专利名称：热镀铝钢板及其制造方法和合金层控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可应用于汽车排气系统构件和热器具构件、耐热性和耐腐蚀性出色的热镀铝钢板及其制造方法和合金层控制装置，尤其涉及对金属镀层与母材钢板其界面不可避免地生成的Fe-Al-Si合金层厚度和截面形态的控制。
背景技术：
以连续热镀设备制造热镀铝钢板的过程当中，如
图17所示，母材钢板4导入调节为规定镀浴组成和镀浴温度的Al-Si熔融合金镀浴1中，通过浴中的液下辊(シンクロ-ル)2导出浴外之后，由紧接着在镀浴上方的气拭装置3调整镀着量(镀层厚度)。而且，要使金属镀层在热镀钢板6到达上方的顶端辊子9之前凝固好，通常在镀浴的上部配置冷却装置5，对金属镀层进行强制冷却(喷射气体、气体+液体等)。
这样制造的热镀铝钢板，由于母材钢板与金属镀层其界面的扩散反应(Fe原子从母材钢板向金属镀层的扩散渗入)，在界面上不可避免地生成Fe-Al-Si合金层。合金层硬而且脆，所以成为热镀钢板冲压加工时促使镀层剥离的原因尤其是对进行深冲、减薄等强加工的用途来说，为了确保其冲压成型的可加工性，需要将合金层厚度抑制为约5μm以下(例如特公昭51-46739号公报)。
对于用以抑制上述合金层生成、成长的热镀作业条件来说，提出如下各种办法(a)将镀浴调整为一定的Al-Si镀浴组成(Si含量3～13％)，同时将母材钢板浸入浴中的温度(浸入浴中前一瞬的板温)调节在镀浴金属的熔点～熔点+40℃的温度区内(特开平4-176854号公报)；(b)由浴上冷却装置的致冷剂喷雾(液体、气体+液体等)使从镀浴中导出浴上的热镀钢板骤冷(特开昭52-60239号公报)；(c)事先在母材钢板表面上覆盖熔点比热镀金属低的金属层，在热镀结束之前时间内使钢板温度维持在500℃以下(特开平1-104752号公报)；(d)使母材钢板浸入浴中的温度比镀浴温度低50～100℃(特开平5-287488号公报)。
但仅仅靠对镀浴组成、镀浴温度的调整、母材钢板浸入浴中温度的控制、或对金属镀层强制冷却的强化等现有方案这类对作业条件的控制，难以对合金层厚度起到充分的抑制效果，而母材钢板表面由特定金属层覆盖的方法，则无奈地带来工序增加和成本上升的不利。而且，不论哪一种方法，合金层生成、成长速度同作业条件的定量关系都不清楚，无法高精度地控制合金层厚度。
本申请发明人就上述合金层的生成现象重新仔细研究，结果发现，合金层其生成层厚度同母材钢板浸入热镀浴时起、通过浴中、至钢板表面金属镀层凝固好时所经历的时间具有定量关系，通过对这种历经时间进行调节，可以高精度地将合金层厚度控制在所需厚度(以下)。
而且还发现，上述合金层其截面形态随热镀作业条件有显著的不同；合金层表面其凹凸越小、截面形态越平整，镀层的耐剥离性就越高；而且其截面形态依赖于热镀钢板导出镀浴面时起至金属镀层凝固好时所经历的时间，通过对这种历经时间进行调节，可以将截面形态控制为较好的形态。
本发明正是基于上述认识，其目的在于提供一种镀层剥离性优异的热镀铝钢板，可以高精度控制合金层其生成层厚度和其截面形态的连续热镀铝钢板制造方法和合金层控制装置。
发明概述本发明的热镀铝钢板，在母材钢板表面上具有Si含量3～13重量％的Al-Si金属镀层，在母材钢板与金属镀层的界面上具有Fe-Al-Si合金层，其特征在于，Fe-Al-Si合金层的厚度为1～5μm，且Fe-Al-Si合金层层厚的最大凹凸差为0.5～5μm。
按照本发明，热镀铝钢板Fe-Al-Si合金层的厚度及其最大凹凸差都满足合适值范围。上述合金层非常的硬和脆，若其厚度及其最大凹凸差超过上限值的话，镀层的耐剥离性便下降，冲压加工时发生镀层剥离。而且，即便合金层厚度在上限值以下，但合金层厚度最大凹凸差超过上限值的话，镀层耐剥离性还是因此缺憾而变差，冲压加工时发生镀层剥离。因此，要提高镀层的耐剥离性，需要对合金层厚度及其最大凹凸差两者进行抑制。本发明的热镀铝钢板满足了可抑制合金层厚度及其最大凹凸差两者的合适范围，因而具有极为优异的镀层耐剥离性。
而且，本发明的连续热镀铝钢板制造方法，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于，依据母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的时间同Fe-Al-Si合金层厚度的相关关系，调节上述历经时间以便合金层厚度在规定值以下。
按照本发明，是依据作为合理指标的上述相关关系，调节与镀层凝固时间相应的上述历经时间，使得合金层厚度在规定值以下的，因而可以将合金层厚度高精度地控制在规定的抑制值上。
而且，本发明其特征在于，通过对母材钢板输送速度和冷却装置致冷剂流量至少之一进行调整，来调节上述历经时间。
按照本发明，是通过对使镀层凝固时间变化的输送速度和致冷剂流量进行调整，来调节与合金层厚度相应的上述历经时间的，因而可以迅速、可靠地，高精度控制合金层厚度。
而且，本发明的连续热镀铝钢板制造方法，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于，依据母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的第一历经时间同Fe-Al-Si合金层厚度的相关关系，调节上述第一历经时间以便合金层厚度在规定值以下；依据热镀钢板导出镀浴面时起、至金属镀层凝固好时所经历的第二历经时间同合金层截面形态相应值的相关关系，调节第二历经时间以便合金层截面形态相应值满足规定值。
