專利名稱:熱浸鍍鋁的鉻合金鋼的制作方法
本發明涉及一種連續熱浸鍍金屬的鐵基鐵素體鉻合金帶鋼，以及一種用工業純熔融鋁增加帶鋼表面濕潤性的方法。
熱浸鍍鋁的鋼對鹽具有高的耐腐蝕性能，而且在汽車排氣裝置和燃燒設備方面獲得了各種應用。近年來，汽車的已燃氣體的溫度升高了，同時腐蝕性也較嚴重。為此，已有必要用鍍鋁的鉻合金鋼代替鍍鋁低碳鋼或鍍鋁低合金鋼，來提高高溫抗氧化性能和耐鹽的腐蝕性。為了高溫抗氧化和耐腐蝕，可在使用期間通過加熱而使至少部分鋁涂料層擴散到鐵基中形成Fe-Al合金層。如果鋁涂料層中有無鍍層區存在，則會加速導致基體金屬穿孔的腐蝕，而這種腐蝕可能是當Fe-Al合金沒有連續地形成于鐵基金屬時發生的。
大家都知道可以通過使帶鋼進行預處理而不用助熔劑的熱浸鍍金屬帶鋼，該預處理提供了無油、無塵和無氧化鐵的清潔表面，這種表面很容易被涂料金屬濕潤。在頒發給T.賽德齊默爾(T.Sendzimir)的美國專利2，197，622和頒發給C.A.小特納(C.A.Turner，Jr.)的美國專利3，320，085中介紹了二種型式的碳鋼流水線式的預備退火處理。
制取熱浸鍍鋅的碳鋼帶鋼的賽德齊默爾方法包括將帶鋼通過一種沒有氣氛控制的、加熱到1600°F(870℃)的氧化爐。將加熱的帶鋼從該爐子中抽出進入空氣而形成可控制的表面氧化物。然后將帶鋼引入含氫和氮氣氛的還原爐中，帶鋼在爐中停留的時間足以使帶鋼溫度至少為1350°F(732℃)，而且足以還原表面的氧化物。然后，把帶鋼冷卻到接近鋅涂料熔池的溫度，而且使它通過含有純氫或氫-氮保護性氣氛的進料嘴，引到涂料池的表面層下面。
普通叫做塞拉西(Selas)法，即制取熱浸鍍金屬的碳鋼帶鋼的特納法包括將帶鋼通過一種加熱到至少2200°F(1204℃)的爐子。該爐子的保護氣氛沒有游離的氧且至少有3%過量的可燃物。該帶鋼在爐中停留足夠的時間以便使其溫度達到至少800°F(427℃)，同時保持光亮潔凈的表面。然后，將帶鋼引入具有氫-氮保護氣氛的還原爐段，在其中帶鋼可以進一步冷卻到接近涂料金屬熔池的溫度，而且經過含有氫-氮氣氛的進料嘴，引到涂料池的表面層下面。
頒發給C.Flinchum等人的美國專利3，925，579中介紹了一種熱浸鍍鋁的低合金鋼帶鋼的藉涂料金屬提高濕潤性的流水線予處理方法。該鋼含有一種或一種以上的最高達5%鉻、最高達3%鋁、最高達2%硅和最高達1%鈦的合金元素。在使鐵氧化的氣氛中，將帶鋼加熱到1100°F(593℃)以上以形成表面的氧化物層，在能使鐵的氧化物還原的條件下進一步處理帶鋼，從而將該表面層還原成含有均勻分布的合金元素氧化物的純鐵基體。
眾所周知，浸鍍的鋁涂料不能像鋅涂料一樣很容易濕潤潔凈過的鋼表面。頒發給皮爾遜(Pierson)等人的美國專利號4，155，235公開了使氫氣遠離鋁涂料池進口段的重要性。本專利介紹，已潔凈的鋼必須在它剛要導入熱浸鍍鋁涂料以前用氮氣氣氛保護，以便防止出現沒有涂層的點。
