍍膜進(jìn)展的最先結(jié)果。
介紹：表面鍍膜鋼板屬于主要材料，其具有廣泛的應(yīng)用，尤其在汽車、建筑和家用器具等工業(yè)。目前，鋼鐵制造商面臨用戶對鋼板復(fù)雜輪廓的日益增加的需求。除了有效的改善腐蝕保護(hù)的工藝外，諸如成型、連接和上漆等工藝也是必要的。然而，裝飾用的最終面貌如顏色和結(jié)構(gòu)以及表面性能(如抗刮傷或者抗指紋性能)變得日益重要。
然而，尤其在關(guān)于鋼帶表面熱處理的常規(guī)基本功能，也就是腐蝕保護(hù)方面明確地存在著更進(jìn)一步的挑戰(zhàn)：未來鍍膜系統(tǒng)的特殊的腐蝕保護(hù)必須得到充分的發(fā)送，以便與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比盡可能顯著減少整體的鍍膜厚度。這需要著力于開發(fā)未來的鍍膜鋼板材料，這種需要源自各種應(yīng)用領(lǐng)域的不同趨勢，比如使用日益減薄的鋼板的小截面鋼結(jié)構(gòu)和防止不必要的資源消耗的需求。
現(xiàn)代對鋼板的腐蝕保護(hù)的概念表征為一種鋅或者鋅合金和一種或多種不同有機(jī)物的鍍膜的綜合。在鋼表面損傷時，鋅會陰極保護(hù)暴露的鋼鐵表面并且溶解自身。鋅合金的自由電勢越低，鋅合金的陰極保護(hù)作用的效率就越高。因此，關(guān)于優(yōu)化這些電化學(xué)性質(zhì)的新型鋅合金膜的開發(fā)是很有潛力的。
然而，人們越來越明顯地認(rèn)識到，完全使用可利用的如熱浸鍍或者電鍍等傳統(tǒng)的連續(xù)鋼帶鍍膜工藝來設(shè)計新型的鋅合金鍍膜膜機(jī)的可能性是很有限的。從而，不得不考慮使用如氣相沉積尤其是PVD等鍍膜工藝。不管怎樣，這樣的工藝升級到一條走帶速度達(dá)到200m/min并且?guī)挒?m的連續(xù)高速帶材鍍膜加工線上并且以合理的成本運行是可行的也是必要的。
本文基本包括兩個部分。在第一部分中，將描述一種利用PVD研制的高度抗腐蝕的鋅合金膜的新型的聯(lián)合方法。在第二部分中，將報道把這種方法成功升級到一條具有鍍膜速率達(dá)到60m/min和帶寬為300的連續(xù)試驗型生產(chǎn)線的情況。這種基礎(chǔ)工作會認(rèn)為是升級到工業(yè)前的一個中間步驟。
1、發(fā)展中的新型鍍鋅合金鍍膜的聯(lián)合方法
PVD為新型鋼帶鍍膜系統(tǒng)的有意義的發(fā)展方法提供了可能。特別是利用電子束蒸發(fā)和熱噴射蒸發(fā)可以獲得定制的幾μm/s的很高的沉積速率。因此，這些工藝對于連續(xù)鋼帶鍍膜在理論上是可行的。與傳統(tǒng)鍍膜工藝相比，這種PVD工藝具有關(guān)于所應(yīng)用的鍍膜材料的高度靈活性和高度的環(huán)境兼容性的優(yōu)點。
在完全的PVD方法里面，金屬化鋼板鍍膜是全部利用PVD進(jìn)行的。因此，膜厚在幾μm級別的鍍膜不得不用氣相沉積。在聯(lián)合方法中，鋼基底已經(jīng)以利用傳統(tǒng)的電鍍或者熱浸鍍的鋅膜或鋅合金膜作了準(zhǔn)備。利用PVD，薄的附加膜層在膜厚為典型的約為100nm的級別時是適用的。這樣，膜層的性質(zhì)就可以修改，同時也可以提供附加的功能性質(zhì)。這種方法提供了把傳統(tǒng)鍍膜工藝的高效率和上面提及的PVD的在鍍膜設(shè)計方面的靈活性聯(lián)合起來的優(yōu)點。
在圖1中用示意圖說明了聯(lián)合工藝的特定步驟。首先，鍍鋅鋼板要遭受到一次徹底的濺射刻蝕，以去除與鋅膜一起來的氧化層。在第二步，附加的薄金屬膜擇優(yōu)利用熱噴射或者電子束蒸發(fā)的PVD方法進(jìn)行沉積。得到的兩個膜系最終遭受特定的短期的加熱退火，退火溫度通常在250～400℃的范圍內(nèi)。這次處理使得在兩個膜層間發(fā)生充分的相互擴(kuò)散作用，這樣就形成了一個合金膜層。必須注意的是，熱處理要小心調(diào)整以避免在膜層和在下面的鋼基底之間發(fā)生多余的合金化作用。另一個重要的問題是關(guān)于退火的氣氛，尤其是氧氣的分壓，因為在相互擴(kuò)散作用完成前應(yīng)該避免薄的附加膜層的大規(guī)模表面氧化。
顯然，鋅合金膜微觀結(jié)構(gòu)的形成取決于如相互內(nèi)部擴(kuò)散的動力學(xué)和成核現(xiàn)象以及金屬間相的形成。因此，將得到不同的膜層結(jié)構(gòu)，這取決于附加膜層的化學(xué)成分和短時間退火的溫度/時間特性。如果如附加的鋅合金或鎂合金膜是適用的，那么合金膜就以包含一層金屬間鐵鋅相或者鎂鋅相的緊湊頂層和基本由純鋅組成的底層組成的膜層結(jié)構(gòu)為特征(圖2)。在如鎂合金膜的情況下，在一定的溫度極限以外，相互間擴(kuò)散可能很快以致鎂擴(kuò)散到整個原始鋅膜層內(nèi)并且可能富集在膜層和鋼的分界面區(qū)域(圖3)。
從鍍膜的微觀結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)可能會產(chǎn)生有意思的膜層特性。聯(lián)合的鐵鋅和鎂鋅膜層的值得注意的雙膜層結(jié)構(gòu)使人想到鍍鋅層退火處理的有益性質(zhì)，比如良好的著漆粘附性和著漆后的腐蝕保護(hù)可以與純鋅膜層的展延性和良好的成型性能結(jié)合起來，這樣就可能避免純合金膜時的固有脆性。利用試驗規(guī)模生產(chǎn)樣機(jī)進(jìn)行的相關(guān)應(yīng)用的試驗的首次結(jié)果實際上是證實了上面的建議，而且也表明了存在著用于優(yōu)化鍍膜的一種明顯趨勢。
鋅鎂合金膜不僅能在著漆或未著漆狀態(tài)下提供良好的腐蝕保護(hù)，而且也展現(xiàn)了幾乎和純鋅膜一致的展延性(圖4)。因此，常規(guī)鋅合金膜層的典型的有害的脆性，特別是鍍鋅層退火處理后導(dǎo)致在成形和沖壓工藝中磨損增加的現(xiàn)象都可以避免。
由于傳統(tǒng)純鋅膜的腐蝕保護(hù)可以利用顯著更薄的鋅合金膜來獲得，這樣的應(yīng)用會使聯(lián)合鋅合金膜的吸引人的經(jīng)濟(jì)性得以呈現(xiàn)。這對這樣的鍍膜鋼板的工藝行為是有利的，尤其在成型工藝中在、減少膜層磨損和延長點焊電極的壽命方面。2、連續(xù)鋼帶鍍膜的試驗型生產(chǎn)線
為了實現(xiàn)如前面章節(jié)所描述的聯(lián)合工藝的新型鍍膜概念，一條具有模塊式結(jié)構(gòu)包含很多新鍍膜技術(shù)的用于鋼帶連續(xù)處理的試驗型加工生產(chǎn)線被幾個合作者(工業(yè)的和科研的團(tuán)體)的 聯(lián)營企業(yè)安裝在DOC。這條試驗型生產(chǎn)線的目的是用于為鋼帶特別研發(fā)新型鍍膜系統(tǒng)和工藝。所有的工藝模塊是按走帶速率達(dá)到60M/MIN和帶寬達(dá)300MM設(shè)計的。這樣就可以 獲得有價值的經(jīng)驗，以便把這些工藝升級到工業(yè)規(guī)模。在具有全長接近80M的試驗型生產(chǎn)線上實現(xiàn)和結(jié)合的不同的新鍍膜技術(shù)顯示在圖5中。PVD工藝技術(shù)是被凡阿那研究所和夫瑯和費金屬與電子技術(shù)協(xié)會通過緊密合作來研發(fā)和實現(xiàn)的.