按照本发明，是依据作为合理指标的上述各相关关系，调节上述第一和第二历经时间的，因而可以将合金层厚度和合金层截面形态相应值高精度地控制为规定值。而且，藉此可以有效地抑制合金层的生成，将合金层的截面形态控制为平整性较好的形态。
而且，本发明其特征在于，通过对母材钢板输送速度和冷却装置致冷剂流量至少之一进行调整，来调节第一历经时间和第二历经时间。
按照本发明，是通过对使镀层凝固时间变化的输送速度和致冷剂流量进行调整，来调节与合金层厚度和其截面形态相应的上述第一和第二历经时间的，因而可以迅速、可靠地，高精度控制合金层厚度和合金层截面形态。
而且，本发明的连续热镀铝钢板的合金层控制装置，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于包括检测金属镀层凝固结束位置的凝固位置检测装置；检测母材钢板输送速度的速度检测装置；检测冷却装置致冷剂流量的流量检测装置；控制冷却装置致冷剂流量的流量控制装置；控制母材钢板输送速度的速度控制装置；设定Fe-Al-Si合金层厚度的目标值，合金层截面形态相应值的目标值，热镀钢板在镀浴中的输送距离，热镀钢板离开镀浴浴面至通过冷却装置之前的输送距离的设定装置；根据凝固位置检测装置和速度检测装置的检测值以及设定装置设定的各个输送距离，计算出母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的第一历经时间，和热镀钢板导出镀浴面时起、至金属镀层凝固好时所历经的第二历经时间的运算装置；响应运算装置的输出，依据第一历经时间同合金层厚度的相关关系，计算出与第一历经时间计算值相应的合金层厚度，依据第二历经时间同合金层截面形态相应值的相关关系，计算出与第二历经时间计算值相应的合金层截面形态相应值，对流量控制装置和速度控制装置至少之一进行控制，以便计算出的合金层厚度和合金层截面形态相应值满足设定装置设定的各个目标值的控制装置。
按照本发明，合金层控制装置通过检测金属镀层凝固结束位置，计算出凝固时间相对应值即上述第一历经时间和第二历经时间，依据相关关系计算出与第一历经时间对应的合金层厚度和与第二历经时间对应的合金层截面形态相应值，对使凝固时间变化的致冷剂流量和输送速度至少之一进行控制，以便各个计算值满足目标值。因此，合金层控制装置可以高精度地控制，使得合金层厚度和合金层截面形态相应值满足目标值。
而且，本发明其特征在于，上述凝固位置检测装置包括检测热镀钢板二维温度分布的温度分布检测装置；响应温度分布检测装置的输出，对二维温度分布进行图像处理的图像处理装置；响应图像处理装置的输出，图像显示二维温度分布，从显示图像检测金属镀层凝固结束位置的图像显示装置。
按照本发明，凝固位置检测装置检测热镀钢板二维温度分布，并图像显示，从显示图像当中求得金属镀层的最终凝固位置，根据该位置检测凝固结束位置。这样，凝固位置检测装置是以二维方式检测热镀钢板温度分布的，因而，最终凝固点即便在板宽方向和输送方向上变动，仍然可以确实地求出该位置，可以正确检测镀层的凝固结束位置。
附图的简要说明图1是示意热镀铝钢板的合金层平均厚度和合金层层厚最大凹凸差的平均值同深冲加工时镀层耐剥离性评价之间关系的图表。
图2是示意合金层厚度计算方法的说明图。
图3是示意合金层层厚最大凹凸差计算方法的说明图。
图4是简略示意本发明一实施例连续热镀铝钢板合金层控制装置构成的系统图。
图5是简略示意热镀铝设备主要部分构成的系统图。
图6是简略示意温度分布检测装置和图像处理装置构成的系统图。
图7示意的是凝固位置检测装置所显示的图像。
图8是示意合金层控制装置电子构成的框图。
图9是示意第一历经时间同热镀铝钢板合金层厚度之间相关关系的相关图。
图10是示意第二历经时间同热镀铝钢板合金层层厚最大凹凸差之间相关关系的相关图。
图11是示意第二历经时间与合金层截面形态评分之间相关关系的相关图。
图12是示意合金层截面形态评分的说明图。
图13是合金层成分浓度分布的说明图。
图14是Al-Si平衡状态图。
图15是示意镀层中的合金层生长过程的说明图。
图16是说明合金层控制装置动作用的流程图。
图17是简略示意现有的连续热镀设备构成的系统图。
实施发明的最佳方式热镀铝钢板(此后有时简称“热镀钢板”)如上所述，在母材钢板表面具有Al-Si金属镀层(此后有时简称“镀层”)，在母材钢板与镀层之间的界面上形成有Fe-Al-Si合金层(此后有时简称“合金层”)。
图1是示意热镀铝钢板的合金层平均厚度和合金层层厚最大凹凸差的平均值同深冲加工时镀层耐剥离性评价之间关系的图表。图1中热镀铝钢板的镀着量正、背面共计为50～160g/m2。合金层的厚度可如图2所示，通过测定使凹凸平整的点划线CL与母材钢板在厚度方向上的距离T求得。图1的纵轴示出合金层平均厚度，这是由扫描型电子显微镜以倍率2000倍观察合金层的3个区域，对于各个区域求上述合金层的厚度T，再将各个合金层厚度T取平均计算出的。合金层层厚的最大凹凸差可如图3(1)～(4)所示，通过测定合金层最快生长部分与最慢生长部分在厚度方向上的距离差G求得。图1的横轴示出合金层层厚最大凹凸差G的平均值，这是由扫描型电子显微镜以倍率2000倍观察合金层的3个区域，对于各个区域求上述合金层的最大凹凸差G，再将各个合金层层厚的最大凹凸差G取平均计算出的。另外，图3(1)～(4)分别示出四种合金层截面形态的合金层层厚最大凹凸差G的求法。图1中的符号是表示镀层耐剥离性评价的符号，其内容如表1所示。