關于鋁涂料在鐵素體不銹鋼表面上無濕潤性的問題也是眾所皆知的。熱浸鍍的鋁涂料對鐵素體不銹鋼基體金屬的粘著性是很差的，而且在鋁的涂層中通常有無涂層的或暴露的點。所謂較差的粘著指的是帶鋼在彎曲時涂層剝落或出現裂紋。為了克服粘著問題，有些人曾經提出熱處理鍍鋁的不銹鋼使涂料層粘結到基體金屬上。其他一些人則提出輕度地重新軋制已涂層的不銹鋼使之粘結鋁涂層。最后，那些擔心出現無涂層點的人一般都放棄了連續熱浸鍍。相反，他們采用了間歇式的熱浸鍍或噴涂法。例如，不銹鋼制品制造好后，將它在鋁涂料池中浸漬一段很長的時間而使其產生很厚的涂料層。
沒有一個人提出過一種用熱浸鍍鋁涂料提高對鐵素體鉻合金鋼濕潤的解決辦法。如果沒有良好的濕潤表面，則鋁涂料層將不均勻，有無鍍層區而且對鋼基體金屬粘著不牢固。我們發現了一種解決有關熱浸鍍鋁涂料對鐵素體鉻合金鋼的濕潤問題的浸涂方法。如果使已凈化的鐵素體鉻合金鋼在進入鋁涂料熔池之前，保持在保護性的氫氣氛(基本上沒有氮氣)中，則將顯著地改善濕潤性。
本發明涉及一種連續熱浸鍍鋁的、大約含至少6%(重量)鉻的鐵基鐵素體鋼。對鋼表面進行預處理，以便去除油污、灰塵、氧化物等。然后，將鋼加熱到至少1250°F(677℃)，然后在含有至少大約95%(體積)氫的氣氛中對鋼進行保護，同時使該鋼保持于接近或略高于基本上由鋁組成的涂料金屬的熔點溫度。該氫氣氛提高了鐵素體鉻鋼的潤濕性能而基本上消除了在鋁涂料層中的無涂層的或針孔的缺陷。
本發明的主要目的是用涂料金屬形成具有良好濕潤性的熱浸鍍鋁的鐵素體鉻合金鋼。
本發明的一個優點是在用鋁進行熱浸鍍時，消除了無涂層區并提高了對鐵素體鉻合金基體金屬的粘著力。
本發明的另一個優點是提高了高溫抗氧化性能和耐鹽腐蝕性能，從而提高了用于汽車排氣裝置中的鍍鋁鐵素體鉻合金鋼的基體金屬的耐穿孔性能。
根據詳細介紹和附圖的情況，將明顯地看到本發明上述的和其他一些目的、性能以及優點。
圖1是通過體現本發明的普通熱浸鍍鋁作業線處理鐵基帶鋼的示意圖。
圖2是表示進口嘴和涂料槽的圖1熱浸鍍作業線的局部示意圖。
現參閱圖1，參考號數10表示具有帶鋼11的鋼卷，帶鋼在進入第一爐區15的頂部以前，先通過此，然后繞過輥子12、13和14。第一爐區15可以是直接燃燒型的，在那里引入大約5%剩余的可燃物。爐子氣氛溫度可以大約為2300°F(1260℃)。帶鋼表面的污染物諸如油污等幾乎立刻被燃燒和去除掉。
由號數16表示的第二爐區可以是輻射管型。可把帶鋼11的溫度進一步加熱到大約1250°F(677℃)至1750°F(954℃)，而且在點18處附近達到最高溫度。還原氣將送入爐區16和它后面如下所述的爐區。該氣體必須是作還原用的，而且最好不僅如此，除了用于碳鋼的還原外，還應使基體金屬中鉻的氧化減到最低。
通常用號數20表示的第三爐區是冷卻區。
通常，號數22表示的最后爐區是最終冷卻區。帶鋼11從爐區22出來，經過調節輥24，通過進料嘴26進入盛有熔融鋁的涂料槽28中。該帶鋼在該涂料槽中停留的時間很短(即2-5秒)。將含有涂料金屬層的帶鋼11從涂料槽28垂直抽出。該涂料層凝固而且已涂層的帶鋼繞著導向輥32通過，同時卷成帶鋼卷34，供貯存或作進一步加工之用。
