镀锌金属物体及其制造方法
镀锌金属物体及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有复杂形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）的制造。具体来说，本发 明涉及具有包括多边形的形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）物体的制造，其中制造要求从 包含多个自由边的薄的金属片基质形成此类物体，并对所述金属片基质进行镀锌。本发明 还涉及此类具有复杂形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）物体，只要它们无法通过现有可行 的制造工艺的方式生产。
【背景技术】
[0002] 通常已知的是，金属片可以通过焊接、铆钉、钉牢、粘结、卷边、螺钉或夹固定的方 式进行组装。但是，在镀锌钢片的情况下，部分此类方法在实践中是不可用的或者经受强烈 的约束，这限制了它们的竞争力或者可以组装的产品的类型。例如，焊接工艺的最明显的健 康危害之一是产生烟雾和气体。由于锌是用于镀锌金属的涂层，在焊接过程中，其产生蒸发 滴（烟气），当呼吸时，可能深入肺部中。呼吸锌烟气的典型影响是金属烟雾病。在没有合 适个人保护的情况下，在进行焊接1小时或2小时之后，可能遭受严重的症状，例如口渴、腿 疼痛、头充血、咽喉干燥和咳嗽。因此，出于健康原因，非常厚的镀锌钢片（ISO 1461)的焊 接是不推荐的，或者应该是尽可能的避免的。
[0003] 片金属钉牢是一种冷成形技术，其在不使用固定件、螺钉、铆钉或点焊接的情况 下，将两件或更多件金属件接合在一起。其产生不影响表面精整的纽扣型接合件。其适用 于高强度固定，不产生废料，且比点焊接更负担得起。采用偏心式压机，该技术能够实现低 至1.0 mm的钉牢点直径，并且其实际循环时间可低至0· 4秒。例如，还已知的是，由0· 6mm 厚的镀锌钢和〇· 5mm厚的镀锌铜构成的LED(发光二极管）条，其通过直径为2. Omm的 钉牢点的方式，可以容易地接合在一起（德国魏因加滕市Tox Pressotechnik公司（Tox Pressotechnik GmbH, ffeingarten, Germany))〇
[0004] 美国专利第8, 555, 479号揭示了承重钢结构连接的生产，其中通过模具工具和对 立工具的方式，通过局部变形，使得第一金属工件与第二金属工件钉牢连接地连接在一起。 据说金属工件的厚度对于评价钉牢连接是最重要或者最显著的，因为钉牢连接的承重能力 与该变量直接相关。所揭示的方法适用于钢构建，其中第一工件厚度大于第二工件厚度，并 且其中第一工件厚度至少为4mm或者第二工件厚度至少为3mm。
[0005] 美国专利申请公开号2006/096075揭示了一种用于对多片延展性材料，例如铜、 铝、钢或铁进行机械互连（例如钉牢固定）的用于冲压机的模具，其中堆叠片的总厚度为 6. 3-25. 4mm η
[0006] 但是，上述所引用的现有技术参考文献没有解决制造具有复杂形状的某些类型的 镀锌三维金属物体的问题。具体来说，它们没有解决难以处理镀锌金属（特别是镀锌钢） 的问题，切割薄片基质具有包括多个自由边的形状。在此情况下，除了避免薄的镀锌涂层中 的裂纹之外，含铝镀锌涂层的延展性结合多个自由边的固定的要求，代表了形成最终物体 的困难。这是本发明解决的一个问题。
[0007] 目前，只有非常少的商业可用的镀锌钢盒或容器，并且它们大部分不是复杂形状 的物体，是由固体非孔或少孔镀锌钢片制造的。这大概是由于缺乏合适的、不昂贵的制造工 艺所导致的，如上所述。由于它们的高生产成本的结果，此类镀锌钢盒或者壳在电子工业中 具有有限的用途，例如，（用于装箱分流的）接线盒，其包括I. 52_厚的镀锌钢固体片，在 它们的前门上具有非常小的通风区域，以保持防尘和防水，并且通常还包括用于加锁的镀 锌钢连续铰链和搭扣。在该镀锌钢接线盒的构建中，开放表面（通风孔）与总表面的比例 低于0. 15。同样用于电缆线的是已知的4英寸预镀锌钢八边形盒，1. 5英寸深、0. 75英寸顶 出（knockouts)，其中开放表面与总表面的比例低于0. 10。
[0008] 目前可用的用于生产任意复杂形状和尺寸的镀锌钢三维物体的制造工艺经受许 多限制，因此无法合适地实现主要市场要求。使用通过连续过程热浸镀锌的预镀锌金属片 在原理上会提供形成所述金属片，进行后续金属切割和接合，从而由于部分锌铝合金的延 展性，产生复杂形状的物体的机会。但是，现有已知过程的一个首要缺点在于，在镀锌步骤 之后进行金属片基质的切割，因而切割边缘不含锌基镀锌涂层，因此没有受到耐腐蚀的保 护。这在大多数情况下是不可接受的。采用标准纯锌浴的热浸镀锌法的金属片基质的后镀 锌冷成形通常是不令人满意的，因为所得到的锌铁涂层是脆性的，并且金属片成形过程会 不可避免地导致保护涂层中的裂纹，因而使得三维物体对于耐腐性的保护的明显下降，不 仅是即时的而且也是长期的。在形成物体之后进行镀锌的现有已知过程的一个缺点在于， 将三维物体从工厂的成形区段传输至镀锌区段涉及生产工厂中比实际所需多得多的空间， 因而涉及额外的成本，特别是如果物体具有大体积的话。
[0009] 因此，本发明解决的一个问题是设计一种高度有效的方法用于制造任意复杂形状 和尺寸的镀锌钢三维物体，其具有高的产品质量，因为没有局部地破坏腐蚀保护，例如不会 产生镀锌层的裂纹，同时提供了后镀锌冷成形金属片基质的可能性而没有留下不含锌的切 割边缘，以及后续进行金属边缘的非热接合的可能性，从而没有破坏锌涂层。本发明解决的 另一个问题是设计用于生产任意复杂形状和尺寸的镀锌钢三维物体（例如但不限于，适于 运输物品的盒或承重容器）的非昂贵且灵活的制造过程。例如，但这仅仅是一个示例性实 施方式，该过程应该能够生产各种形状和尺寸，任选地在其表面的一部分具有大量开口或 孔的镀锌钢三维物体，从而提供具有足够机械强度的轻质盒、壳或容器，同时享有镀锌钢材 料的全部益处（特别是耐腐蚀性）。
【发明内容】
[0010] 在其最宽的概念中，本发明是基于出乎意料的发现，可以从薄的金属片基质，具体 是钢片基质，高效地生产任意复杂形状和尺寸的高质量耐腐蚀性的三维物体的镀锌金属， 特别是镀锌钢，所述基质可以在没有进行金属镀锌的情况下被预切割成包括多个自由边的 形状，之后形成三维物体，因此不会遭受各种上文所述的现有技术和过程的技术和经济劣 势。
[0011] 根据本发明的加工方法的第一个优势在于其确保了金属（例如钢）表面的完全覆 盖，因而确保了最终三维物体对于腐蚀的完全保护，从而参与高质量耐久金属（例如钢）产 品的生产。作为另一个优势，其不限于任意类型的金属冷成形方法，并且可适用于所有种类 的具有任意复杂形状和尺寸，任选地包括孔部分的预切割的镀锌金属片基质。因此，根据本 发明的方法对于生产用于许多终端用途的全部范围的轻重量但是耐机械性和耐腐蚀性的 三维金属物体是特别有用和灵活的。作为另一个优势，相对于现有技术，其在制造成本方面 是具有高度竞争力的。更准确地，通过权利要求1所定义的制造方法的方式，以及权利要求 11所定义的镀锌金属三维物体，实现了这些目的和优势。
[0012] 定义
[0013] 除非另有说明，本文所用术语"热浸镀锌"是指在批料操作中，通过将金属平坦产 品或片基质（例如但不限于铁或钢片基质）浸入纯锌或锌合金的熔融浴中维持足够的时 间，以在平坦产品或片基质的表面形成保护层的腐蚀处理。术语"纯锌"指的是现有技术的 锌镀锌浴，除了锌之外，其可含有痕量的一些不可避免的添加剂，例如，锑、铋、镍或钴，但是 不含显著量的合金元素。这不同于术语"锌合金"，其除了锌之外，含有显著量的一种或多种 其他合金金属，例如但不限于，铝。当用于钢镀锌时，这些其他合金金属也会参与铁锌合金 保护层的形成。
[0014] 除非另有说明，本文所用表述"耐受弯曲测试的可成形性"指的是在成形，在弯曲 测试指定的条件下对镀锌钢片进行折叠或弯曲之后，在没有使用放大辅助工具的情况下， 在镀锌涂层中没有可见的裂纹。