表1符号耐剥离性评价○ 镀层无剥离 镀层剥离微小□ 镀层剥离小× 镀层剥离大由图1可知，合金层平均厚度越小，合金层层厚最大凹凸差平均值越小，镀层的耐剥离性越高；合金层层厚最大凹凸差的平均值较大时，即便合金层平均厚度在5μm以下，还是发生镀层剥离；合金层层厚最大凹凸差平均值非常小时，合金层平均厚度即便超过5μm，也不至发生镀层剥离。
合金层厚度及其最大凹凸差之所以对镀层耐剥离性带来如此大影响，是因为合金层非常的硬(威氏硬度600～800)和脆，而且其凹凸差作为缺陷，加工时造成应力集中。因此，要提高热镀铝钢板镀层的耐剥离性，较好是抑制合金层厚度及其最大凹凸差两者。就其限定范围来说，较好是合金层平均厚度为1～5μm，合金层层厚最大凹凸差的平均值为0.5～5μm。
此上限值的限定理由是因为，若超过上限值，由图1可知，镀层耐剥离性不良，冲压加工时发生镀层剥离。下限值的限定理由是因为，浸渍于熔融Al-Si浴中，就不可避免地要发生合金层层厚的生长，因而要使合金层平均厚度和合金层层厚最大凹凸差的平均值低于下限值，在制造上极为困难。而且，更好的限定范围是图1中完全不发生镀层剥离的范围，这就是合金层平均厚度(此后简称为合金层厚度)为1～3μm，且合金层层厚最大凹凸差的平均值(此后简称为合金层层厚最大凹凸差)为0.5～3μm的范围。
综上所述，本实施例镀铝钢板不仅仅对合金层厚度，而且对合金层层厚最大凹凸差一同抑制，因而与单单抑制合金层厚度的现有镀铝钢板相比，镀层的耐剥离性极为优异。因此，用户所进行的冲压加工即便是深冲、减薄等强加工，也可确实地防止镀层发生剥离。
图4是简略示意本发明一实施例连续热镀铝钢板合金层控制装置(此后简称为“合金层控制装置”)构成的系统图，图5是简略示意热镀铝设备主要部分构成的系统图。合金层控制装置11包含以下构成凝固位置检测装置13；速度检测装置14；流量检测装置15；流量控制装置20；速度控制装置21；设定装置17；运算装置18；和控制装置19。此装置是用以控制热镀铝钢板28合金层厚度T及其截面形态的装置。
母材钢板23由热镀铝设备的还原退火炉22退火和还原净化后，通过热张紧辊(ホツトブライドロ-ル)31 a和喷口(スナウト)24输送，从A1点起导入熔融Al-Si镀浴25中。还原退火炉22从上流一侧起按顺序配置预热带22a、无氧化炉22b、加热带22c、冷却带22d、和调整冷却带22e，无氧化炉22b下流一侧的炉内空间供给还原性保护气体，例如AX气体(H275％，N225％)。熔融Al-Si镀浴25的组成调节在Si含量为3～13重量％，浴温保持在熔点～熔点+70℃。镀浴25贮存在铸铁制的镀槽25a中。导入镀浴25中的母材钢板23通过浴中的液下辊26，竖直向上方输送，从B1点导出浴外。
在镀浴中浸镀好的热镀铝钢板28，由紧贴配置在镀浴25上方的气拭装置27调整镀着量后，由配置在气拭装置27上方的冷却装置29喷射诸如空气等致冷剂进行强制冷却。冷却后的热镀钢板28的镀层在冷却装置29上方的C1点凝固，在到达C1点上方所设顶端辊30之前，冷却至不在顶端辊30上凝结的温度。作为冷却热镀钢板28的致冷剂，也可以用液体(水)和液体与气体(水与空气)的混合流体等。
通过顶端辊30的热镀铝钢板28竖直向下方输送，接着通过张紧辊31b输送至下流一侧。张紧辊31b上设有驱动电动机32。驱动电动机32可以调节热镀钢板28的输送速度。而且，热镀钢板28的张力可由热张紧辊31a和张紧辊31b调整。另外，热镀钢板28与导入镀浴25中的母材钢板23的输送速度是相同的。上述冷却装置29通过送风管34连接有离心风机33，离心风机33将冷却空气提供给冷却装置29。冷却空气供给量即冷却装置29的冷却风量可由送风管34上设置的流量控制阀35调整。另外，热镀钢板28在镀浴中经由液下辊26的输送距离L1(上述浸入点A1～导出点B1)和热镀钢板从镀浴浴面起直至通过冷却装置29的输送距离L2都是热镀铝设备的固有值，而从冷却装置29至凝固位置C1的距离L3则是随冷却装置29冷却风量和热镀钢板28的输送速度而变化的变动值。
上述凝固位置检测装置13是用以检测镀层凝固结束位置的装置，包含温度分布检测装置37a，图像处理装置37b和图像显示装置38。温度分布检测装置37a例如是二维红外线摄像机，检测视野41内镀层的二维温度分布，将输出信号送至图像处理装置37b。图像显示装置38响应图像处理装置37b的输出，图像显示镀层的二维温度分布，从所显示图像当中检测镀层的凝固位置。
图6是简略示意温度分布检测装置和图像处理装置构成的系统图。作为温度分布检测装置的红外线摄像机37a由红外线滤色片43、聚光透镜44和CCD(光电耦合器件)45组成，图像处理装置37b则包含有电平甄别电路46和存储器47。热镀钢板28出射的红外线通过红外线滤色片43，由聚光透镜44聚光，在CCD 45上成像。CCD45将许多感光元件配置在阵列上，各位置感光元件输出与所成像的图像红外线强度相对应的电信号。各感光元件的每一输出(红外线强度LV)送至电平甄别电路46，根据预定的电平甄别值进行电平甄别。电平甄别电路46预先设定与凝固初始温度对应的红外线强度的电平甄别值TS1和与凝固结束温度对应的红外线强度的电平甄别值TF1。因此，红外线强度LV划分为如下述表2所示的三个区域(R1、R2、R3)。
表2区域 红外线强度(LV)电平R1 LV≥TS1R2TF1＜LV＜TS1R3 0≤LV≤TF1这里，区域R1是镀层完全熔融的区域，区域R3是镀层完全凝固的区域，区域R2则是固液共存区域。经电平甄别的红外线强度LV送至存储器47存储。存储的红外线强度LV送至图像显示装置38，在阴极射线管上按后面述及的显示图像41显示。