現參閱圖2，進料嘴26因其下端或出口端26a浸沒在鋁涂料金屬42的表面層44下面而受到保護，可免遭大氣的影響。為了轉動而適當地安裝槽輥36和38和穩定輥40。用噴涂裝置例如噴氣修光刀30控制帶鋼從涂料槽抽出時留在帶鋼11上的涂料金屬42的重量。帶鋼在進入涂料槽以前，在爐區20、22和進料嘴26時就被冷卻到接近或略高于鋁涂料金屬的熔點溫度。該溫度可以低達1220°F(660℃)左右至高達1350°F(732℃)左右。
迄今介紹的方法在本技術領域：
內是眾所周知的，而且該方法對兩邊的涂層采用噴氣修光。正如那些擅長本技術領域：
的人將會了解到，可以使用變更的凈化帶鋼表面的預處理方法，例如采用濕式凈化代替直接燃燒爐。此外，那些擅長本技術領域：
的人將會了解到，就本發明來說，可以采用內含無氧化氣氛的密封套進行單邊熱浸鍍或修光。
參閱圖2，將詳細地介紹本發明的情況。為了提高熱浸鍍鋁涂料金屬對含有至少大約6%(重量)鉻的鐵素體合金鋼帶鋼的濕潤性能，給這帶鋼以適當的預處理以去除灰塵、油膜和氧化物等。該帶鋼在使鐵還原的氣氛例如含有20%(體積)氫和80%(體積)氮中進一步加熱，而且其后在它剛要進入涂料熔池以前，將這已凈化的帶鋼通過基本上全部為氫的保護性氣氛。當采用諸如上述的流水線式的退火來凈化該帶鋼時，將該保護性氣氛保持在例如密封的進料嘴26的封套中。需要時，可通過進口27引入氫氣。該保護性氣氛必須含有至少約95%(體積)的氫，較好含有至少97%(體積)而最好盡可能地含接近100%(體積)的氫。
控制保護性氣氛中的含氧量和露點以及維持涂料槽中高的熔融金屬溫度也是很重要的。活性的鋁涂料金屬可以還原帶鋼表面上的薄氧化物層。鉻比鐵更容易被氧化，這樣鉻合金鋼更可能是無濕潤的，這是由于鉻合金鋼的氧化膜比碳鋼的氧化物膜厚的多。因此，保護性氫氣氛的露點必須不超過+40°F(4℃)左右，而且含氧量大約不大于200ppm。最好，露點應該低于+10°F(-12℃)和含氧量小于40ppm。
為了浸涂碳鋼，通常把相當純的鋁涂料金屬大約保持在1250°F(677℃)至1270°F(688℃)。因為鉻合金鋼有高的氧化傾向，所以我們必須將涂料金屬保持至少這樣高的溫度，而且最好保持在1280°F(693℃)至1320°F(716℃)的溫度范圍內。這個提高的溫度將增加涂料金屬的活性，從而使涂料金屬更容易還原鉻的氧化物。由于可以產生非常厚而脆的Fe-Al合金層，因此該溫度不應該超過1320°F(716℃)左右。
本發明對于汽車排氣應用方面，包括催化轉化器支架的金屬薄片中所用的熱浸涂鋁的鐵素體不銹鋼特別有用。在屬于美國系列編號USSN741，282的1985年6月4日申請的待批專利申請中，介紹了這種金屬薄片用鋼，而且已將其轉讓給與本發明共同的受讓人。一種具有熱浸鍍相當純鋁的大約含至少10%鉻的鐵素體不銹鋼將具有優良的耐腐蝕性。與涂鋁碳鋼不同的是，我們已發現可以嚴格地制造用純鋁熱浸鍍的鐵素體不銹鋼而沒有剝落或裂紋的涂料層。已確定可以用純鋁熱浸鍍409型不銹鋼，這種不銹鋼大約含10.0%至14.5%(重量)鉻、0.1%至1.0%(重量)硅、0.2%至0.5%鈦和其余為鐵。此外，可以把有涂層的帶鋼從至少0.25毫米厚的帶鋼冷軋到小于0.1毫米厚的帶鋼而沒有剝落涂料金屬。因為該鋁涂料層對基體金屬具有極好的粘著力且不含有針孔或無涂層區，所以一種擴散熱處理的金屬薄片在高溫下具有優良的抗氧化性能。例如，這種金屬薄片可用作具有操作溫度大約1500°F(800℃)～1650°F(900℃)以及“短暫偏差”溫度高達2200°F(1204℃)的汽車排氣中的催化劑支架。