[0015] 除非另有说明，本文所用术语"冲孔"指的是一种金属成形过程，其采用压力迫使 冲压机通过金属片，以经由剪切形成孔，其中冲压机穿过片进入模具。工具、冲压机和模具， 可由硬化钢或者碳化钨制造。模具位于片的相对侧，绕着孔的周界支撑材料，并帮助使得剪 切力在清洁边缘（cleaner edge)局部化。在冲压机和模具之间存在小的间空，以防止冲压 机粘在模具中，并且需要较小的作用力来制造孔。可以产生多种形状的孔。
[0016] 在镀锌组合物或助熔组合物的以下描述 中，不同百分比指的是各种组分相对于相 应组合物的总重量（100%)的重量百分比（重量％)。这表示不是所有的最大或最小百分 比能同时存在，为了它们的总数符合100重量％。
【附图说明】
[0017] 图1显示适用于生产用于传输物品的平行六面体盒或容器的打孔片基质，其具有 多个边缘和几何形状，并且其在水平和横向方向都经过折叠。
【具体实施方式】
[0018] 在第一个总的方面，本发明涉及用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三 维物体的方法，所述方法依次包括以下步骤：
[0019] (A)提供并切割金属片基质，其厚度为0. 8-6_，所述金属片基质的形状包括多个 自由边，
[0020] (B)将所述金属片基质批料热浸到熔融锌合金镀锌浴中，
[0021] (C)将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及
[0022] (D)冷成形一系列的接合点，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所 述的镀锌金属三维物体。
[0023] 在本文所限定的方法中，四个基本步骤以预定的顺序存在。下面将根据一组优选 的实施方式和实施例来详细描述各个步骤。
[0024] 为了解决现有技术的问题，本发明的方法的本质是首先通过锌合金的方式对预切 割的金属片基质进行批料热浸镀锌，然后，在批料热浸镀锌之后，对从预切割和镀锌的金属 (优选钢）片基质所得到的三维几何体进行钉牢。根据该宽概念，所述的几何体可具有多边 形形式、圆锥形式或者基于基质形式的任意其他复杂几何结构。为了便于解释说明以及为 本发明提供代表性实施方式的有用例子的目的，部分以下描述会聚焦于具有多边形形式的 几何体，但是应理解的是，本发明并不旨在限于此类实施方式。参考用于进行该实施方式的 以下详细描述，本领域技术人员能够在没有过重的负担和研宄的情况下，将本发明的过程 适用于任意其他三维几何形式。
[0025] 根据本发明方法的初始步骤（A)包括将薄金属片基质切割成包括多个自由边的 形状。在本发明的【具体实施方式】中，金属片基质的厚度可以至少1. 〇_，或者至少1. 2_，或 者至少I. 5_。在本发明的其他【具体实施方式】中，金属片基质的厚度可以最多4_，或者最 多3_，或者最多2_。虽然金属片基质的厚度不是本发明的关键参数，但是应该适用于待 生产的三维金属产品的最终用途。具体来说，应该选择实现产品所需的机械强度和耐久性 的最低可能值，例如旨在运输物品的容器或盒所需的机械强度。该选择属于本领域技术人 员的公知常识。
[0026] 在根据本发明的方法的初始步骤（A)中提供的金属片基质的种类，特别是钢片 基质的种类，没有具体的限制，前提是可以在镀锌步骤的过程中对金属涂覆锌合金保护 层。例如，片基质可以由各种钢种制造，具体来说，片由碳含量高至〇. 30重量％，磷含量 为0. 005-0. 1重量％以及硅含量为0. 0005-0. 5重量％的钢种，以及不锈钢制造。钢种的 分类是本领域技术人员众所周知的，具体参见汽车工程师学会（SAE)，并且可用于指导进 行本发明。在本发明的一个实施方式中，金属片可由易于腐蚀的铬/镍钢或铬/镍/钼钢 制造。任选地，钢种可以含有其他元素如硫、铝和铜。合适的例子包括但不限于，已知为 AISI 304(*1· 4301)，AISI 304L(1.4307、1. 4306)，AISI 316(1. 4401)，AISI 316L(1. 4404、 I. 4435)、AISI316Ti (I. 4571)或者AISI 904L(1. 4539) [*1· xxxx =根据DIN 10027-2]的钢 种。在本发明的另一实施方式中，金属可以是称为S235JR (根据EN 10025)或者S460MC (根 据EN 10149)或者20MnB4(*l. 5525,根据EN 10263)的钢种。给出上述例子是出于理解和 说明目的，不应该用来限制本发明的范围。
[0027] 根据本发明的方法的第二步步骤（B)包括将步骤（A)的切割金属基质批料热浸到 熔融锌合金镀锌浴中。虽然步骤（B)的其他工艺参数可能是较不重要的，但是关键的是作 为整体进一步进行制造过程，所述锌合金浴除了锌之外，还包含一种或多种合金金属，其比 例使得从热浸得到的涂覆有保护层的金属片基质具有足够的可弯曲性和可折叠性以耐受 下一个加工步骤（C)，而没有在所述保护层中引起裂纹。锌合金可以是二元的（即，包含一 种合金金属，优选铝）或者三元的（即，包含两种合金金属，优选铝和镁）。此类一种或多种 合金金属的非限制性例子是铝，或者铝和镁的混合物。锌合金中一种或多种合金金属的合 适比例通常至少为2重量％。特别合适的是锌合金中铝的比例至少为2重量％。在一个实 施方式中，锌合金中铝的比例可以至少为3重量％，或者至少为4重量％，或者至少为5重 量％。在本发明的另一个实施方式中，锌合金中铝的比例合适地为最高25重量％，或者最 高为20重量％，或者最高为7重量％的铝。此类锌合金的一个合适但是非限制性的例子是 GALFAN1、当镁在锌合金中作为合金金属存在时，其含量优选至少为〇. 2重量％，或者至 少为0. 5重量％，或者至少为1重量％。在本发明的一个实施方式中，锌合金中镁的比例合 适地最高为4重量％，或者最高为3重量％。如本领域所熟知的，适用于镀锌的锌合金还可 包含痕量（例如高至〇. 1重量％ )的一种或多种其他金属或硅。优选地，进行步骤（B)直 至对金属片基质镀锌的锌合金涂层的厚度约为5-20 μm。
[0028] 步骤（B)的其他相关工艺参数是维持镀锌浴的温度以及浸入时间。温度通常维持 在380-700°C，优选420-550°C。在整个浸入时间期间，温度可以保持恒定，或者可以根据 预定的温度方案增加或降低温度。用于加工步骤（B)的浸入时间通常为1-10分钟，例如 2-6分钟，这主要取决于片基质的尺寸和形状以及所需的涂层厚度。取决于一组参数（包 括金属片的厚度和/或形状，在其寿命期间金属产品预期经受的应力和环境条件，形成保 护涂层时预期耐久性等），本领域技术人员可适当地选择通过进行热浸步骤（B)在金属片 基质（例如钢片基质）上获得的保护涂层的厚度本身。例如5-15 μπι厚的涂层通常适于 0.8-1. 5mm厚的钢片，而15-20 μ m厚的涂层通常适于1.5-6mm厚的钢片。
[0029] 在步骤（B)的初始阶段，可任选地将片基质移入镀锌浴，从而有助于使得片基质 表面上形成的金属层再熔化。此外，可任选地在镀锌浴中进行惰性气体（例如但不限于氮 气或氩气或其混合物）的鼓泡。这可以通过例如在镀锌浴中提供气体扩散器（例如由陶瓷 或不锈钢制造）来实现。在适当选择的浸入时间之后，以合适的速度从浴中举起经涂覆的 片基质，从而从其表面去除液体锌合金。然后可以在水中冷却经涂覆的片基质，例如温度为 20-50°C，或者可以与气流，例如空气流接触。
[0030] 通常优选在步骤（A)和步骤（B)之间，根据本发明方法还包括另一个中间步骤，通 常称作助熔步骤，其由如下构成：将步骤（A)的金属片基质分批浸入到基于助熔组合物的 水性助熔浴中。用于该中间步骤的助熔组合物的种类通常取决于步骤（B)中所要使用的镀 锌浴的种类，但是通常包含氯化锌、氯化铵、碱金属或者碱土金属盐以及一种或多种过渡金 属氯化物。在本发明的一个实施方式中，特别是当步骤（B)的锌合金是二元含铝合金（例 如GALFAN? )时，用于中间助熔步骤的助熔组合物可以是根据EP1352100,即可优选地 包含：（a) 60-80重量％的氯化锌，（b) 7-30重量％的氯化铝，（c) 2-20重量％的至少一种碱 金属或者碱土金属盐，（d)0. 1-5重量％的至少一种过渡金属氯化物，其中过渡金属选自镍、 钴和锰，以及（e)0. 1-1. 5重量％的至少一种氯化物，其选自氯化铅、氯化锡、氯化锑和氯化 铋。碱金属或者碱土金属盐可选自，例如：一种或多种金属（例如，钠、钾、锂、铷、镁、钙和 钡）的卤化物（优选氯化物），更优选为氯化钠和氯化钾的混合物。