图7示意的是表示凝固位置检测装置所显示图像的状况。显示图像41的横轴39表示热镀钢板28宽度W方向的位置，纵轴40则以冷却装置29的顶面为基准表示热镀钢板28在输送方向上的位置。因此，图7中纵轴40在纸面最下方的位置表示冷却装置29的顶面位置，图7中纵轴40纸面上方表示热镀钢板28在输送方向上的下游一侧。
热镀钢板28的冷却速度是越朝向宽度方向两端越快，宽度W两端先于宽幅中央部分，在上流一侧(图7纸面的下方)凝固。因此，表示镀层凝固初始温度等温线的曲线TS和表示镀层凝固结束温度等温线的曲线TF，在图7中呈上方凸起、大致抛物线形状的曲线。镀层的凝固结束位置是与最终凝固点即曲线TF的峰值位置一致的，因而镀层凝固结束位置例如是通过微分，求曲线TF斜率为零处在纵轴40方向上的位置Z，将图像上的距离Z换算为实际距离L3进行确定的。另外，图7中前述区域R1是相对曲线TS上流一侧区域，区域R3是相对曲线TF下游一侧区域，前述区域R2是R1和R3两者的中间区域。
上述凝固位置检测装置13是这样根据二维温度分布来检测凝固结束位置的，因而最终凝固点即便在宽度W方向和输送方向上变动，也可以确实地检测其位置，从而可以正确、可信地检测镀层凝固结束位置。
再参见图4，上述速度检测装置14例如是脉冲发生器。脉冲发生器14设置在上述张紧辊31b上，可根据一定时间内计数的脉冲个数正确地检测热镀钢板28的输送速度。上述流量检测装置15是检测使热镀钢板28冷却的空气风量的风量计。风量计15设置在上述送风管34上，可以在流量控制阀35靠近冷却装置29的位置正确检测冷却风量。上述流量控制装置20例如是风量控制器，风量控制器20根据冷却风量指令值控制冷却装置29的冷却风量。作为上述速度控制装置的速度控制器21根据输送速度指令值，控制热镀钢板28的输送速度。
设定装置17是键盘之类，对运算装置18和控制装置19设定预定的设定值。上述运算装置18例如是微型计算机(微机)，计算母材钢板23浸入镀浴25时起、通过浴中直至镀层凝固结束的第一历经时间，和热镀钢板28导出浴面以上时起直至镀层凝固结束的第二历经时间。上述控制装置19例如是工艺流程控制计算机，对上述流量控制装置20和速度控制装置21进行控制，使得热镀钢板28的合金层厚度及其截面形态相应值满足目标值。另外，就截面形态相应值而言，如下所述采用的是合金层层厚的最大凹凸差或合金层的截面形态评分。
图8是示意合金层控制装置电子构成的框图。凝固位置检测装置13检测镀层凝固结束位置L3，将检测值送至运算装置18。速度检测装置14检测热镀钢板28的输送速度V，将检测值送至运算装置18和作为处理电路的控制装置19。设定装置17对运算装置18设定热镀设备固有值，即上述输送距离L1、L2，并且对控制装置19设定冷却装置29冷却风量F的最大值和输送速度V的最大值，此外，还对控制装置19设定各个用户所确定的合金层层厚的目标值TA和合金层其截面形态相应值的目标值等。流量检测装置15检测冷却装置29的冷却风量F，将检测值送至控制装置19。运算装置18根据镀层凝固结束位置L3和输送速度V的检测值以及输送距离L1、L2，计算出第一历经时间和第二历经时间，送至控制装置19。
控制装置19包括存储器19a，合金层运算器19b，比较器19c和修正值运算器19d，对所接收的各个信号进行处理，输出控制指令信号。存储器19a预先存储后面述及的递归式等。此递归式如后面所述，表示上述第一历经时间与合金层厚度的相关关系和上述第二历经时间与合金层截面形态相应值的相关关系。合金层运算器19b将运算装置18的输出，即第一历经时间和第二历经时间代入存储器19a存储的递归式，分别计算合金层厚度和合金层截面形态相应值。
比较器19c对合金层运算器19b的计算值与设定装置17设定的各目标值进行比较对比，计算值不满足目标值时，再对流量检测装置15和速度检测装置14的输出与设定装置17设定的冷却风量和输送速度的最大值进行比较对比。因此，冷却风量不到最大值时，输出对冷却风量进行修正的信号，冷却风量达到最大值，而当输送速度不到最大值时，则输出对输送速度进行修正的信号。修正值运算器19d响应比较器19c的输出，计算修正冷却风量或修正输送速度，将指令信号输出给流量控制装置20或速度控制装置21。上述处理重复进行直到计算值满足目标值为止。
流量控制装置20响应控制装置19的输出，调整上述流量控制阀35，控制使得冷却装置29的冷却风量与指令值一致。速度控制装置21响应控制装置19的输出，调整上述张紧辊31的驱动电动机32，控制使得输送速度与指令值一致。合金层控制装置11象这样依据合理的算法动作，因而可以高精度地控制使得热镀钢板28的合金层厚度及其截面形态相应值与目标值一致。
图9是示意第一历经时间与热镀铝钢板合金层厚度相关关系的相关图。合金层生成厚度明显与第一历经时间的平方根具有一次相关，若令合金层厚度为T，第一历经时间t1的平方根为Rt1，其递归式则由下式(1)表示。
T＝1.02Rt1 ...(1)上述递归式(1)的相关因数r为0.860，相关关系非常强。因此，第一历经时间越短(凝固时间越短)，合金层厚度越小。另外，递归式(1)预先存储在所述控制装置19的存储器19a中。合金层的生成厚度与第一历经时间的上述相关可以作如下说明。
