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无机系无铬酸盐涂层钢板的开发


  近年来,由于对环境和谐的关注,“绿色供应”等减少环境负荷物质的要求提高。在表面处理钢板领域,由传统的铬酸盐钢板置换为不含6价铬的无铬酸盐钢板。JFE钢铁领先于这种环境需求,目前已开发出具有导电性、耐腐蚀性、耐指纹性和滑动性等特性的高功能化学处理钢板“环保前沿”(Eco Frontier)系列。

  表1是以热镀锌钢板、合金化热镀锌钢板以及铝锌合金镀层钢板为基板的无铬酸盐化学处理钢板系列。与电镀锌相比,热镀锌基板,较容易使锌附着量高,所以防腐蚀性优越。而且,铝锌合金钢板通过将镀层成分设计为55%Al-Zn,其特点是进一步提高了耐腐蚀性。因此,多数用于冰箱、洗衣机等白色家电和作为户外用途的空调室外机、自动售货机和热水器等腐蚀环境严酷的制品和部位。
 
表 1 热浸镀锌钢板“Eco Frontier”系列

基底金属
 分类
 名称
 特征
 
纯锌(GI)
 一般用
 JC
 有机涂层
 
JM
 无机涂层
 
Zn-Fe(GA)
 一般用
 JC
 有机涂层
 
55%Al-Zn(GL)
 高耐腐蚀性
 JK
 抗划痕
 
高润滑性
 JW
 优良耐腐蚀性

  本文介绍了用于加热部位的、以热镀锌钢板为基板的、无机系涂层的无铬酸盐钢板Eco Frontier JM(以下简称为JM)的各种特性。

  1 开发理念

  1.1 加热导致的涂层变色和损伤

  许多无铬酸盐化学处理钢板的涂层中含有有机树脂成分。特别是在重视耐腐蚀性用途的材料中,可以较容易地将涂层厚膜化,所以,大多是用于以有机成分为主的涂覆层的制品。但是,在高温加热部位采用这种化学处理钢板时,由于加热会产生变色和外观不良的情况。这是因为树脂成分的热分解所致,无机主体的铬酸盐处理钢板没有这种问题。必须考虑这种加热变色的部件有空调室外机等热交换构件,例如在钢板上钎焊使致冷剂循环的铜管时,钎焊部位周围的钢板被加热,曝露在高温下。

  图1是以热镀锌钢板为基板,将具有有机树脂成分为主体的无铬酸盐涂覆的钢板(以下称有机系无铬酸盐材),模拟上述的加热部位,用红外线加热炉加热到板温500℃,保持30s,空冷到室温后的外观。由于加热,无铬酸盐涂层变为茶褐色,外观上有龟裂。图2是加热前后涂层的电子探针显微分析仪(EPMA)的分析结果。总体上C强度减少和Fe强度增加显著,在龟裂部位C强度减少特别显著。图3是扫描电子显微镜(SEM)从斜方向观察加热后变色部位的结果。

图1 传统无铬酸盐钢板加热前后的外观

图2传统无铬酸盐材表面加热前后的电子探针显微分析仪(EPMA)分析

图3传统无铬酸盐材表面加热后的扫描电子显微镜(SEM)图像

 
  从图中可知,在龟裂部位没有观察到涂层,加热后基板只剩下零碎的镀层。在龟裂部位观察的基板的镀锌表面出现凹凸。

  根据这些结果,如图4所示,镀层的锌和基板由于加热而合金化,生成Zn-Fe合金,不随其基板的形状变化和体积膨胀,涂覆层产生分离、剥落。并认为由于加热,树脂成分热分解变色,成为图1所示的外观。
 

图4 传统无铬酸盐材加热导致的变色和裂纹发生机理

 
  1.2 涂层设计的想法

  采用有机系无铬酸盐材时,由于部件制造工序的加热,外观可能发生很大变化。

  为了抑制加热时的变色,降低涂层所含的有机树脂成分是有效的方法。减薄涂覆层,在加热导致镀层体积膨胀时即使对涂层产生应力,也只是微小的涂层损伤,不使外观上产生大的变化。但是,薄膜化会降低耐腐蚀性,所以,薄膜高耐腐蚀性很重要。

  在此,在降低有机树脂成分的同时,为了实现既薄膜又保持高耐腐蚀性,以过去开发的无铬酸盐化学处理钢板的技术诀窍为基础,在下列三种理念下进行了开发。

  1)运用具有高屏障性的无机高分子;