[0031] 不仅是二元含铝合金（例如GALFANk )，对于含铝和镁的三元锌合金，其他助 熔组合物可以为中间助熔步骤提供优异的结果。
[0032] 在此类其他助熔组合物的一个例子中，助溶剂可包含：（a)超过40重量％且低于 70重量％的氯化锌，（b) 10-30重量％的氯化铵，（c)超过6重量％且低于30重量％的一 组至少两种碱 金属或碱土金属卤化物，（d)0. 1-2重量％的氯化铅，以及（e) 2-15重量％的 氯化锡，前提是氯化铅和氯化锡的总量占所述组合物的至少2. 5重量％。例如，一组至少 两种碱金属或碱土金属卤化物可以是一种至少两种碱金属氯化物，占助熔组合物的10-30 重量％，或者15-25重量％。例如，所述一组至少两种碱金属氯化物可以包括氯化钠和氯 化钾，KCl/NaCl的重量比为0· 2-8. 0,或者0· 25-0. 6,或者L 0-2. 0,或者2. 0-8. 0,或者 3. 5-6. 0。在一个实施方式中，助熔组合物中氯化铅的比例可以至少为0. 4重量％，或者至 少为0. 7重量％。在另一个实施方式中，助熔组合物中氯化铅的比例可以至多为1. 5重 量％，或者至多为1.2重量％。在一个【具体实施方式】中，助熔组合物中氯化铅的比例可以是 0. 8-1. 1重量％。在一个实施方式中，助熔组合物中氯化锡的比例可以至少为2重量％，或 者至少为3. 5重量％，或者至少为7重量％。在另一个实施方式中，氯化锡的比例可以至多 为14重量％。在一个实施方式中，熔剂组合物中氯化铅和氯化锡的总量至少为4. 5重量％， 或者至多为14重量％。在另一个实施方式中，助熔组合物还可包含其他铅和/或锡的盐，例 如氟化物，或者在商业来源的氯化铅和/或氯化锡中存在的不可避免杂质的其他化学物。
[0033] 在此类其他合适的助熔组合物的另一个实施方式中，助溶剂可包含：（a)超过40 重量％且低于70重量％的氯化锌，（b) 10-30重量％的氯化铵，（c)超过6重量％且低于30 重量％的一组至少两种包括氯化钠和氯化钾的碱金属氯化物，（d)0-2重量％氯化铅，以及 (e) 0-15重量％氯化锡，前提是所述一组的至少两种碱金属氯化物的KCl/NaCl重量比范围 是2. 0-8. 0。在一个实施方式中，KCl/NaCl的重量比可以是例如3. 5-5. 0,或者3. 0-6. 0。
[0034] 在此类其他合适的助熔组合物的上述两种实施方式中，助熔组合物中氯化锌的比 例可以至少为45重量％，或者至少为50重量％，或者最多为65重量％，，或者最多为62重 量％。助熔组合物中ZnCl 2的此类比例，在与在助熔组合物中氯化铅和氯化锡的各自的量结 合下，能够保证待镀锌的金属片基质的良好涂覆质量以及在后续的加工步骤（例如干燥， 即热浸镀锌步骤（B)自身之前）有效防止其氧化。在此类其他合适的助熔组合物的上述两 种实施方式中，助熔组合物中NH 4Cl的比例可以至少为13重量％，或者至少为17重量％， 或者最多为26重量％，，或者最多为22重量％。NH 4Cl的最优比例能在没有大量实验的情 况下，取决于例如待镀锌的金属和在助熔组合物中其他金属氯化物的重量比的参数，由本 领域技术人员确定，以在热浸过程中实现充分的蚀刻效果以去除残留的铁锈或酸洗不完全 的位点，但是同时避免形成黑点，即金属制品的未涂覆区域。在一些环境下，可以使用一种 或多种烷基季铵盐替代小部分（例如小于1/3重量）的NH 4Cl,其中至少一个烷基基团具有 8-18个碳原子，例如，如EP 0488423所述，如烷基-三甲基氯化铵（例如三甲基月桂基氯化 铵）或者二烷基二甲基氯化铵。
[0035] 无论上文所列出的实施方式，用于中间助熔步骤的助熔组合物还可包含合适量的 一种或多种其他金属（例如过渡金属或稀土金属）氯化物，例如氯化镍、氯化钴、氯化锰、氯 化铈以及氯化镧。例如，存在多至1重量％ (或者甚至多至1. 5重量％ )的氯化镍就热浸 镀锌步骤（B)之后得到涂层的品质而言对于助熔组合物的表现并非不利的。
[0036] 无论上文所列出的实施方式，用于中间助熔步骤的助熔组合物还可包含至少一种 非离子型表面活性剂或湿润剂，当与其他成分结合时，其能够实现预定的所需表面张力。基 本上能够使用任意类型的非离子型表面活性剂，但是优选可以使用液体水溶性的。所述至 少一种非离子型表面活性剂的亲水亲脂平衡值（HLB)不是关键参数，且可以由本领域技术 人员从3-18,例如6-16的宽范围内选择。助熔组合物还可包含至少一种腐蚀抑制剂，即尤 其在氧化性或酸性条件下抑制钢的氧化的化合物。在一个实施方式中，腐蚀抑制剂包含至 少一个氨基。在助熔组合物中包含此类氨基衍生物腐蚀抑制剂可显著降低在助熔罐中铁积 累的速率。本文中的"氨基衍生物腐蚀抑制剂"是指抑制钢的氧化并且含有氨基的化合物。 脂族烷基胺和季铵盐（优选含有4个独立选择的具有1-12个碳原子的烷基基团）是此类 氨基化合物的合适例子。其他合适的例子包括己二胺。在另一个实施方式中，腐蚀抑制剂 包括至少一个羟基，或者同时包括羟基和氨基，并且这是本领域技术人员所熟知的。合适量 的腐蚀抑制剂的范围通常为0. 02-2. O重量％。本发明的助熔组合物可以同时包含腐蚀抑 制剂以及非离子型表面活性剂或湿润剂。在水性助熔浴中的助熔组合物的浓度范围可以是 非常宽的限制内，例如200-750g/L，优选350-750g/L，最优选500-750g/L或600-750g/L。
[0037] 为了用于批料热浸镀锌步骤（B)之前，助熔浴应该有利地维持在50-90°C，优选 60-80°C的温度范围内。在非连续（批料）操作中，助熔步骤通常进行0.01-30分钟，或者 0. 03-20分钟，或者0. 5-15分钟，或者1-10分钟的时间段，取决于操作参数，例如助熔浴的 组成和/或温度，待镀锌的金属（例如钢）的组成，以及片基质的形状和/或尺寸。
[0038] 对于热浸镀锌步骤（B)的成功，重要的是在进行助熔步骤之前对片基质的表面进 行合适的清洁。用于实现所需程度的表面清洁的技术是本领域技术人员熟知的，并且可以 重复，例如碱性清洁，然后是水性冲洗，用酸酸洗以及最后水性冲洗。虽然所有的这些程序 是熟知的，下面的说明是为了完整的目的呈现。
[0039] 可以使用还含有磷酸盐和硅酸盐作为助洗剂以及各种表面活性剂的水性碱性组 合物方便地进行碱洗。此类水性清洁剂的自由碱度（free alkalinity)可以有很大的不同。 因此，在初始加工步骤中，金属制品经过在脱油脂浴（如超声波、碱性脱油脂浴）中的清洗 (脱油脂）。然后，在第二个步骤中，对经过脱油脂的金属制品进行冲洗。接着，金属制品经 过在15°C -60°C的温度下，在1-90分钟（优选3-60分钟）的时间内通过在水性强酸介质 (例如盐酸或硫酸）中，并且任选地在氯化亚铁和/或氯化铁存在的情况下的浸泡的一个或 多个酸洗处理。通常使用酸浓度约为5-15重量％，例如8-12重量％，但是可以使用更浓的 酸。在连续方法中，酸洗时间通常在5-30秒的范围内，更通常为10-15秒。为了防止过度 酸洗，在酸洗浴中可以包含至少一种腐蚀抑制剂，通常是阳离子表面活性剂或两性表面活 性剂，通常为0.02-0. 2重量％，优选0.05-0. 1重量％的量。可以通过将制品浸入酸洗罐中 来简单地完成酸洗。也可使用其它加工步骤。例如，能对制品进行机械或超声搅拌，和/或 可以使得电流通过制品以用于电-酸洗。众所周知的是，这些额外的加工方式通常显著缩 短酸洗的时间。明显地，如果需要的话，这些预处理步骤能单独或循环重复直到达到所需的 清洁程度。然后，优选在清洁步骤之后立即对金属制品进行处理（助熔），例如浸入本发明 的助熔浴中，优选在上述规定的总盐浓度、温度和时间条件下，从而在其表面形成保护膜。