热镀钢板合金层的生成取决于Fe原子从母材钢板向镀层内的扩散。表示扩散定律的菲克第二定律中，若扩散系数D与位置无关、一定的话，该定律可由式(2)表示。若考虑扩散距离对于初始浓度分布状态来说较短(实际作业当中几乎没有合金层生长到达镀层表面的情况，合金层厚度相对镀层整体较小)，式(2)的解可利用高斯误差函数由式(3)给出。
c/t＝D2c/x2...(2)(式中，cFe浓度、t时间、D扩散系数、x距界面的距离)
(Cx-Co)/(Cs-Co)＝1-erf(x/2√(Dt))...(3)(式中，Cs母材钢板与镀层的界面的Fe浓度，Cx距离母材钢板表面x位置处的Fe浓度，Co镀层初始Fe浓度)可以置式(3)中Cs的Fe浓度为100％，Co的Fe浓度为0％，而且，对于Cx来说，热镀铝钢板制品其合金层生长端部分的Fe浓度据测定约为30％，故而令Cx值为30％，整理式(3)便可以得到下式(4)。这里，根据表示高斯误差函数的下述式(5)求erf(y)＝0.7中的y的话，则y＝0.733，由此解式(4)便可得到式(6)。
erf(x/(2√(Dt)))＝0.7...(4)erf(y)=2/√π∫oyexp(-x2)dx···(5)]]>x＝1.466×√D√t...(6)扩散系数D〔＝Doexp(Q/RT)〕虽然是温度的函数，但实际作业的镀浴总是管理维持在一定温区内(目标温度值±约15℃)，镀浴组成也管理维持不变，因而镀层凝固温度也大致不变，镀层凝固时的平均温度可认为不变，与冷却速度无关。也就是说，连续热镀铝作业中D值在凝固时间误差范围内大致不变，√D可视为常数，因而式(6)将1.466×√D代换为系数α，则表示为如下式(7)。
x＝α√t...(7)〔式中，x合金层厚(cm)、t时间(秒)、α系数(√(cm2/秒))〕上述式(7)示出合金层的生成厚度x与时间的平方根√t成正比。这里，就扩散而言，液体中远远比固体中进行得更为迅速，因而连续热镀铝设备这类高速、短时间处理设备当中合金层的生长反应(Fe原子从母材钢板扩散进入至镀层内)可以认为与镀层处于液相状态的时间(即母材钢板浸入镀浴中、通过镀浴后直至金属镀层凝固结束所经历的时间)的平方根成正比。根据这番考察，对于实际作业的成品热镀钢板(材料种类极低碳素含钛钢、中碳素和低碳素镀铝钢、不脱氧钢等，板厚0.4～3.2mm，镀层厚10～45μm、单面)其镀层的合金层厚度，按第一历经时间平方根整理得到的结果，便是上述图9的相关图(式(7)中的α＝1.02(√(cm2/秒)))。
另外，根据此结果计算扩散系数D的话，D＝4.98×10-9(cm2/秒)。已知一般面心立方格子金属在熔点下的自扩散系数取10-8～10-9(cm2/秒)值，可以说上述D的数值是合适的。
前述图9的合金层厚度与第一历经时间的相关关系不论母材钢板的材料种类、板厚、镀层厚度等如何都可以适用，按照此相关关系，就不需要考虑母材钢板的板厚和与板厚有关的冷却速度，也不需要在浸入镀浴时对板温作调节、和事先用特定金属层覆盖钢板表面等麻烦的措施，只要调节第一历经时间，就可以高精度地控制合金层的生成厚度。
图10是示意第二历经时间与热镀铝钢板合金层层厚的最大凹凸差之间相关关系的相关图。合金层层厚的最大凹凸差是合金层截面形态相应值中的一种，其求法如前述图3所示。合金层层厚的最大凹凸差明显与第二历经时间的平方根具有一次相关关系，若令合金层层厚的最大凹凸差为G，第二历经时间t2的平方根为Rt2，其递归式则由下式(8)表示。
G＝1.113Rt2-0.094...(8)上述递归式的相关因数r为0.758，相关关系非常强。因此，第二历经时间越短(凝固时间越短)，合金层层厚的最大凹凸差G越小，截面形态的平整性越好。
图11是示意第二历经时间与合金层截面形态评分之间相关关系的相关图。合金层截面形态评分是合金层截面形态相应值中的一种，如图12(1)～(5)所示，将合金层截面形态划分为五等进行评分的。也就是说，五等评分的评分1示出的是合金层截面凹凸差最大的图12(1)的截面形态，评分5示出的是合金层截面形状最平整的图12(5)的截面形态。
由图11可知，合金层截面形态与第二历经时间具有明显的相关，第二历经时间越短(凝固时间越短)，截面形态越平整。这样，作为合金层截面形态相应值的合金层层厚最大凹凸差G和合金层截面形态评分，任何一种都与第二历经时间相关，因而可以通过对第二历经时间的调节，将合金层截面形态控制为平整性较佳的形态。另外，上述递归式(8)和图11的相关关系，预先存储在前述控制装置19的存储器19a中。上述合金层截面形态与第二历经时间的相关可说明如下。
图13是合金层成分浓度分布的说明图。对于如图13(1)所示截面凹凸较大的合金层(相当于前述图12中的评分“1”)、和如图13(2)所示平整性良好的合金层(相当于评分“4”)，比较平整部合金层中Fe、Si浓度分布的话，两者的Fe浓度约为30％，没有差异，并且在母材钢板界面附近(位置E2和位置B3)的合金层中Si浓度都约为12％，几乎相同。可是，凹凸较大的前者的凸状部分前端(位置A2)的Si浓度约为17％，与后者平整的合金层的那种部位相比，呈现富Si状态。
根据图14的Al-Si平衡状态图，考察此Si浓度分布的话便知道，在Al-Si镀层凝固过程中，初晶α(Si的固溶限为1～2重量％，比镀浴Si浓度低)一面从熔体中排出，一面结晶，因而，作为最终凝固部分的熔体部的Si浓度比其他部分高。