除碳鋼和低合金鋼以外，含有相當數量鎳的鉻合金鋼很容易用普通的操作進行熱浸鍍鋁。所謂相當數量的鎳是指超過大約3%(重量)，例如奧氏體不銹鋼。因為鎳看來似乎同鋁產生很牢固的結合，所以含有3%或更多鎳的鉻合金鋼顯然很容易用鋁浸涂。因此，可以容易地用鋁熱浸鍍這些高鎳鉻的合金鋼，而不采用本發明的方法。
大部分熱浸鍍的鋁涂料含有大約10%(重量)硅。在工業上，通常把此涂料金屬定義為Ⅰ型。我們已發現這種類型的鋁涂料金屬不能很好地濕潤鐵素體的鉻合金鋼，甚至在采用氫保護氣氛的情況下亦如此。雖然可不受理論的約束，但是應該相信，硅含量超過0.5%(重量)將降低鋁涂料金屬同鐵素體鉻合金鋼基體反應所需的活性。因此，涂料金屬中的硅含量必須不超過大約0.5%(重量)。
對本發明來說，最好是工業純熱浸鍍的鋁涂料，或者在工業上稱為2型的涂料。所謂“純”鋁是指把相當數量的合金元素添加劑(例如硅)排除在外的那些鋁涂料金屬。應該明白，該涂料金屬可以含有殘余量的雜質，特別是鐵。該涂料熔池一般含有大約2%(重量)鐵，這些鐵主要是由穿過該熔池的帶鋼中的鐵融化所引起的。
實例1為了說明當采用普通保護氣氛時不能防止無涂層區，在實驗室的中間試驗的作業線上，對3英寸(12毫米)寬的409不銹鋼帶鋼進行流水線式的退火預處理。將爐子的直接燃燒段加熱到大約2150°F(1175℃)，觀測到的帶鋼金屬最高溫度大約為1650°F(899℃)。把在進料嘴中剛要進入該鋁涂料熔池的帶鋼冷卻到大約1285°F(696℃)。
采用露點低于-15°F(-26℃)和氧含量小于40ppm的大約含有25%(體積)氫和剩余為氮的保護性氣氛來保護爐子進料嘴部分的帶鋼。把涂料槽中的鋁涂料金屬溫度保持在大約1285°F(696℃)。已浸涂的帶鋼含有估計約25%無涂層區，而且有時高達75%。
實例2為了證明當采用本發明的保護性氣氛時有高的濕潤性能，在同樣中間試驗的作業線上，對3英寸(12毫米)寬的409不銹鋼進行浸涂，而且給這種帶鋼以流水線式的退火預處理，采用的溫度相似于實例1中所述的那些溫度。然而，把保護性氣氛調到含有大約100%(體積)氫，露點-15°F(-26℃)和氧含量小于40ppm。已浸涂的帶鋼外觀是優良的，而且很明顯沒有可見的無涂層區或針孔。
實例3在中間試驗的作業線上涂敷3英寸(12毫米)寬的409不銹鋼帶鋼。將該帶鋼加熱到最高金屬溫度1600°F(871℃)，而且帶鋼在進料嘴中剛要進入鋁涂料熔池時被冷卻到1280°F(693℃)。保護氣氛的露點為-15°F(-26℃)和氧含量為20ppm。在進料嘴中安裝氣相色譜儀，以便在保護氣氛中的氫數量變化時能夠觀測已涂覆帶鋼的涂層質量。當氣氛為大約92%(體積)氫和其余為氮時，涂層的質量是不合格的。在氫含量增加到大約94%(體積)時，涂層的質量可以認為勉強合格。當氫含量增加到97%(體積)時，認為觀測到的涂層質量是優良的而且涂料層基本上沒有無涂層區。