[0040] 经助熔的金属（例如钢）片基质，即在合适的时间内和合适的温度下在助熔浴中 浸泡之后，优选随后被干燥。可以通过如下方式实现干燥：将经助熔的金属片转移通过具有 空气气氛（例如强制空气流）的加热炉，其中在220°c-250°c的温度下对其进行加热，直到 其表面展现出170-200°C的温度，例如维持5-10分钟。
[0041] 根据本发明的方法的之后的步骤（C)包括将来自热浸镀锌步骤（B)的经镀锌的金 属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状。可以通过本领域技术人员已 知的任意金属冷成形技术来进行该步骤（C)。例如，步骤（C)的一个代表性实施方式包括 通过本领域已知的弯曲或折叠工具或过程的方式，对经镀锌的金属片基质或其部分进行弯 曲或折叠。令人惊讶的发现，步骤（C)不引起经镀锌的金属片基质中的任意裂纹或其他类 型的缺点，因为后者展现出合适的可折叠性。例如，但这仅仅是本发明的一个代表性实施方 式而非限制，经镀锌的金属片基质展现出耐受选自ISO 7438、ASTM E290、JIS Z2248和IS 1 599的弯曲测试的可折叠性。
[0042] 根据本发明的方法的最终步骤（D)包括对一系列的接合点进行冷成形，用于将步 骤（C)的冷成形的、经镀锌的金属片基质的多个相邻金属边缘固定在一起，从而形成所需 的经镀锌的金属三维物体。出于本发明的目的，可以使用本领域已知的用于对一系列的接 合点进行冷成形的任意技术。虽然这不是本发明的一个限制性特征，但是一个可用的实施 方式包括对一系列的钉牢点进行冷成形，用于将步骤（C)的冷成形的、经镀锌的金属片基 质的多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所需的经镀锌的金属三维物体。可以使用本领 域已知的任意类型的钉牢系统或工具，单冲程钉牢或者多冲程钉牢，有或没有切割，并且钉 牢点是圆的、矩形的、多边形的、双层或平坦的，或者本领域已知的任意其他几何形貌。
[0043] 根据本发明的方法的一个显著优势在于，其可广泛地适用于任意类型的金属钢基 质，包括步骤（A)中提供的金属片基质的一部分被任选地冲压了一系列的孔的情况，这对 于某些类型的三维物体增加重量可能是合乎希望的。此类孔的密度（即开放表面与包含一 系列孔的所述部分的总表面的比例）没有限制，可以是例如〇. 2-0. 7,或者0. 25-0. 6,或者 0. 3-0. 5,取决于待实现的机械强度。
[0044] 在第二个总的方面，本发明涉及具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体， 其是由厚度为〇. 8-6_的金属片基质形成的，所述物体具有：厚度为5-20 μ m的镀锌涂层以 及如下组成，其包含：（a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0.1重量％的一种或多 种其他金属或硅，以及（d)余量是锌，其中通过一系列钉牢点的方式将所述多个边缘固定 在一起。如上文所述，所述三维物体的金属优选是钢，并且所述物体的部分可任选地包含一 系列的孔，其中每次的此类开孔部分对于物体的目标最终用途是无害的，特别是当其可用 于减少重量而不对机械强度造成损害。通过上文所述的作为本发明的第一宽方面的制造方 法或者其示意性实施方式的任意一个，可以在具有经济优势的条件下，获得所有此类物体。
[0045] 例如，本发明的镀锌金属三维物体可以是适用于传输物品的承重多边形容器。虽 然这仅仅是本发明的一个特定实施方式，但是下面将详细对其进行描述。本发明的镀锌金 属容器包含：镀锌金属平坦多边形底部以及至少三个镀锌金属壁，所述镀锌金属壁相对于 所述镀锌金属平坦多边形底部倾斜（例如，基本与其垂直），以及用于将所述镀锌金属壁在 它们的相邻边缘固定在一起的一系列的钉牢点，所述镀锌金属多边形底部和壁的厚度分别 为0.8-6_。如果适用于容器的最终用途，所述镀锌金属多边形底部和所述壁的至少一个 可以被冲压一系列的孔。孔的数量没有具体限制，冲压多边形底部或壁的开放表面与总表 面的比例可以是〇. 2-0. 7。壁的数量等于多边形底部的侧边的数量，可以是例如3(三角形 底部）、4 (例如，正方形或矩形底部）、5 (五边形底部）、6 (六边形底部）、8 (八边形底部）、 10等。通过改变侧边的数量和尺度，以及壁相对于平坦底部的倾斜度，可以获得无限数量 的多边形形状。除了批料热浸镀锌浴的限制之外，各个镀锌金属多边形底部或壁的尺度 (而非厚度）没有具体的限制。所述尺度可分别独立地是10-200cm，例如20-150cm，或者 25-lOOcm。在本发明的一个优选实施方式中，镀锌金属容器的多边形底部和壁分别涂覆有 厚度为5-20 μ m的锌基镀锌涂层。
[0046] 通过进行上文所述的制造方法，事实上可以在高度有效的经济的条件下，生产任 意类型的耐腐蚀性金属三维物体。
[0047] 以下实施例仅仅是本发明的方法提供的可能性的示例，并且不应以任意方式理解 为限制其范围。
[0048] 实施例
[0049] 如图1所示是从具有多个自由边和冲压孔的预切割钢片基质生产的尺度为40cm X 30cm的平行六面体盒，所述片基质的厚度为1mm并且涂覆有通过热浸入含有5重量％的 铝的锌合金熔融浴中获得的IOym厚的锌合金层，之后以相对于中心部分垂直的角度弯曲 壁部分以形成所需的平行六面体形状，最后形成一系列的钉牢点，用于固定多个相邻边缘。 所得到的盒子是高度耐腐蚀性的，并且可用于例如，运输物品。
【主权项】
1. 一种用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体的方法，所述方法依次 包括如下步骤： (A) 提供并切割厚度为0. 8-6_的金属片基质，所述金属片基质的形状包括多个自由 边， (B) 将所述金属片基质分批热浸入熔融锌合金镀锌浴中， (C) 将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及 (D) 冷成形一系列的接合点，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所述的 镀锌金属三维物体。2. 如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤（B)的熔融锌合金镀锌浴包含 (a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0. 1 %的其他金属或硅，以及（d)余量为锌。3. 如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，进行分批热浸步骤（B)直至在金属 片基质的表面上形成厚度为5-20ym的锌基涂层。4. 如权利要求1-3中任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤（D)由如下构成：对一 系列的钉牢点进行冷成形，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起。5. 如权利要求1-4中任一项所述的制造方法，其特征在于，在380-550°C的温度范围内 进行分批热浸步骤（B)。6. 如权利要求1-5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述方法在步骤（A)和步骤 (B)之间还包括如下步骤： -将所述金属片基质分批浸入基于助熔组合物的水性助熔浴中，所述助熔组合物包含： (a) 60-80重量％的氯化锌，（b) 7-30重量％的氯化铵，（c) 2-20重量％的至少一种碱金属盐 或者碱土金属盐，（d)0. 1-5重量％的至少一种过渡金属氯化物，其中所述过渡金属选自镍、 钴和锰，以及（e)0. 1-1. 5重量％的至少一种选自氯化铅、氯化锡、氯化锑和氯化铋的氯化 物，以及 -在170-250°C的温度下对所得到的助熔金属片基质进行干燥。7. 如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在50-90°C的温度下进行助熔步骤。8. 如权利要求1-7中任一项所述的制造方法，其特征在于，冷成形步骤（C)包括对镀锌 金属片基质或其部分进行弯曲或折叠。9. 如权利要求1-8中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述金属是钢。10. 如权利要求1-9中任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤（A)中提供的金属片 基质的一部分任选地被冲压了一系列的孔。11. 一种具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体，其是由厚度为〇. 8-6mm的 金属片基质形成的，所述物体涂覆有厚度为5-20ym的镀锌涂层以及如下组成，其包含： (a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0.1 %的其他金属或硅，以及（d)余量是锌， 其中通过一系列钉牢点的方式将所述多个边缘固定在一起。12. 如权利要求11所述的镀锌金属三维物体，所述镀锌金属三维物体是盒或者容器的 形式，优选是适用于运输物品的承重容器。13. 如权利要求11或12所述的镀锌金属三维物体，所述镀锌金属三维物体的一部分任 选地包含一系列的孔。14. 如权利要求13所述的镀锌金属三维物体，其特征在于，包含一系列的孔的所述部
【专利摘要】本发明涉及镀锌金属物体及其制造方法。本发明提供了用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体的方法，所述方法依次包括如下步骤：(A)提供并切割厚度为0.8-6mm的金属片基质，所述金属片基质的形状包括多个自由边，(B)将所述金属片基质分批热浸入熔融锌合金镀锌浴中，(C)将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及(D)对一系列的接合点进行冷成形，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所述镀锌金属三维物体。
【IPC分类】C23C2/06, C23C2/34, C23C2/02
【公开号】CN104894500
【申请号】CN201510093593
【发明人】L·鲍姆古特尔, M·拉赫克
【申请人】枫丹控股股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月2日
【公告号】CA2880557A1, EP2915607A1, US20150251236
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有复杂形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）的制造。具体来说，本发 明涉及具有包括多边形的形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）物体的制造，其中制造要求从 包含多个自由边的薄的金属片基质形成此类物体，并对所述金属片基质进行镀锌。本发明 还涉及此类具有复杂形状的镀锌金属（特别是镀锌钢）物体，只要它们无法通过现有可行 的制造工艺的方式生产。
【背景技术】
[0002] 通常已知的是，金属片可以通过焊接、铆钉、钉牢、粘结、卷边、螺钉或夹固定的方 式进行组装。但是，在镀锌钢片的情况下，部分此类方法在实践中是不可用的或者经受强烈 的约束，这限制了它们的竞争力或者可以组装的产品的类型。例如，焊接工艺的最明显的健 康危害之一是产生烟雾和气体。由于锌是用于镀锌金属的涂层，在焊接过程中，其产生蒸发 滴（烟气），当呼吸时，可能深入肺部中。呼吸锌烟气的典型影响是金属烟雾病。在没有合 适个人保护的情况下，在进行焊接1小时或2小时之后，可能遭受严重的症状，例如口渴、腿 疼痛、头充血、咽喉干燥和咳嗽。因此，出于健康原因，非常厚的镀锌钢片（ISO 1461)的焊 接是不推荐的，或者应该是尽可能的避免的。
[0003] 片金属钉牢是一种冷成形技术，其在不使用固定件、螺钉、铆钉或点焊接的情况 下，将两件或更多件金属件接合在一起。其产生不影响表面精整的纽扣型接合件。其适用 于高强度固定，不产生废料，且比点焊接更负担得起。采用偏心式压机，该技术能够实现低 至1.0 mm的钉牢点直径，并且其实际循环时间可低至0· 4秒。例如，还已知的是，由0· 6mm 厚的镀锌钢和〇· 5mm厚的镀锌铜构成的LED(发光二极管）条，其通过直径为2. Omm的 钉牢点的方式，可以容易地接合在一起（德国魏因加滕市Tox Pressotechnik公司（Tox Pressotechnik GmbH, ffeingarten, Germany))〇
[0004] 美国专利第8, 555, 479号揭示了承重钢结构连接的生产，其中通过模具工具和对 立工具的方式，通过局部变形，使得第一金属工件与第二金属工件钉牢连接地连接在一起。 据说金属工件的厚度对于评价钉牢连接是最重要或者最显著的，因为钉牢连接的承重能力 与该变量直接相关。所揭示的方法适用于钢构建，其中第一工件厚度大于第二工件厚度，并 且其中第一工件厚度至少为4mm或者第二工件厚度至少为3mm。
[0005] 美国专利申请公开号2006/096075揭示了一种用于对多片延展性材料，例如铜、 铝、钢或铁进行机械互连（例如钉牢固定）的用于冲压机的模具，其中堆叠片的总厚度为 6. 3-25. 4mm η
[0006] 但是，上述所引用的现有技术参考文献没有解决制造具有复杂形状的某些类型的 镀锌三维金属物体的问题。具体来说，它们没有解决难以处理镀锌金属（特别是镀锌钢） 的问题，切割薄片基质具有包括多个自由边的形状。在此情况下，除了避免薄的镀锌涂层中 的裂纹之外，含铝镀锌涂层的延展性结合多个自由边的固定的要求，代表了形成最终物体 的困难。这是本发明解决的一个问题。
[0007] 目前，只有非常少的商业可用的镀锌钢盒或容器，并且它们大部分不是复杂形状 的物体，是由固体非孔或少孔镀锌钢片制造的。这大概是由于缺乏合适的、不昂贵的制造工 艺所导致的，如上所述。由于它们的高生产成本的结果，此类镀锌钢盒或者壳在电子工业中 具有有限的用途，例如，（用于装箱分流的）接线盒，其包括I. 52_厚的镀锌钢固体片，在 它们的前门上具有非常小的通风区域，以保持防尘和防水，并且通常还包括用于加锁的镀 锌钢连续铰链和搭扣。在该镀锌钢接线盒的构建中，开放表面（通风孔）与总表面的比例 低于0. 15。同样用于电缆线的是已知的4英寸预镀锌钢八边形盒，1. 5英寸深、0. 75英寸顶 出（knockouts)，其中开放表面与总表面的比例低于0. 10。
[0008] 目前可用的用于生产任意复杂形状和尺寸的镀锌钢三维物体的制造工艺经受许 多限制，因此无法合适地实现主要市场要求。使用通过连续过程热浸镀锌的预镀锌金属片 在原理上会提供形成所述金属片，进行后续金属切割和接合，从而由于部分锌铝合金的延 展性，产生复杂形状的物体的机会。但是，现有已知过程的一个首要缺点在于，在镀锌步骤 之后进行金属片基质的切割，因而切割边缘不含锌基镀锌涂层，因此没有受到耐腐蚀的保 护。这在大多数情况下是不可接受的。采用标准纯锌浴的热浸镀锌法的金属片基质的后镀 锌冷成形通常是不令人满意的，因为所得到的锌铁涂层是脆性的，并且金属片成形过程会 不可避免地导致保护涂层中的裂纹，因而使得三维物体对于耐腐性的保护的明显下降，不 仅是即时的而且也是长期的。在形成物体之后进行镀锌的现有已知过程的一个缺点在于， 将三维物体从工厂的成形区段传输至镀锌区段涉及生产工厂中比实际所需多得多的空间， 因而涉及额外的成本，特别是如果物体具有大体积的话。
[0009] 因此，本发明解决的一个问题是设计一种高度有效的方法用于制造任意复杂形状 和尺寸的镀锌钢三维物体，其具有高的产品质量，因为没有局部地破坏腐蚀保护，例如不会 产生镀锌层的裂纹，同时提供了后镀锌冷成形金属片基质的可能性而没有留下不含锌的切 割边缘，以及后续进行金属边缘的非热接合的可能性，从而没有破坏锌涂层。本发明解决的 另一个问题是设计用于生产任意复杂形状和尺寸的镀锌钢三维物体（例如但不限于，适于 运输物品的盒或承重容器）的非昂贵且灵活的制造过程。例如，但这仅仅是一个示例性实 施方式，该过程应该能够生产各种形状和尺寸，任选地在其表面的一部分具有大量开口或 孔的镀锌钢三维物体，从而提供具有足够机械强度的轻质盒、壳或容器，同时享有镀锌钢材 料的全部益处（特别是耐腐蚀性）。
【发明内容】
[0010] 在其最宽的概念中，本发明是基于出乎意料的发现，可以从薄的金属片基质，具体 是钢片基质，高效地生产任意复杂形状和尺寸的高质量耐腐蚀性的三维物体的镀锌金属， 特别是镀锌钢，所述基质可以在没有进行金属镀锌的情况下被预切割成包括多个自由边的 形状，之后形成三维物体，因此不会遭受各种上文所述的现有技术和过程的技术和经济劣 势。
[0011] 根据本发明的加工方法的第一个优势在于其确保了金属（例如钢）表面的完全覆 盖，因而确保了最终三维物体对于腐蚀的完全保护，从而参与高质量耐久金属（例如钢）产 品的生产。作为另一个优势，其不限于任意类型的金属冷成形方法，并且可适用于所有种类 的具有任意复杂形状和尺寸，任选地包括孔部分的预切割的镀锌金属片基质。因此，根据本 发明的方法对于生产用于许多终端用途的全部范围的轻重量但是耐机械性和耐腐蚀性的 三维金属物体是特别有用和灵活的。作为另一个优势，相对于现有技术，其在制造成本方面 是具有高度竞争力的。更准确地，通过权利要求1所定义的制造方法的方式，以及权利要求 11所定义的镀锌金属三维物体，实现了这些目的和优势。
[0012] 定义
[0013] 除非另有说明，本文所用术语"热浸镀锌"是指在批料操作中，通过将金属平坦产 品或片基质（例如但不限于铁或钢片基质）浸入纯锌或锌合金的熔融浴中维持足够的时 间，以在平坦产品或片基质的表面形成保护层的腐蚀处理。术语"纯锌"指的是现有技术的 锌镀锌浴，除了锌之外，其可含有痕量的一些不可避免的添加剂，例如，锑、铋、镍或钴，但是 不含显著量的合金元素。这不同于术语"锌合金"，其除了锌之外，含有显著量的一种或多种 其他合金金属，例如但不限于，铝。当用于钢镀锌时，这些其他合金金属也会参与铁锌合金 保护层的形成。
[0014] 除非另有说明，本文所用表述"耐受弯曲测试的可成形性"指的是在成形，在弯曲 测试指定的条件下对镀锌钢片进行折叠或弯曲之后，在没有使用放大辅助工具的情况下， 在镀锌涂层中没有可见的裂纹。
[0015] 除非另有说明，本文所用术语"冲孔"指的是一种金属成形过程，其采用压力迫使 冲压机通过金属片，以经由剪切形成孔，其中冲压机穿过片进入模具。工具、冲压机和模具， 可由硬化钢或者碳化钨制造。模具位于片的相对侧，绕着孔的周界支撑材料，并帮助使得剪 切力在清洁边缘（cleaner edge)局部化。在冲压机和模具之间存在小的间空，以防止冲压 机粘在模具中，并且需要较小的作用力来制造孔。可以产生多种形状的孔。
[0016] 在镀锌组合物或助熔组合物的以下描述 中，不同百分比指的是各种组分相对于相 应组合物的总重量（100%)的重量百分比（重量％)。这表示不是所有的最大或最小百分 比能同时存在，为了它们的总数符合100重量％。
【附图说明】
[0017] 图1显示适用于生产用于传输物品的平行六面体盒或容器的打孔片基质，其具有 多个边缘和几何形状，并且其在水平和横向方向都经过折叠。
【具体实施方式】
[0018] 在第一个总的方面，本发明涉及用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三 维物体的方法，所述方法依次包括以下步骤：
[0019] (A)提供并切割金属片基质，其厚度为0. 8-6_，所述金属片基质的形状包括多个 自由边，
[0020] (B)将所述金属片基质批料热浸到熔融锌合金镀锌浴中，
[0021] (C)将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及
[0022] (D)冷成形一系列的接合点，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所 述的镀锌金属三维物体。
[0023] 在本文所限定的方法中，四个基本步骤以预定的顺序存在。下面将根据一组优选 的实施方式和实施例来详细描述各个步骤。
[0024] 为了解决现有技术的问题，本发明的方法的本质是首先通过锌合金的方式对预切 割的金属片基质进行批料热浸镀锌，然后，在批料热浸镀锌之后，对从预切割和镀锌的金属 (优选钢）片基质所得到的三维几何体进行钉牢。根据该宽概念，所述的几何体可具有多边 形形式、圆锥形式或者基于基质形式的任意其他复杂几何结构。为了便于解释说明以及为 本发明提供代表性实施方式的有用例子的目的，部分以下描述会聚焦于具有多边形形式的 几何体，但是应理解的是，本发明并不旨在限于此类实施方式。参考用于进行该实施方式的 以下详细描述，本领域技术人员能够在没有过重的负担和研宄的情况下，将本发明的过程 适用于任意其他三维几何形式。
[0025] 根据本发明方法的初始步骤（A)包括将薄金属片基质切割成包括多个自由边的 形状。在本发明的【具体实施方式】中，金属片基质的厚度可以至少1. 〇_，或者至少1. 2_，或 者至少I. 5_。在本发明的其他【具体实施方式】中，金属片基质的厚度可以最多4_，或者最 多3_，或者最多2_。虽然金属片基质的厚度不是本发明的关键参数，但是应该适用于待 生产的三维金属产品的最终用途。具体来说，应该选择实现产品所需的机械强度和耐久性 的最低可能值，例如旨在运输物品的容器或盒所需的机械强度。该选择属于本领域技术人 员的公知常识。
[0026] 在根据本发明的方法的初始步骤（A)中提供的金属片基质的种类，特别是钢片 基质的种类，没有具体的限制，前提是可以在镀锌步骤的过程中对金属涂覆锌合金保护 层。例如，片基质可以由各种钢种制造，具体来说，片由碳含量高至〇. 30重量％，磷含量 为0. 005-0. 1重量％以及硅含量为0. 0005-0. 5重量％的钢种，以及不锈钢制造。钢种的 分类是本领域技术人员众所周知的，具体参见汽车工程师学会（SAE)，并且可用于指导进 行本发明。在本发明的一个实施方式中，金属片可由易于腐蚀的铬/镍钢或铬/镍/钼钢 制造。任选地，钢种可以含有其他元素如硫、铝和铜。合适的例子包括但不限于，已知为 AISI 304(*1· 4301)，AISI 304L(1.4307、1. 4306)，AISI 316(1. 4401)，AISI 316L(1. 4404、 I. 4435)、AISI316Ti (I. 4571)或者AISI 904L(1. 4539) [*1· xxxx =根据DIN 10027-2]的钢 种。在本发明的另一实施方式中，金属可以是称为S235JR (根据EN 10025)或者S460MC (根 据EN 10149)或者20MnB4(*l. 5525,根据EN 10263)的钢种。给出上述例子是出于理解和 说明目的，不应该用来限制本发明的范围。
