家电用热镀铝锌板开发

zhd1998cn

1前言
    热镀铝锌板（Galvalume）自1972年问世以来，以其优异的耐蚀性和良好的外观装饰性等特点在建筑业得到了广泛的应用。我国是家电大国，许多家电产品占世界总量的70%～80%之多，随着钢板制造商生产控制水平的不断提升，热镀铝锌板性能及表面质量得到了较大提高，热镀铝锌板替代原有的热镀锌板或镀铝板逐步成为家电行业的共识。但由于家电行业使用要求与传统建筑用要求不同，如对材料的质量性能、外观质量、耐蚀性能、环保性能等要求，使得热镀铝锌板的生产工艺有所不同。
    攀钢自2004年开始生产热镀铝锌板，主要供电气柜、建筑彩涂板、建筑屋顶、墙壁、防水板装饰等用。2006年开始进行家电用热镀铝锌板生产，开发等离子电视后背板及电视机防爆带用热镀铝锌板。
    2家电行业用板特性
    家电使用群体主要是家庭, 他们对表面质量、环保性能及外观装饰性要求较高；而家电制作工艺相对复杂，对钢板成型性能等存在内在的要求。因此家电行业用板特性主要体现在：涂镀钢板的冲压成型性能、镀层质量性能、环保性能和外观装饰性。
    2.1冲压成型性能
    家电生产中需要进行复杂的冲压成型工序，一般包括折边、冲压（单道或多道）和冲孔工艺。而冲压对材质要求最高，满足冲压要求必须同时满足钢基材质、铝锌板的表面状态（粗糙度、摩擦系数）及模具的要求。家电行业对涂层钢板深冲成型性能要求表现在基板无开裂、镀层无脱落、无掉（脱）粉现象。
    在一些较复杂的使用条件下，热镀铝锌板镀层成型性能不如热镀锌板。原因在于：热镀铝锌板镀层中生成脆性Fe-Al-Zn-Si中间相，镀层冷却时有针状Si粒的析出，富铝相和富锌相区存在物理性能的差异。
    2.2镀层质量性能
    家电用热镀铝锌板必须具有良好的耐腐蚀性，镀层产品耐蚀性实际涉及到镀层耐蚀性和涂层耐蚀性。前者提供长期防腐蚀作用，后者提供短期防腐蚀作用。试验研究表明，热镀铝锌板镀层耐蚀性是同样厚度镀层的3-6倍。家电用热镀铝锌产品镀层耐腐蚀性主要体现在产生红锈，一般要求150g/m2镀层重量条件下出红绣时间平板大于2000h， T（d=T）弯曲大于1000h。家电用热镀铝锌产品涂层耐蚀性主要体现在产生黑变，一般要求NSST/24h后△L＜1或NSST/96h后△L＜10。对于耐指纹钝化产品一般还要求△E＜3.0，96h时中性盐雾实验耐蚀性≥7级。
    2.3环保性能
    家电用铝锌板需使用环保表面处理剂，随着全世界对地球环境问题的关注日益增强，欧盟RoHS指令的颁布，家电制造商均按绿色标准采购原材料。
    2.4外观装饰性
    家电用铝锌板需具有良好的外观装饰性，因为家电产品都是高光泽度产品, 钢板表面的缺陷在高光泽度下有一定放大作用，而且家电使用群体是家庭，对表面质量的挑剔程度较高。
    3攀钢家电用热镀铝锌板的开发
    3.1质量控制关键
    3.1.1涂层工艺控制
    目前热镀（铝）锌生产线的钝化装置都采用辊涂机，通过辊涂机的涂辊在带钢表面涂敷一层特殊的金属表面处理液，然后对带钢进行烘干以固化处理液，再将带钢冷却到一定温度，达到热镀锌板防锈的目的。在这个辊涂生产过程中，其辊涂机和烘干冷却工艺尤为关键。因为钝化处理后的钝化膜非常薄，一般为几个微米，若工艺控制不当，会导致钝化膜厚度偏薄及其均匀性差，从而达不到预期效果。膜重与耐蚀性有一定的联系，但并不完全是膜重越重耐蚀性越好。每一种钝化剂都有其最佳的膜重范围值，需要在实验室和工业生产中进行不断的检验调整。攀钢镀锌环保产品的开发较早，在涂层工艺控制上得到了成功的借鉴。控制膜重及其均匀性的关键环节如下：
    （1）合理控制辊涂机蘸液辊和涂辊表面粗糙度
    辊涂机蘸液辊和涂辊的材质、加工精度以及表面粗糙度直接影响钝化膜的厚度和均匀性。因此，要合理选择其材质，同时要求加工精度及动平衡都较高，表面粗糙度适中，以保证一定的蘸液效果。
    （2）蘸液辊、涂辊速度及其与带钢运行速度的比值
    蘸液辊速度的大小直接影响钝化剂被带到涂辊上的数量，涂辊速度直接影响涂在带钢表面的钝化剂的多少。因此要合理控制蘸液辊、涂辊速度及其与带钢运行速度的比值。一般来说，蘸液辊的速度低于带钢运行速度，而涂辊的速度要高于带钢运行速度，涂辊与蘸液辊的速度是调节膜厚的有效手段。涂辊与带钢速度比为1.5～2.5之间。
    （3）蘸液辊与涂辊接触压力、涂辊与带钢的压力和带钢包角
    蘸液辊与涂辊之间的接触压力、涂辊与带钢之间的压力和带钢包角同样会影响钝化膜的厚度及其均匀性，并影响涂覆胶辊的弹性压扁和引起胶辊的异常损耗。因此，压力通常是按照特定参数设定，在生产中不作为首要调节因素。应按照预设定的膜层厚度来合理调节。而随着辊涂运行时间的延长，涂覆辊、蘸液辊的辊面状态将发生变化。因带钢与涂覆辊间的接触磨损，涂覆辊与蘸液辊间的接触磨损，使涂覆辊与蘸液辊沿辊身长度方向的磨损及圆周方向的磨损呈现不均匀现象。特别是涂覆辊，更容易出现圆周及长度方向磨损不均匀，表现在带钢上，宽度及长度方向的膜层厚度出现不均匀现象，影响了钝化膜层的质量及性能。
    因此，涂辊的硬度、粗糙度、直线度、圆柱度是影响钝化膜的重要因素。
    （4）烘干方式及烘干温度
    由于钝化液为水剂，因此，涂敷在带钢表面后要及时进行烘干处理，使钝化剂在带钢表面形成一层致密的保护膜。目前的烘干方式有三种：一是热风烘干；二是电磁感应加热；三是红外加热。烘干方式及烘干温度的选择取决于机组的工况和钝化药剂的选取。一般来说，反应型的钝化剂采用感应加热方式烘干效果较好；涂敷型的钝化剂可采用热风烘干或者感应加热方式烘干。烘干温度根据钝化剂种类和生产工艺条件控制，原则是保证钝化剂固化效果和水分能快速挥发。如果加热温度过高，钝化膜层易粉化及龟裂；而加热温度过低，钝化膜未完全固化，与辊子接触时会被辊面划伤。
    （5）带钢冷却
    带钢冷却需注意的两个关键环节：一是带钢钝化后要接触第一根辊子（高跨转向辊）前的温度，。由于其温度较高，在带钢与转向辊接触之前若不及时进行冷却，就会导致表面钝化膜被破坏，并产生表面缺陷。同时由于微粒之间铰链形成不充分，皮膜疏松，含水量大，使钢板表面易出现粉化现象。因此，要及时进行带钢冷却，其冷却温度和冷却速率根据现场生产条件而决定。二是最终卷取温度，虽然一般来讲缺乏精确的控制手段，但仍要对卷取温度加以关注。如果超过50℃，会加剧带钢层间粘接趋势，对膜层的附着力和完整性产生影响。必要时可通过机组速度加以适当调节。
    （6）带钢表面的影响
    带钢表面质量对膜层的影响实际上是其对成膜完整性的影响。镀后锌层微观形貌及粗糙度的大小及其均匀直接影响钝化后的膜层厚度及其均匀性，同时也影响到下游顾客的使用特性。因此，要合理控制，一般控制Ra＜1.0mm。
    镀层表面缺陷的存在会使膜层产生局部钝化不均，导致耐蚀性下降。
    3.1.2 表面质量控制
    热镀铝锌生产最常见的表面质量缺陷是因沉没辊结渣原因造成的锌花不均缺陷。沉没辊渣印外观表象是沿沉没辊圆周的条状、团块状结瘤印。在生产过程中，沉没辊始终浸没在镀液中，伴随带钢与沉没辊的高速运行，镀液中Si、Fe等金属间化合物颗粒易聚集到辊面形成结渣，从而给带钢造成划伤、压痕、锌花不均等表面缺陷。
    生产实践表明，沉没辊结渣与钢板表面的渣印有明显的对应关系。沉没辊结渣除了造成钢板镀层渣印外还同时会造成镀层表面划伤缺陷。目前尚无根本解决沉没辊结渣的方法。通常采用：
    （1）辊面沟槽设计，要有利于带钢与沉没辊间的镀液的流动。图1为铝锌用沉没辊沟槽形状示意图。通过对表1所示沟槽形状及尺寸进行对比分析试验，结果表明沟槽采用方案3时使用效果最佳。
   
       表1    沉没辊沟槽形状尺寸试验方案（单位：mm）
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    方案     宽度   深度     倒圆半径   间距   形式
              B      H      R1     R2     S   
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    1         3     2.0    0.5    0.5    25    直环
    2         3     2.0    1.5    2.5    25    直环
    3         3     2.2    2.5    2.5    25    直环
    4         5     2.2    2.5    2.5    35    直环
    5         5     2.2    2.5    2.5    35    双螺旋
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    （2）优化辊面材质，提高抗腐蚀能力，并有适宜的表面硬度和粗糙度。文献表明，结渣行为是沉没辊表面的的Cr、Ni、Fe元素向沉没辊表面粘附物的扩散，从而形成了AlFeSiZn相，构成了带钢接触的沉没辊的实际辊面。为恢复沉没辊、稳定辊辊面质量，在更换沉没辊后对辊面进行再次加工。
    （3）对沉没辊表面实施陶瓷喷涂。实施喷涂能有效提高沉没辊使用周期，但对基辊材质的成份和组织的稳定性及表面硬度要求较高，直接影响沉没辊使用。
    （4）通过预熔锅添加镀液改善镀液温度均匀性和严格控制波动范围。
    （5）提高镀液流动性。
    （6）安装清辊器实施辊面清渣。攀钢2008年相继投入预熔锅设备和清辊器装置，一定程度上解决了沉没辊结渣造成的质量缺陷，产品合格率由92％提高到98％，为铝锌板在家电行业的应用创造了条件。
    3.2 产品性能
    3.2.1  冲压成型性
    攀钢热镀铝锌板主要供电器柜和部分建筑用板，其厚度规格为0.4～2.0mm，对冲压要求不高。一般只进行简单的瓦楞成型压制，对力学性能没有特殊要求，故攀钢DX51D+AZ热镀铝锌板冲压性能完全符合使用要求。家电行业对冲压和力学性能要求严格，部分要求达到DX54+AZ用板要求。
    由于攀钢钢基材质的特殊性，攀钢板带产品的冲压性能颇受用户的青睐。由于铝锌镀层的特殊性，富铝相和富锌相区存在物理性能的差异，镀层冲压性能上还不能满足所有家电产品的用板需求。
    3.2.2镀层耐蚀性
    取3块镀层重量分别为80g/m2、120g/m2、150g/m2热镀铝锌（Galvalume）平板T弯曲试样，进行NSST试验，1000h/NSST试验结果表明未出现红锈，满足家电用铝锌板镀层耐蚀性要求。
    3.2.3涂层耐蚀性
    2004年开始生产热镀铝锌板时同时进行多种钝化产品开发，已成功开发出含铬耐指纹、无铬耐指纹、无铬钝化、铬酸钝化、涂油产品。家电用钝化产品因环保需要采用无铬钝化和无铬耐指纹产品以适应RoHS指令要求，满足家电行业对无公害处理涂镀产品的需求。无铬耐指纹板96h中性盐雾试验结果见表2和表3，满足家电用板对耐蚀性能要求。
   