就上述凝固过程，比较镀层凝固时间充分长的情形和短时间内结束凝固的情形，凝固时间长的时候，就有足够的时间以便Si原子在熔体中扩散移动，并且在初晶α与熔体之间充分分配Si原子，因而如图15(1)所示，初晶α生长得粗大，未凝固的熔体L中Si浓缩成高浓度。而且，初晶α与母材钢板表面接触的部分(变成固体/固体间的扩散反应)其合金层的生长(Fe原子的扩散)延迟，初晶α未接触的部分(固体/液体间的扩散反应)则因Fe原子从母材钢板扩散而使合金层迅速生长。这种扩散反应局部的快慢差异，致使合金层截面形态产生凹凸。凝固时间越是缓慢，这种凹凸就越大。
与此相反，凝固时间短的时候，熔体中和初晶α中的Si原子扩散移动受到抑制，初晶α的核生成还是很多，如图15(2)所示，是在微小的初晶α位于熔体L的整体内，大量、均匀分布的状态下进行凝固的，因而与前述较缓慢凝固条件时不同，合金层局部生长的延缓得到减轻，成为凹凸较少的(凹凸细小化的)截面形态。
图16是说明合金层控制装置动作用的流程图。由图16说明热镀铝钢板合金层控制方法。在步骤S1，在合金层控制之前初始设定目标值、设备固有值和设定值等。就前述目标值而言，可将合金层厚度目标值TA、合金层层厚最大凹凸差目标值GA和合金层截面形态评分目标值初始设定为预定值。这些目标值可根据镀着量和用户冲压加工所要求的镀层剥离性等确定。上述目标值的数值例如是TA4μm、GA5μm、截面形态评分4。就前述设备固有值而言，可根据热镀铝设备的设备规格初始设定前述输送距离L1、L2、冷却装置29的冷却风量最大值FMAX和热镀钢板28输送速度最大值VMAX。至于前述设定值，风量修正量ΔF和速度修正量ΔV，可根据以往的作业经验初始设定为预定值。这当中，风量修正量ΔF和速度修正量ΔV是分阶段修正冷却风量和输送速度时所采用的单位修正量，本实施例中，如后面所述大多用作增量修正量，以缩短镀层凝固时间。
在步骤S2，分别检测镀层凝固结束位置L3、热镀钢板28的输送速度V和冷却装置29的冷却风量F。这些是通过前述凝固位置检测装置13、速度检测装置14和流量检测装置15进行检测的。在步骤S3，计算前述第一历经时间t1和第二历经时间t2。第一和第二历经时间t1、t2是由运算装置18根据下式式(9)、式(10)计算的。
t1＝(L1+L2+L3)/V...(9)t2＝(L2+L3)/V ...(10)在步骤S4，计算热镀钢板28的合金层厚度T及其最大凹凸差G。这些量是通过将步骤S3计算出的历经时间t1、t2代入前述递归式(1)和(8)计算出来的。另外，也可以用合金层截面形态评分来代替合金层层厚最大凹凸差G。这种时候，可从前述图11的相关关系求得与第二历经时间t2相对应的合金层截面形态评分。
在步骤S5，判断步骤S4计算出的合金层厚度T是否在其目标值TA以下。若此判断肯定，便进入步骤S6，此判断否定的话，便进入步骤S7。在步骤S6，判断步骤S4计算出的合金层层厚最大凹凸差G是否在目标值GA以下。若此判断肯定，则合金层厚度T及其最大凹凸差G都满足目标值，因而继续照原样热镀，进入步骤S13。若步骤S6的判断是否定的话，便进入步骤S7。
在步骤S7，判断步骤S2检测出的冷却风量F是否未到冷却风量最大值FMAX。若此判断肯定，可以增加冷却风量以缩短凝固时间，故进入修正冷却风量的步骤S8。在步骤S8求得修正冷却风量F1。修正冷却风量F1是根据下面式(11)由步骤S2检测出的冷却风量F和步骤S1中设定的风量修正量ΔF计算得到的。
F1＝F+ΔF ...(11)求出修正冷却风量F1后，便进入步骤S12。若步骤S7的判断是否定的话，冷却风量已达到了最大值，因而可判断无法通过冷却风量在此基础上缩短凝固时间，便进入步骤S9。在步骤S9，判断输送速度V是否未到输送速度最大值VMAX。若此判断肯定，是可以增加输送速度以缩短凝固时间的，故进入修正输送速度的步骤S10。在步骤S10求得修正输送速度V1。修正输送速度V1是根据下式式(12)由步骤S2检测出的输送速度V和步骤S1中设定的速度修正量ΔV计算得到的。
V1＝V+ΔV…(12)求出修正输送速度V1后，便进入步骤S12。在步骤S12，对冷却风量F或输送速度V进行修正。也就是说，若步骤S7的判断肯定，就进行冷却风量F的修正，若步骤S7的判断否定、且步骤S9的判断肯定的话，就进行输送速度V的修正。冷却风量F的修正是通过调整前述冷却装置29的流量控制阀35的开启度，使得冷却风量F与步骤S8求出的修正冷却风量F1一致进行的。输送速度V的修正是通过调整前述张紧辊31的驱动电动机32的转速，使得输送速度V与步骤S10求出的修正输送速度V1一致进行的。步骤12的修正结束后，就进入步骤S13。
步骤S9的判断否定的话，输送速度已达到了最大值，可判断无法再缩短凝固时间，便进入步骤S11。在步骤S11发出警报。警报可由闪烁红色显示灯等目视显示和蜂鸣等声音提示发出。发出警报的热镀铝钢板有可能在合金层厚度或其最大凹凸差上比目标值还大，故而进行详细的质量调查，作出处置决定。发出报警后进入步骤S13。
在步骤S13，判断是否结束合金层的控制。此判断是依据热镀铝钢板28的板卷尾端是否到达控制位置即冷却装置29来进行的。若此判断否定，则继续控制，返回步骤S2。从该步骤S2经步骤S13再次回到步骤S2的循环重复进行，直到步骤13的判断变成肯定为止。步骤13的判断肯定的话，就说明板卷尾端到达控制位置，因而一卷钢板的合金层控制便结束。