此外，也在生產規模的熱浸鍍鋁作業線上進行了試驗。采用下面的溫度-氣氛條件而且作出涂層質量的觀測。
實例 DFF＊溫度 最高金屬溫度 槽溫°F 露點°F氫 觀測號 °F(℃) °F(℃) (℃) (℃) %4 1040(560) 1400(760) 1270(687) +7(-14) 0 50無涂層5 1040(560)1400(760)1270(687) +7(-14) 100 沒有無涂層6 1300(704)1600(871) 1280(693) -25(-4)100 15%無涂層7 1300(704)1600(871) 1300(704)+30(-1)100 沒有無涂層＊在直接燃燒段中帶鋼的溫度實例4表示在進料嘴中采用100%(體積)氮氣氛時有50%帶鋼是無涂層的。如實例5所示，當進料嘴中采用100%(體積)氫時在帶鋼上的無涂層區消失。實例6和7說明高的帶鋼溫度和涂料金屬溫度的影響。爐內較高的氣氛溫度可以增加在帶鋼上所形成的鉻氧化物的厚度。在有相當高的露點情況下(還原較差)，必須將涂料金屬的溫度提高到大約1300°F(704℃)以便防止在帶鋼上出現無涂層區。當該爐子和/或保護性氣氛還原作用不夠時，可能必須增加涂料金屬的溫度以便還原帶鋼上的鉻氧化物膜，保證帶鋼同鋁涂料金屬有良好的濕潤，從而防止出現無涂層區。
可以在不違反本發明精神和范圍的情況下，對本發明作出各種變更。例如，可以對該保護性氣氛作出各種變更，只要保護氣含有至少約95%(體積)氫即可。此外，可以對帶鋼的預處理和采用單邊浸涂或無氧化噴氣修光作出變更。因此，本發明的范圍應該由附加的權利要求
書確定。
勘誤表
權利要求
1.一種用涂料金屬連續熱浸鍍的鐵基鐵素體帶鋼，包括含有至少約6%(重量)鉻的帶鋼，基本上由鋁組成的涂料金屬，在上述帶鋼上的涂料層基本上沒有無涂層區，上述涂料層牢固地粘著到所述帶鋼上，而且在彎曲時能抗裂紋或抗剝落。
2.按照權利要求
1所述的帶鋼，其中基體金屬含有至少大約10%(重量)鉻。
3.按照權利要求
2所述的帶鋼，其中所述基體金屬基本上含有0%(重量)鎳。
4.按照權利要求
2所述的帶鋼，其中所述的基體金屬含有10.0%～14.5%(重量)鉻、0.1%～1.0%(重量)硅和0.2%～0.5%(重量)鈦。
5.一種用鋁連續熱浸鍍鐵素體鉻合金帶鋼的方法，包括以下各步驟凈化鉻合金帶鋼，加熱上述已凈化的帶鋼到至少1250°F(677℃)，保持已凈化帶鋼于含至少約95%(體積)氫的保護性氣氛中，同時保持在接近或略高于涂料金屬的熔點溫度，將所述已凈化的帶鋼浸入基本上由鋁組成的所述涂料金屬的熔池中，以便在所述帶鋼的至少一個面上沉積一涂料層，該帶鋼的基體金屬含有至少約6%(重量)鉻，上述涂料層基本上沒有無涂層區，而且對上述基體金屬有很好的粘著力。
6.按照權利要求
5所述的方法，其中所述的氣氛基本上是100%(體積)氫。
7.按照權利要求
5所述的方法，其中所述的氣氛具有不超過約+40°F(+4℃)的露點而且含有不超過大約200ppm的氧。
8.按照權利要求
5所述的方法，其中所述的氣氛包括大約100%(體積)氫、露點不超過大約+10°F(-12℃)和不超過大約40ppm氧。