  2)采用新型防锈剂的自我修复性;

  3)运用酸成分对热镀锌表面腐蚀的反应生成物强化界面密合性。

  其结果,通过采用形成无机高分子的新型金属氧化物,开发了使用热镀锌钢板为基板的无机系成分主体的涂层。图5是涂层的设计理念。
 
图5 新开发的Eco Frontier JM的设计理念
  2 评价方法

  2.1 试验材

  使热镀锌钢板(Zn附着量:40g/m2)形成新开发的无机系无铬酸盐涂层:JM(Zn附着量:0.5g/m2)。涂层干燥条件为用感应加热装置最高达到板温100℃。比较材使用的是在同样的镀锌钢板上形成有机系无铬酸盐涂层(树脂比率:约90%;Zn附着量:1.0g/m2)和铬酸盐涂层(Cr附着量:20mg/m2)的化学处理钢板(见表2)。
 
表2 试验材
 试样(涂层附着量)
 
Eco Frontier JM
 无机系无铬酸盐涂层(0.5g/m2)
 
试样A
 常规有机系无铬酸盐涂层,有机树脂比率约90%(1.0g/m2)
 
试样B
 铬酸盐涂层(Cr 20mg/m2)

  2.2 评价方法

  2.2.1 耐加热变色性

  将试样在大气中用红外线加热炉加热到500℃后保持30s,冷却到室温后,观察其外观。

  2.2.2 平板耐腐蚀性及弯曲加工部位的耐腐蚀性

  将端部密封的平板或用内弯曲半径2.5mm进行180°弯曲的试样,进行盐雾试验(SST,JIS Z2371),观察其白锈发生状况。

  2.2.3 平板加热后耐腐蚀性

  对平板进行2.2.1节所述的加热后,密封端部,进行SST试验,观察其外观。

  2.2.4 点焊焊接性

  用下列条件连续点焊板厚0.8mm的试样,测定试样的熔核直径。

  电极:Cr-Cu合金DR(Dome radius)型,前端直径:6mm;

  加压力:2000N;

  初期加压时间:30周期/50Hz;

  通电时间:10周期/50Hz;

  保持时间:10周期/50Hz。

  3 品质特性

  3.1 平板耐腐蚀性

  图6是本次开发的无机系成分主体的热镀锌基板的无铬酸盐化学处理钢板JM和比较材含有机树脂系涂层的试样A以及铬酸盐材试样B的平板耐腐蚀性。SST120h后JM只观察到极少的白锈,呈现出与试样A和试样B同样良好的耐腐蚀性。
 
 

图6 盐雾试验(JIS Z2371)120小时后的外观

 
  3.2 弯曲加工部位的耐腐蚀性

  图7是180°弯曲加工部位的SST 24h和72h后的外观。试样A和B在72h后弯曲部位被白锈覆盖,而JM发生白锈很少,在弯曲加工部位也呈现良好的耐腐蚀性。 推测这是由于JM成分中新型防锈剂的自我修复作用。
 
 
图7 盐雾试验(JIS Z2371)后的180º弯曲部位外观

 
  3.3 耐加热变色性

  图8是加热后的外观。试样A变为茶褐色,裂纹显著发生,而JM的变色和裂纹都较轻,接近试样B的外观。
 
 
图8 加热后的外观

 
  3.4 加热部的耐蚀性

  图9是加热试样的SST 24h后的外观。JM的白锈发生状况与试样B接近,加热后的耐腐蚀性也与试样B相同。
 
图9 盐雾试验(JIS Z2371)24小时后加热材的外观
  3.5 点焊焊接性
  图10是连续点焊时熔核直径的变化。试样A和B在焊接数约400时没有形成熔核,而JM在焊接数600之前一直保持稳定的熔核直径。这表示JM薄膜,所以焊接时的通电性优越。

图10 点焊焊接性

  4 结语

  介绍了本次开发的“Eco Frontier JM”的涂层设计理念和品质特性,并与有机系无铬酸盐钢板和铬酸盐钢板进行了比较。JM是无机系涂层,加热时的外观变化小。而且,因为具有高屏障性和界面密合性以及自我修复性功能,所以,不仅是平板,而且在弯曲部位和冲压加工部位的耐腐蚀性也良好。因此,有望用于在严酷的腐蚀环境下,要求更高耐腐蚀性的制品及部位。

节选自《世界钢铁技术月刊》2014年第1期
 


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