综上所述，本实施例是检测镀层凝固结束位置，求出凝固结束之前的前述第一历经时间和第二历经时间，根据前述图9的相关关系，求出与第一历经时间相对应的合金层厚度T，根据图10或图11的相关，求得与第二历经时间相对应的合金层层厚的最大凹凸差G或合金层的截面形态评分，对作为作业条件的冷却装置29的冷却风量F和热镀钢板28的输送速度V当中至少之一重复进行修正，直到这些计算值满足各个计算值的目标值为止。象这样，合金层的控制是通过反馈控制进行的，因而，可以确实地做到对合金层厚度和截面形态的切实控制。具体来说，例如将合金层控制在厚度4μm以下、最大凹凸差4μm以下和截面形态评分4以上，通过对冷却风量和输送速度的调节操作，使第一历经时间在16秒以下、第二历经时间在10秒以下，是可以做到的。而且，对于这种合金层厚度与截面形态控制的相乘效果来说，可进一步强化镀层的耐剥离性，应付深冲、减薄等苛刻冲压成型加工的可靠性高出一截。因此，按照本实施例，可以有效、可信地制造镀层耐剥离性出色的热镀铝钢板。
本发明的其他实施例，也可以不是对热镀钢板28的合金层厚度和合金层截面形态一起控制，而是仅仅对合金层厚度进行控制来制造热镀铝钢板28。本实施例的合金层控制装置与前述合金层控制装置11完全相同，为避免重复，省略附图和说明。此外，示意本实施例合金层控制装置动作的流程图除了后面提到的以外也与图16相同，为避免重复，省略附图和说明。具体来说，本实施例的流程图就是省略图16所示的流程图中有关合金层截面形态的判断步骤，即步骤S6，此外，还省略步骤S1、步骤S3和步骤S4中与第二历经时间和合金层最大凹凸差有关的记载。
本实施例对合金层厚度的控制是检测镀层凝固位置，求出凝固结束之前的前述第一历经时间，根据前述图9的相关关系，求得与第一历经时间相对应的合金层厚度T，对作为作业条件的冷却装置29的冷却风量F和热镀钢板28的输送速度V当中至少之一重复进行修正，直到合金层厚度计算值满足合金层厚度目标值为止。象这样，按照本实施例，对合金层厚度的控制是通过反馈控制进行的，因而可高精度地控制合金层的生成厚度。具体来说，例如将合金层厚度控制在4μm以下，通过对冷却风量和输送速度的调节操作使第一历经时间在16秒以下，是可以做到的。因此，可以根据用户冲压加工所要求的耐剥离性来控制合金层厚度。
本发明所用的熔融铝镀浴之所以做成Si含量3～13重量％的Al-Si镀浴组成，是因为添加Si具有抑制合金层的效果，为此需含有至少3重量％(超过6重量％还可以获得抑制浴中浸渍部件腐蚀溶损的效果)。而超过13重量％的话，金属镀层的耐蚀性、加工性就变差，因而以此为上限。这种镀浴组成的调整与现有的连续热镀铝作业当中的调整并没有什么特别不同之处。另外，Al-Si合金浴中不可避免地附带有杂质，通常为大约5重量％以下的Fe成分，但混有这种杂质无损于发明意图。
镀浴的浴温不用说，是保持在熔点以上的，但要使镀层表面质量稳定，较好是在熔点+20℃以上。将镀浴浴温的上限规定为熔点+70℃，之所以这样规定，是因为超过此温度的高温镀浴不仅对热经济性不利，而且促进合金层的生长，无法获得本发明对合金层有效控制的效果。
另外，本发明不单单对于热镀铝，对于其他连续热镀(例如，铝锌合金热镀、锌铝合金热镀、纯铝热镀等)，作为其合金层厚度和合金层截面形态的控制手段也是有效的，超过两种、分别互相具有固溶限的元素所组成的合金热镀具有抑制合金层截面形态的效果。
(实例)连续热镀铝设备将母材钢板23输送到镀浴中，由冷却装置29对导出浴面以上的热镀钢板28强制冷却，制造热镀铝钢板。
〔A〕试制钢板的制造条件(1)母材钢板的材料种类A极低碳素加钛钢板化学组成(重量％)C≤0.005，Si≤0.10，Mn0.10～0.20，P≤0.020，S≤0.010，Al0.04～0.06，Ti0.05～0.07，N≤0.005板厚0.4～3.2mmB低碳素镀铝钢板化学组成(重量％)C≤0.008，Si≤0.10，Mn0.10～0.40，P≤0.020，S≤0.030，Al0.02～0.06，N≤0.005板厚0.7～2.2mmC中碳素镀铝钢板化学组成(重量％)C0.12～0.15，Si≤0.10，Mn0.50～1.00，P≤0.030，S≤0.030，Al0.02～0.06，N≤0.005板厚2.4～2.9mm(2)热镀钢板的输送速度50～140m/min(3)镀着量15～35μm(单面)(4)镀浴以上冷却装置的强制冷却条件致冷剂空气喷射压力80～430mmAq喷射量400～2400m3/min〔B〕合金层的评价对于各试制热镀钢板，由扫描型电子显微镜(倍率2000)，以图2和图3所示的方法测定、评价合金层的生成厚度、截面形态。
〔C〕冲压成型性能的评价对于各试制材料，通过下面提及的杯型深压成型加工(油压方式)，评价镀层的抗剥离性。
冲头直径85mm，坯料直径177mm，深冲深度40mm，模肩角和冲头肩角半径4mm。
耐剥离性评分sa无剥离、a微小剥离、b中剥离、c大剥离。
表3中示出各试制材料的制造条件和制造结果(合金层评价、冲压加工性能评价)。合金层的生成厚度和截面形态因缩短第一历经时间和第二历经时间而变薄，并且更为平整。作为实例表示的热镀钢板的合金层评价不论哪一种都是生成厚度约5μm以下，合金层层厚最大凹凸差约5μm以下，且合金层截面形态评分“3”以上。尤其是将第二历经时间调节得较短的试制材料，除了控制合金层厚度效果以外，还可确保平整性更为优异的截面形态。这种热镀钢板就合金层厚度和截面形态的控制效果来说，其耐剥离性高到足以承受杯型深冲强加工，尤其是截面形态平整性出色的试制材料(A.25、B.22、C.22)，冲压加工被认为完全没有镀层剥离。另外，镀层不论哪一种都平整、漂亮，(据目视观察)具有健全的表面质量。
与此相反，作为对照例表示的热镀钢板，合金层的生成厚度较厚，而且截面凹凸大，冲压加工性能差(试制材料A.14之所以将第一历经时间调节得较短，但合金层厚度仍然较厚，是因为热镀浴温过高(熔点+约83℃))。
上述实例中，尽管将第一历经时间调节到约20秒以下、第二历经时间调节到16秒以下作为本发明表示，但第一历经时间和第二历经时间的设定可以根据成品热镀钢板的用途，冲压加工所要求的耐剥离性能，作合适的设定，以便获得所需的合金层厚度抑制效果。
(表3)
表3
工业实用性综上所述，按照本发明，热镀铝钢板在合金层厚度及其最大凹凸差都在合适范围内，因而具有极为出色的镀层耐剥离性能，冲压加工时即使采取深冲、减薄等强加工，也可确实防止镀层发生剥离。
按照本发明，由于可以高精度地控制合金层厚度，因而可以根据用户冲压加工所要求的耐剥离性能对合金层厚度进行控制。
按照本发明，可以有效地抑制合金层的生成厚度，并且将合金层截面形态控制为平整性较好的形态。此外，合金层控制当中不必考虑板厚等，也不需要象以往那样对热镀钢板导入浴中的温度进行调节，或是对其板面被覆处理金属层等繁杂的处置。而且与现有方法相比，可以以极高的精度控制合金层。
按照本发明，合金层控制装置可以高精度地控制使得合金层厚度和合金层的截面形态相应值满足目标值，因而可以谋求提高热镀铝钢板的质量(耐剥离性能)，提高对于深冲、减薄等苛刻冲压成型加工的可靠性。
按照本发明，凝固位置检测装置是在二维上检测热镀钢板温度分布的，因而最终凝固点即便在板幅和输送方向上变动，也可以确实地求得其位置，从而正确、可信地检测镀层的凝固结束位置。
权利要求
1.一种热镀铝钢板，在母材钢板表面上具有Si含量3～13重量％的Al-Si金属镀层，在母材钢板与金属镀层的界面上具有Fe-Al-Si合金层，其特征在于，Fe-Al-Si合金层的厚度为1～5μm，且Fe-Al-Si合金层层厚的最大凹凸差为0.5～5μm。
2.一种连续热镀铝钢板制造方法，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于，依据母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的时间同Fe-Al-Si合金层厚度的相关关系，调节所述历经时间以便合金层厚度在规定值以下。
3.如权利要求2所述的连续热镀铝钢板制造方法，其特征在于，通过对母材钢板输送速度和冷却装置致冷剂流量至少之一进行调整，来调节所述历经时间。
4.一种连续热镀铝钢板制造方法，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于，依据母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的第一历经时间同Fe-Al-Si合金层厚度的相关关系，调节所述第一历经时间以便合金层厚度在规定值以下；依据热镀钢板导出镀浴面时起、至金属镀层凝固好时所经历的第二历经时间同合金层截面形态相应值的相关关系，调节第二历经时间以便合金层截面形态相应值满足规定值。
5.如权利要求4所述的连续热镀铝钢板制造方法，其特征在于，通过对母材钢板输送速度和冷却装置致冷剂流量至少之一进行调整，来调节第一历经时间和第二历经时间。
6.一种连续热镀铝钢板的合金层控制装置，将母材钢板输送导入具有Si含量为3～13重量％的Al-Si镀浴组成的熔融铝镀浴中，在板面上形成金属镀层的同时，在金属镀层与母材钢板的界面上形成Fe-Al-Si合金层，由镀浴上方的冷却装置强制冷却金属镀层，使之凝固，其特征在于包括检测金属镀层凝固结束位置的凝固位置检测装置；检测母材钢板输送速度的速度检测装置；检测冷却装置致冷剂流量的流量检测装置；控制冷却装置致冷剂流量的流量控制装置；控制母材钢板输送速度的速度控制装置；设定Fe-Al-Si合金层厚度的目标值，合金层截面形态相应值的目标值，热镀钢板在镀浴中的输送距离，热镀钢板离开镀浴浴面至通过冷却装置之前的输送距离的设定装置；根据凝固位置检测装置和速度检测装置的检测值以及设定装置设定的各个输送距离，计算出母材钢板浸入镀浴时起、通过浴中、至金属镀层凝固好时所经历的第一历经时间，和热镀钢板导出镀浴面时起、至金属镀层凝固好时所经历的第二历经时间的运算装置；响应运算装置的输出，依据第一历经时间同合金层厚度的相关关系，计算出与第一历经时间计算值相应的合金层厚度，依据第二历经时间同合金层截面形态相应值的相关关系，计算出与第二历经时间计算值相应的合金层截面形态相应值，对流量控制装置和速度控制装置至少之一进行控制，以便计算出的合金层厚度和合金层截面形态相应值满足设定装置设定的各个目标值的控制装置。
7.如权利要求6所述的连续热镀铝钢板的合金层控制装置，其特征在于，所述凝固位置检测装置包括检测热镀钢板二维温度分布的温度分布检测装置；响应温度分布检测装置的输出，对二维温度分布进行图像处理的图像处理装置；响应图像处理装置的输出，图像显示二维温度分布，从显示图像检测金属镀层凝固结束位置的图像显示装置。
全文摘要
热镀铝钢板要提高镀层耐剥离性能，最好使Fe-Al-Si合金层厚度为1～5μm，Fe-Al-Si合金层层厚最大凹凸差为0.5～5μm。这种热镀铝钢板是通过对母材钢板浸入镀浴时起、导出浴中、直至金属镀层凝固结束所经历的第一历经时间，和母材钢板导出镀浴面时起直至金属镀层凝固结束所经历的第二历经时间进行调节来制造的。
文档编号C23C2/12GK1145645SQ96190018
公开日1997年3月19日 申请日期1996年2月9日 优先权日1995年2月24日
发明者小林雅之, 左织隆, 冈野正树 申请人:日新制钢株式会社