9.按照權利要求
5所述的方法，其中所述鋼的基體金屬大約含有至少10%(重量)鉻。
10.按照權利要求
9所述的方法，其中所述鋼基體金屬含有10.0%至14.5%(重量)鉻、0.1%至1.0%(重量)硅和0.2%至0.5%鈦。
11.按照權利要求
5所述的方法，其中所述的預處理包括一種流水線式退火，在流水線式退火中將所述的鋼加熱到至少大約1280°F(693℃)。
12.按照權利要求
5所述的方法，其中用噴氣修光刀控制所述涂料層的重量。
13.按照權利要求
12所述的方法，其中所述的噴氣修光刀安裝在含有對所述涂料層無氧化作用的氣氛的密封套內。
14.按照權利要求
5所述的方法，其中將所述的氣氛保持在一個密封套內。
15.一種用鋁連續熱浸鍍鐵素體鉻合金帶鋼的方法，包括以下各步驟在直接燃燒型爐的第一爐區內，用無氧化作用的氣氛凈化鉻合金帶鋼，在含有還原氣氛的第二爐區內，進一步加熱所述帶鋼，將所述已凈化的帶鋼冷卻到接近或略高于涂料金屬的熔點溫度，并使所述的已凈化的帶鋼通過密封的進料嘴，將所述已凈化的帶鋼保持在含至少約95%(體積)氫的保護氣氛中，將所述已凈化的帶鋼浸入基本上由鋁組成的所述涂料金屬的熔池中，以便在所述已凈化帶鋼的至少一個面上沉積一涂料層，鋼的基體金屬含有至少約6%(重量)鉻，所述涂料層基本上上沒有無涂層區，而且對所述基體金屬有很好的粘著力。
16.按照權利要求
15所述的方法，其中所述的保護性氣氛基本上是100%(體積)氫。
17.按照權利要求
15所述的方法，其中所述的保護性氣氛具有不超過大約+40°F(+4℃)的露點并且含有不大于約200ppm氧。
18.按照權利要求
15所述的方法，其中所述的保護性氣氛包括大約100%(體積)氫、不大于大約+10°F(-12℃)的露點和不超過大約40ppm氧。
19.按照權利要求
15所述的方法，其中所述的鋼基體金屬含有至少約10%(重量)鉻。
20.按照權利要求
19所述的方法，其中所述的鋼基體金屬含有10.0%至14.5%(重量)鉻、0.1%至1.0%(重量)硅和0.2%至0.5%(重量)鈦。
21.按照權利要求
15所述的方法，其中將在所述第二爐區中的所述帶鋼從1350°F(732℃)加熱到1550°F(843℃)。
22.按照權利要求
15所述的方法，其中用噴氣修光刀控制所述涂料層的重量。
23.按照權利要求
22所述的方法，其中把所述的噴氣修光刀安裝在含有對所述涂料層無氧化作用的氣氛的密封套內。
專利摘要
本文介紹連續熱浸鍍鋁的鐵素體鉻合金帶鋼。在該帶鋼經預處理去除表面污染后，用氫氣氛保護該帶鋼直至其通入熔融鋁涂料金屬中為止。該涂料金屬很容易濕潤該鋼的表面而防止了在涂料層中無涂層區或針孔的產生。
文檔編號C23C2/04GK87103764SQ87103764
公開日1987年12月23日 申請日期1987年5月20日
發明者法雷爾·M·基爾貝恩, 理查德·A·科爾曼, 弗蘭克·C·鄧巴, 艾倫·F·吉布森 申請人:阿姆科公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan