Способ и аппарат для производства стальных изделий с металлическим покрытием

Изобретение относится к способу и аппарату для производства стальных изделий с металлическим покрытием и может найти использование в металлургической промышленности и машиностроении. Способ включает стадии: производства стального изделия с металлическим покрытием, добавления дополнительного металлического элемента к указанному покрытию и термической обработки указанного изделия. Перед добавлением указанного дополнительного элемента указанное изделие подвергают плазменной обработке посредством диэлектрического барьерного разряда для очистки и активации поверхности указанного покрытия; указанный дополнительный элемент добавляют с помощью физического осаждения из разреженной паровой фазы. Указанную термическую обработку осуществляют путем направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия. Аппарат включает средства для осуществления плазменной обработки на изделии с металлическим покрытием, средства для добавления дополнительного элемента к указанному покрытию путем физического осаждения из разреженной паровой фазы и средства для направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия. 2 н. и 10 з.п. ф-лы.

 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к производству стальных изделий с металлическим покрытием, в частности оцинкованных или алюминированных изделий или изделий, имеющих покрытия, содержащие цинк и алюминий, где дополнительный легирующий элемент, такой как магний, добавляют в покрытие для улучшения коррозионной устойчивости.

Уровень техники

Лучшим из известных путей повышения коррозионной устойчивости стальных изделий является обеспечение металлического покрытия, такого как цинковое покрытие (Zn-покрытие) или алюминиевое покрытие (Al-покрытие). Разработаны стальные листы, покрытые горячим комбинированным сплавом цинк-алюминий (Zn-Al), таким как Zn+5% Al (Galfan) и Zn+55% Al+1,6% Si (Galvalume). Они обладают более высокой коррозионной устойчивостью, чем оцинкованная сталь, поскольку обладают как способностью цинка к предотвращению коррозии, так и пассивирующей способностью алюминия.

Известно, что, кроме алюминия, магний также обладает благоприятным эффектом коррозионной устойчивости. В частности, доказан благоприятный эффект магния на стальных листах, покрытых путем горячего цинкования сплавом Zn-Al. Некоторые покрытия, содержащие магний в дополнение к Zn и Al, с улучшенной коррозионной устойчивостью разработаны и выпущены в продажу. Большинство этих покрытий производят путем легирования в ванне в процессе горячего цинкования.

Другой подход к получению Mg-легированных металлических покрытий начинается с металлического покрытия горячим цинкованием (например, оцинкованным цинково-алюминиевым (Zn-Al) или алюминированным алюминий-кремниевым (Al-Si) покрытием) или электролитическим цинкованием Zn, затем добавляют магний на поверхность покрытия с помощью физического осаждения из разреженной паровой фазы с последующей тепловой обработкой для диффузии магния в покрытие и получают магний-легированное покрытие. В этом случае тонкий слой магния (обычно менее чем 1 мкм) осаждают в вакууме. После эту двухслойную систему покрытия подвергают диффузии-отжигу. При данной тепловой обработке магний диффундирует в металлическое покрытие и образует интерметаллические соединения (например, MgZn₂, Mg₂Zn₁₁). В результате металлическое покрытие состоит из легирующего покрытия на поверхности общего металлического покрытия или из металлического покрытия с распространенными по всей толщине интерметаллическими соединениями. Эта последняя методика известна, например, из документа WO-A-0214573, где покрытие получают путем вакуумного напыления Mg на Zn-покрытии с последующим индукционным нагреванием в защитной атмосфере (HNx, N₂, Не или Ar).

Недостатком индукционного нагревания является то, что это нагревание действует с внутренней стороны оцинкованного стального субстрата. Это приводит в результате к тому, что существует риск гальванического отжига Zn-покрытия, то есть риск прохождения реакции Fe-Zn. Это явление несколько замедляется в случае покрытия горячим цинкованием, где гальванический отжиг требует разрушения ингибирующего слоя Fe₂Al₅ с образованием интерметаллических соединений Fe-Zn. Однако в случае электрооцинкованного субстрата реакция Fe-Zn начинается даже раньше, поскольку отсутствует интерметаллический слой Fe-Al на поверхности сталь/цинк. Результатом этой реакции Fe-Zn главным образом является потеря пластичности покрытия.

В случае Mg-напыления необходимо очистить и активировать поверхность покрытия перед напылением. В частности, оксидный слой нужно удалить с поверхности оцинкованных горячим цинкованием или алюминированных изделий, чтобы дать возможность Mg диффундировать в металлическое покрытие, либо переходную эмульсию поверхностного слоя необходимо будет удалить в случае, когда добавление Mg имеет место после прохода поверхностного слоя, то есть стадии отверждения-проката. В соответствии с предшествующим уровнем техники это можно сделать путем щелочного обезжиривания, который, однако, не является компактным процессом в том смысле, что такая стадия обезжиривания требует большого физического пространства в производственной линии, что нежелательно в отношении эффективности и стоимости.

В документе DE 19527515 полностью описан процесс, где плазменная обработка предшествует Fe-напылению на предварительно оцинкованный стальной лист. После добавления Fe следует термическая обработка, точные характеристики которой, однако, не идентифицированы в документе.

Цели изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка способа производства стальных изделий с металлическим покрытием, где это покрытие наносят горячим цинкованием, или электролитического покрытия, главным образом цинкования или алюминирования, с последующим напылением дополнительного металлического элемента, предпочтительно Mg. На первом месте стоит цель по изобретению способа, обеспечивающего более компактный процесс производства по сравнению с предшествующим уровнем техники, а также разработка способа нагревания, которая не вызывает прохождение реакции Fe-Zn.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к способу производства стальных изделий с металлическим покрытием, включающему стадии:

- производства стального изделия с металлическим покрытием,

- добавления дополнительного металлического элемента к указанному покрытию с последующей термической обработкой указанного изделия,

характеризующемся тем, что:

- перед добавлением указанного дополнительного элемента указанное изделие подвергают плазменной обработке для очистки и активации поверхности указанного покрытия,

- указанный дополнительный элемент добавляют способом физического осаждения из разреженной паровой фазы,

- указанную термическую обработку осуществляют путем направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия.

Согласно предпочтительному воплощению указанное металлическое покрытие выбрано из группы, состоящей из: Zn-покрытия, Al-покрытия, Zn-Al покрытия.

Предпочтительно указанный дополнительный металлический элемент представляет собой Mg и указанный Mg добавляют посредством напыления или выпаривания при низком давлении.

Согласно предпочтительному воплощению указанная плазменная обработка представляет собой плазменную обработку диэлектрическим барьерным разрядом (ДБР), имеющую место при давлении между 10000 Па и 100000 Па в атмосфере, состоящей из N₂ или смеси N₂ и H₂. Альтернативно, указанная плазменная обработка может иметь место в вакууме.

Далее, согласно изобретению, указанную термическую обработку можно проводить в инертной атмосфере или на воздухе.

Способ по изобретению предпочтительно применяют к стальному листу. Указанное инфракрасное излучение может быть направлено на одну сторону указанного листа в течение промежутка времени от 5 до 10 с или на обе стороны указанного листа в течение промежутка времени от 3 до 8 с.

Плотность энергии указанного инфракрасного излучения предпочтительно составляет по меньшей мере 400 кВт/м².

Изобретение в равной степени относится к аппарату для осуществления способа по изобретению, где указанный аппарат включает:

- средство для осуществления плазменной обработки на изделии с металлическим покрытием,

- средство для добавления дополнительного элемента к указанному покрытию способом физического осаждения из разреженной паровой фазы,

- средство для направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия после добавления указанного дополнительного элемента.

Подробное описание изобретения

Способ по изобретению включает приведенные ниже стадии, которые нужно осуществлять на стальном изделии с металлическим покрытием, предпочтительно на стальном листе, который подвергли процессу металлического покрытия горячим цинкованием или электролитического покрытия:

- Проводят очистку и активацию поверхности покрытия, подвергая указанное изделие плазменной обработке.

- Напыляют дополнительный металлический элемент на указанную поверхность с помощью физического осаждения из разреженной паровой фазы, такого как распыление или выпаривание.

- После указанного напыления подвергают указанное изделие термической обработке, направляя инфракрасное излучение высокой энергии на покрытую сторону изделия.

В предпочтительном воплощении металлическое покрытие состоит из Zn-покрытия, Al-покрытия или Zn-Al-покрытия, нанесенного горячим цинкованием/алюминированием или (в случае Zn-покрытия) электролитическим цинкованием, тогда как дополнительный металлический элемент представляет собой Mg.

Согласно изобретению стадия плазменной обработки может проводиться в вакууме. Согласно предпочтительному воплощению, однако, плазменная обработка представляет собой плазменную обработку диэлектрическим барьерным разрядом (ДБР), имеющую место при атмосферном или немного пониженном давлении, на практике от 10000 Па до 100000 Па. В данном случае атмосфера, при которой проводят плазменную обработку, состоит из N₂ или смеси N₂ и H₂. Можно применять любую из двух известных установок для плазменной обработки ДБР, а именно установку с параллельными листами и дистанционную плазменную установку. В первом случае субстрат представляет собой второй электрод и, следовательно, лист обрабатывают в плазме как таковой. Во втором случае лист обрабатывают плазмой послесвечения.

Подробности о плазменных методиках можно найти в одном или более чем одном из приведенных ниже документов: US-A-6051150, US-A-6004631, WO-A-96/38311, US-A-5669583, DE-A-19546187, ЕР-А-0467639, WO-A-01/38596, US-A-5384167.

Физическое осаждение магния из разреженной паровой фазы на покрытии осуществляют при низком давлении или в вакууме, например, с помощью выпаривания или распыления. Выпаривание представляет собой способ, который дает возможность высоких скоростей напыления и, следовательно, более высоких линейных скоростей, что особенно выгодно, если установка основана на существующей линии электроцинкования или горячего цинкования/алюминирования.

Согласно изобретению стальное изделие затем подвергают термической обработке путем использования инфракрасного излучения высокой энергии, направленного на покрытие. Это можно осуществить с помощью установки из ряда инфракрасных ламп высокой энергии, подобной установкам, которые известны в производстве цветных металлических листов (ссылка ЕР-А-1201321). Предпочтительно инфракрасное излучение высокой энергии с плотностью энергии 400 кВт/м² или более. Преимущество данного типа нагревания, кроме его скорости, состоит в том, что стальное изделие нагревают с внешней стороны. Следовательно, Mg-диффузия в Zn- или Al-покрытии легче начинается с поверхности, не влияя на границу между стальным субстратом и Zn- или Al-покрытием. Использование инфракрасного излучения высокой энергии для термической обработки изделий с металлическим покрытием до сих пор не известно, что, в основном, является следствием того факта, что без добавления дополнительного металла (такого как Mg) поверхность покрытий является более отражающей, что не дает возможности поглощения излучения, достаточного для того, чтобы необходимое нагревание имело место. Напыление Mg придает покрытию не отражающий вид, что дает возможность эффективного поглощения тепла при направлении инфракрасного излучения высокой энергии.

Согласно изобретению обработка инфракрасным излучением высокой энергии может происходить в (воздух) атмосферных условиях или в присутствии инертного газа. Последняя альтернатива дает то преимущество, что температура в конце стадии напыления является менее критической, поскольку известно, что в инертных условиях отсутствует опасность образования оксида, когда температура превышает данный предел. Инфракрасное излучение высокой энергии можно прилагать к одной стороне стального листа или к обеим сторонам. Время, в течение которого направляют излучение, предпочтительно находится от 5 до 10 с для одностороннего нагревания и от 3 до 8 с для двустороннего нагревания. Точное время облучения, прежде всего, зависит от толщины стального листа.

В связи с применением плазменной обработки и нагревания инфракрасным излучением высокой энергии данный способ по изобретению является значительно более компактным, то есть требует меньше физического пространства, чем способы предшествующего уровня техники, что дает возможность легче внедрить его в существующие производственные линии металлических покрытий.

1. Способ производства стальных изделий с металлическим покрытием, включающий стадии производства стального изделия с металлическим покрытием, добавления дополнительного металлического элемента к указанному покрытию с последующей термической обработкой указанного изделия, при этом перед добавлением указанного дополнительного элемента указанное изделие подвергают плазменной обработке для очистки и активации поверхности указанного покрытия, указанный дополнительный элемент добавляют с помощью физического осаждения из разреженной паровой фазы, а указанную термическую обработку осуществляют путем направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия.

2. Способ по п.1, в котором указанное металлическое покрытие выбрано из группы, состоящей из: цинкового покрытия (Zn-покрытие), алюминиевого покрытия (Al-покрытие), покрытия содержащего цинк и алюминий (Zn-Al-покрытие).

3. Способ по п.1 или 2, в котором указанный дополнительный металлический элемент представляет собой Mg, и указанный Mg добавляют посредством распыления или выпаривания при низком давлении.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором указанная плазменная обработка представляет собой плазменную обработку диэлектрическим барьерным разрядом (ДБР), которую проводят при давлении между 10000 Па и 100000 Па в атмосфере, состоящей из N₂ или смеси N₂ и Н₂.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором указанную плазменную обработку проводят в вакууме.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором указанную термическую обработку проводят в инертной атмосфере.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором указанную термическую обработку проводят на воздухе.

8. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором указанное изделие представляет собой стальной лист.

9. Способ по п.8, в котором указанное инфракрасное излучение направляют на одну сторону указанного листа в течение промежутка времени от 5 до 10 с.

10. Способ по п.8, в котором указанное инфракрасное излучение направляют на обе стороны указанного листа в течение промежутка времени от 3 до 8 с.

11. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором плотность энергии указанного инфракрасного излучения составляет, по меньшей мере, 400 кВт/м².

12. Аппарат для осуществления способа по любому из пп.1-11, включающий средство для осуществления плазменной обработки изделия с металлическим покрытием, средство для добавления дополнительного элемента к указанному покрытию с помощью физического осаждения из разреженной паровой фазы, средство для направления инфракрасного излучения высокой энергии на внешнюю поверхность указанного покрытия после добавления указанного дополнительного элемента.