        表2   无铬耐指纹产品表面膜重及耐蚀性
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    统计值    膜重(g/m2)    NSST/96h白锈面积(%)
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    平均值      1.55                 2
    最小值      1.03                 0
    最大值      1.87                 5
    样本数        50
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        表3  无铬耐指纹产品表面膜重及耐黑变性
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    统计值    膜重(g/m2)    NSST/96h黒变（△L）
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    平均值       1.55               8
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    3.2.4涂层耐指纹性
    采用桐原茂喜的△E(L.a.b)法测定耐指纹板试样的耐指纹性，仪器为BYK积分球色差仪。测定涂布白色凡士林后耐指纹板的明度L、彩度a及色极值b，由公式：△E =(△L2+△a2+△b2)1/2计算△E，结果见表4，满足家电用板对耐指纹性的要求。
      
    表4  无铬耐指纹产品表面膜重及耐指纹性
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    试样        膜重(g/m2)      △E
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    试样1          1.63         1.8
    试样2          1.47         1.7
    试样3          1.23         1.5
    试样4          1.56         1.5
    试样5          1.38         1.8
    试样6          1.37         1.5
    平均值         1.44        1.63
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    3.2.5涂装性能
    试样涂20μm左右厚的聚酯面漆后，T弯值为3T。耐指纹板涂装后的涂层经划格试验，附着性均达最高等级S0级。再涂装后涂层在所进行的NSST耐蚀性能检验中，试验500h涂层无任何异常现象，表明耐指纹板具有很好的再涂装性能。
    4结语
    攀钢家电用热镀铝锌板的开发得益于热镀锌环保产品和热镀铝锌生产的成功经验，产品冲压成型性能、耐蚀性能、环保性能和涂装性能满足部分家电用板需要。由于家电制造业选用热镀铝锌板替代热镀锌和热镀铝板有一定的过程和时间，攀钢家电用热镀铝锌产品的后续开发还有一段路要走，特别是镀层的成型性能。在主要控制环节上要注重解决涂层工艺控制和铝锌沉没辊结渣问题