[0027] 根据本发明的方法的第二步步骤（B)包括将步骤（A)的切割金属基质批料热浸到 熔融锌合金镀锌浴中。虽然步骤（B)的其他工艺参数可能是较不重要的，但是关键的是作 为整体进一步进行制造过程，所述锌合金浴除了锌之外，还包含一种或多种合金金属，其比 例使得从热浸得到的涂覆有保护层的金属片基质具有足够的可弯曲性和可折叠性以耐受 下一个加工步骤（C)，而没有在所述保护层中引起裂纹。锌合金可以是二元的（即，包含一 种合金金属，优选铝）或者三元的（即，包含两种合金金属，优选铝和镁）。此类一种或多种 合金金属的非限制性例子是铝，或者铝和镁的混合物。锌合金中一种或多种合金金属的合 适比例通常至少为2重量％。特别合适的是锌合金中铝的比例至少为2重量％。在一个实 施方式中，锌合金中铝的比例可以至少为3重量％，或者至少为4重量％，或者至少为5重 量％。在本发明的另一个实施方式中，锌合金中铝的比例合适地为最高25重量％，或者最 高为20重量％，或者最高为7重量％的铝。此类锌合金的一个合适但是非限制性的例子是 GALFAN1、当镁在锌合金中作为合金金属存在时，其含量优选至少为〇. 2重量％，或者至 少为0. 5重量％，或者至少为1重量％。在本发明的一个实施方式中，锌合金中镁的比例合 适地最高为4重量％，或者最高为3重量％。如本领域所熟知的，适用于镀锌的锌合金还可 包含痕量（例如高至〇. 1重量％ )的一种或多种其他金属或硅。优选地，进行步骤（B)直 至对金属片基质镀锌的锌合金涂层的厚度约为5-20 μm。
[0028] 步骤（B)的其他相关工艺参数是维持镀锌浴的温度以及浸入时间。温度通常维持 在380-700°C，优选420-550°C。在整个浸入时间期间，温度可以保持恒定，或者可以根据 预定的温度方案增加或降低温度。用于加工步骤（B)的浸入时间通常为1-10分钟，例如 2-6分钟，这主要取决于片基质的尺寸和形状以及所需的涂层厚度。取决于一组参数（包 括金属片的厚度和/或形状，在其寿命期间金属产品预期经受的应力和环境条件，形成保 护涂层时预期耐久性等），本领域技术人员可适当地选择通过进行热浸步骤（B)在金属片 基质（例如钢片基质）上获得的保护涂层的厚度本身。例如5-15 μπι厚的涂层通常适于 0.8-1. 5mm厚的钢片，而15-20 μ m厚的涂层通常适于1.5-6mm厚的钢片。
[0029] 在步骤（B)的初始阶段，可任选地将片基质移入镀锌浴，从而有助于使得片基质 表面上形成的金属层再熔化。此外，可任选地在镀锌浴中进行惰性气体（例如但不限于氮 气或氩气或其混合物）的鼓泡。这可以通过例如在镀锌浴中提供气体扩散器（例如由陶瓷 或不锈钢制造）来实现。在适当选择的浸入时间之后，以合适的速度从浴中举起经涂覆的 片基质，从而从其表面去除液体锌合金。然后可以在水中冷却经涂覆的片基质，例如温度为 20-50°C，或者可以与气流，例如空气流接触。
[0030] 通常优选在步骤（A)和步骤（B)之间，根据本发明方法还包括另一个中间步骤，通 常称作助熔步骤，其由如下构成：将步骤（A)的金属片基质分批浸入到基于助熔组合物的 水性助熔浴中。用于该中间步骤的助熔组合物的种类通常取决于步骤（B)中所要使用的镀 锌浴的种类，但是通常包含氯化锌、氯化铵、碱金属或者碱土金属盐以及一种或多种过渡金 属氯化物。在本发明的一个实施方式中，特别是当步骤（B)的锌合金是二元含铝合金（例 如GALFAN? )时，用于中间助熔步骤的助熔组合物可以是根据EP1352100,即可优选地 包含：（a) 60-80重量％的氯化锌，（b) 7-30重量％的氯化铝，（c) 2-20重量％的至少一种碱 金属或者碱土金属盐，（d)0. 1-5重量％的至少一种过渡金属氯化物，其中过渡金属选自镍、 钴和锰，以及（e)0. 1-1. 5重量％的至少一种氯化物，其选自氯化铅、氯化锡、氯化锑和氯化 铋。碱金属或者碱土金属盐可选自，例如：一种或多种金属（例如，钠、钾、锂、铷、镁、钙和 钡）的卤化物（优选氯化物），更优选为氯化钠和氯化钾的混合物。
[0031] 不仅是二元含铝合金（例如GALFANk )，对于含铝和镁的三元锌合金，其他助 熔组合物可以为中间助熔步骤提供优异的结果。
[0032] 在此类其他助熔组合物的一个例子中，助溶剂可包含：（a)超过40重量％且低于 70重量％的氯化锌，（b) 10-30重量％的氯化铵，（c)超过6重量％且低于30重量％的一 组至少两种碱 金属或碱土金属卤化物，（d)0. 1-2重量％的氯化铅，以及（e) 2-15重量％的 氯化锡，前提是氯化铅和氯化锡的总量占所述组合物的至少2. 5重量％。例如，一组至少 两种碱金属或碱土金属卤化物可以是一种至少两种碱金属氯化物，占助熔组合物的10-30 重量％，或者15-25重量％。例如，所述一组至少两种碱金属氯化物可以包括氯化钠和氯 化钾，KCl/NaCl的重量比为0· 2-8. 0,或者0· 25-0. 6,或者L 0-2. 0,或者2. 0-8. 0,或者 3. 5-6. 0。在一个实施方式中，助熔组合物中氯化铅的比例可以至少为0. 4重量％，或者至 少为0. 7重量％。在另一个实施方式中，助熔组合物中氯化铅的比例可以至多为1. 5重 量％，或者至多为1.2重量％。在一个【具体实施方式】中，助熔组合物中氯化铅的比例可以是 0. 8-1. 1重量％。在一个实施方式中，助熔组合物中氯化锡的比例可以至少为2重量％，或 者至少为3. 5重量％，或者至少为7重量％。在另一个实施方式中，氯化锡的比例可以至多 为14重量％。在一个实施方式中，熔剂组合物中氯化铅和氯化锡的总量至少为4. 5重量％， 或者至多为14重量％。在另一个实施方式中，助熔组合物还可包含其他铅和/或锡的盐，例 如氟化物，或者在商业来源的氯化铅和/或氯化锡中存在的不可避免杂质的其他化学物。
[0033] 在此类其他合适的助熔组合物的另一个实施方式中，助溶剂可包含：（a)超过40 重量％且低于70重量％的氯化锌，（b) 10-30重量％的氯化铵，（c)超过6重量％且低于30 重量％的一组至少两种包括氯化钠和氯化钾的碱金属氯化物，（d)0-2重量％氯化铅，以及 (e) 0-15重量％氯化锡，前提是所述一组的至少两种碱金属氯化物的KCl/NaCl重量比范围 是2. 0-8. 0。在一个实施方式中，KCl/NaCl的重量比可以是例如3. 5-5. 0,或者3. 0-6. 0。
[0034] 在此类其他合适的助熔组合物的上述两种实施方式中，助熔组合物中氯化锌的比 例可以至少为45重量％，或者至少为50重量％，或者最多为65重量％，，或者最多为62重 量％。助熔组合物中ZnCl 2的此类比例，在与在助熔组合物中氯化铅和氯化锡的各自的量结 合下，能够保证待镀锌的金属片基质的良好涂覆质量以及在后续的加工步骤（例如干燥， 即热浸镀锌步骤（B)自身之前）有效防止其氧化。在此类其他合适的助熔组合物的上述两 种实施方式中，助熔组合物中NH 4Cl的比例可以至少为13重量％，或者至少为17重量％， 或者最多为26重量％，，或者最多为22重量％。NH 4Cl的最优比例能在没有大量实验的情 况下，取决于例如待镀锌的金属和在助熔组合物中其他金属氯化物的重量比的参数，由本 领域技术人员确定，以在热浸过程中实现充分的蚀刻效果以去除残留的铁锈或酸洗不完全 的位点，但是同时避免形成黑点，即金属制品的未涂覆区域。在一些环境下，可以使用一种 或多种烷基季铵盐替代小部分（例如小于1/3重量）的NH 4Cl,其中至少一个烷基基团具有 8-18个碳原子，例如，如EP 0488423所述，如烷基-三甲基氯化铵（例如三甲基月桂基氯化 铵）或者二烷基二甲基氯化铵。
[0035] 无论上文所列出的实施方式，用于中间助熔步骤的助熔组合物还可包含合适量的 一种或多种其他金属（例如过渡金属或稀土金属）氯化物，例如氯化镍、氯化钴、氯化锰、氯 化铈以及氯化镧。例如，存在多至1重量％ (或者甚至多至1. 5重量％ )的氯化镍就热浸 镀锌步骤（B)之后得到涂层的品质而言对于助熔组合物的表现并非不利的。
[0036] 无论上文所列出的实施方式，用于中间助熔步骤的助熔组合物还可包含至少一种 非离子型表面活性剂或湿润剂，当与其他成分结合时，其能够实现预定的所需表面张力。基 本上能够使用任意类型的非离子型表面活性剂，但是优选可以使用液体水溶性的。所述至 少一种非离子型表面活性剂的亲水亲脂平衡值（HLB)不是关键参数，且可以由本领域技术 人员从3-18,例如6-16的宽范围内选择。助熔组合物还可包含至少一种腐蚀抑制剂，即尤 其在氧化性或酸性条件下抑制钢的氧化的化合物。在一个实施方式中，腐蚀抑制剂包含至 少一个氨基。在助熔组合物中包含此类氨基衍生物腐蚀抑制剂可显著降低在助熔罐中铁积 累的速率。本文中的"氨基衍生物腐蚀抑制剂"是指抑制钢的氧化并且含有氨基的化合物。 脂族烷基胺和季铵盐（优选含有4个独立选择的具有1-12个碳原子的烷基基团）是此类 氨基化合物的合适例子。其他合适的例子包括己二胺。在另一个实施方式中，腐蚀抑制剂 包括至少一个羟基，或者同时包括羟基和氨基，并且这是本领域技术人员所熟知的。合适量 的腐蚀抑制剂的范围通常为0. 02-2. O重量％。本发明的助熔组合物可以同时包含腐蚀抑 制剂以及非离子型表面活性剂或湿润剂。在水性助熔浴中的助熔组合物的浓度范围可以是 非常宽的限制内，例如200-750g/L，优选350-750g/L，最优选500-750g/L或600-750g/L。
[0037] 为了用于批料热浸镀锌步骤（B)之前，助熔浴应该有利地维持在50-90°C，优选 60-80°C的温度范围内。在非连续（批料）操作中，助熔步骤通常进行0.01-30分钟，或者 0. 03-20分钟，或者0. 5-15分钟，或者1-10分钟的时间段，取决于操作参数，例如助熔浴的 组成和/或温度，待镀锌的金属（例如钢）的组成，以及片基质的形状和/或尺寸。
[0038] 对于热浸镀锌步骤（B)的成功，重要的是在进行助熔步骤之前对片基质的表面进 行合适的清洁。用于实现所需程度的表面清洁的技术是本领域技术人员熟知的，并且可以 重复，例如碱性清洁，然后是水性冲洗，用酸酸洗以及最后水性冲洗。虽然所有的这些程序 是熟知的，下面的说明是为了完整的目的呈现。
[0039] 可以使用还含有磷酸盐和硅酸盐作为助洗剂以及各种表面活性剂的水性碱性组 合物方便地进行碱洗。此类水性清洁剂的自由碱度（free alkalinity)可以有很大的不同。 因此，在初始加工步骤中，金属制品经过在脱油脂浴（如超声波、碱性脱油脂浴）中的清洗 (脱油脂）。然后，在第二个步骤中，对经过脱油脂的金属制品进行冲洗。接着，金属制品经 过在15°C -60°C的温度下，在1-90分钟（优选3-60分钟）的时间内通过在水性强酸介质 (例如盐酸或硫酸）中，并且任选地在氯化亚铁和/或氯化铁存在的情况下的浸泡的一个或 多个酸洗处理。通常使用酸浓度约为5-15重量％，例如8-12重量％，但是可以使用更浓的 酸。在连续方法中，酸洗时间通常在5-30秒的范围内，更通常为10-15秒。为了防止过度 酸洗，在酸洗浴中可以包含至少一种腐蚀抑制剂，通常是阳离子表面活性剂或两性表面活 性剂，通常为0.02-0. 2重量％，优选0.05-0. 1重量％的量。可以通过将制品浸入酸洗罐中 来简单地完成酸洗。也可使用其它加工步骤。例如，能对制品进行机械或超声搅拌，和/或 可以使得电流通过制品以用于电-酸洗。众所周知的是，这些额外的加工方式通常显著缩 短酸洗的时间。明显地，如果需要的话，这些预处理步骤能单独或循环重复直到达到所需的 清洁程度。然后，优选在清洁步骤之后立即对金属制品进行处理（助熔），例如浸入本发明 的助熔浴中，优选在上述规定的总盐浓度、温度和时间条件下，从而在其表面形成保护膜。
[0040] 经助熔的金属（例如钢）片基质，即在合适的时间内和合适的温度下在助熔浴中 浸泡之后，优选随后被干燥。可以通过如下方式实现干燥：将经助熔的金属片转移通过具有 空气气氛（例如强制空气流）的加热炉，其中在220°c-250°c的温度下对其进行加热，直到 其表面展现出170-200°C的温度，例如维持5-10分钟。
[0041] 根据本发明的方法的之后的步骤（C)包括将来自热浸镀锌步骤（B)的经镀锌的金 属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状。可以通过本领域技术人员已 知的任意金属冷成形技术来进行该步骤（C)。例如，步骤（C)的一个代表性实施方式包括 通过本领域已知的弯曲或折叠工具或过程的方式，对经镀锌的金属片基质或其部分进行弯 曲或折叠。令人惊讶的发现，步骤（C)不引起经镀锌的金属片基质中的任意裂纹或其他类 型的缺点，因为后者展现出合适的可折叠性。例如，但这仅仅是本发明的一个代表性实施方 式而非限制，经镀锌的金属片基质展现出耐受选自ISO 7438、ASTM E290、JIS Z2248和IS 1 599的弯曲测试的可折叠性。
[0042] 根据本发明的方法的最终步骤（D)包括对一系列的接合点进行冷成形，用于将步 骤（C)的冷成形的、经镀锌的金属片基质的多个相邻金属边缘固定在一起，从而形成所需 的经镀锌的金属三维物体。出于本发明的目的，可以使用本领域已知的用于对一系列的接 合点进行冷成形的任意技术。虽然这不是本发明的一个限制性特征，但是一个可用的实施 方式包括对一系列的钉牢点进行冷成形，用于将步骤（C)的冷成形的、经镀锌的金属片基 质的多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所需的经镀锌的金属三维物体。可以使用本领 域已知的任意类型的钉牢系统或工具，单冲程钉牢或者多冲程钉牢，有或没有切割，并且钉 牢点是圆的、矩形的、多边形的、双层或平坦的，或者本领域已知的任意其他几何形貌。
[0043] 根据本发明的方法的一个显著优势在于，其可广泛地适用于任意类型的金属钢基 质，包括步骤（A)中提供的金属片基质的一部分被任选地冲压了一系列的孔的情况，这对 于某些类型的三维物体增加重量可能是合乎希望的。此类孔的密度（即开放表面与包含一 系列孔的所述部分的总表面的比例）没有限制，可以是例如〇. 2-0. 7,或者0. 25-0. 6,或者 0. 3-0. 5,取决于待实现的机械强度。
[0044] 在第二个总的方面，本发明涉及具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体， 其是由厚度为〇. 8-6_的金属片基质形成的，所述物体具有：厚度为5-20 μ m的镀锌涂层以 及如下组成，其包含：（a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0.1重量％的一种或多 种其他金属或硅，以及（d)余量是锌，其中通过一系列钉牢点的方式将所述多个边缘固定 在一起。如上文所述，所述三维物体的金属优选是钢，并且所述物体的部分可任选地包含一 系列的孔，其中每次的此类开孔部分对于物体的目标最终用途是无害的，特别是当其可用 于减少重量而不对机械强度造成损害。通过上文所述的作为本发明的第一宽方面的制造方 法或者其示意性实施方式的任意一个，可以在具有经济优势的条件下，获得所有此类物体。
[0045] 例如，本发明的镀锌金属三维物体可以是适用于传输物品的承重多边形容器。虽 然这仅仅是本发明的一个特定实施方式，但是下面将详细对其进行描述。本发明的镀锌金 属容器包含：镀锌金属平坦多边形底部以及至少三个镀锌金属壁，所述镀锌金属壁相对于 所述镀锌金属平坦多边形底部倾斜（例如，基本与其垂直），以及用于将所述镀锌金属壁在 它们的相邻边缘固定在一起的一系列的钉牢点，所述镀锌金属多边形底部和壁的厚度分别 为0.8-6_。如果适用于容器的最终用途，所述镀锌金属多边形底部和所述壁的至少一个 可以被冲压一系列的孔。孔的数量没有具体限制，冲压多边形底部或壁的开放表面与总表 面的比例可以是〇. 2-0. 7。壁的数量等于多边形底部的侧边的数量，可以是例如3(三角形 底部）、4 (例如，正方形或矩形底部）、5 (五边形底部）、6 (六边形底部）、8 (八边形底部）、 10等。通过改变侧边的数量和尺度，以及壁相对于平坦底部的倾斜度，可以获得无限数量 的多边形形状。除了批料热浸镀锌浴的限制之外，各个镀锌金属多边形底部或壁的尺度 (而非厚度）没有具体的限制。所述尺度可分别独立地是10-200cm，例如20-150cm，或者 25-lOOcm。在本发明的一个优选实施方式中，镀锌金属容器的多边形底部和壁分别涂覆有 厚度为5-20 μ m的锌基镀锌涂层。
[0046] 通过进行上文所述的制造方法，事实上可以在高度有效的经济的条件下，生产任 意类型的耐腐蚀性金属三维物体。
[0047] 以下实施例仅仅是本发明的方法提供的可能性的示例，并且不应以任意方式理解 为限制其范围。
[0048] 实施例
[0049] 如图1所示是从具有多个自由边和冲压孔的预切割钢片基质生产的尺度为40cm X 30cm的平行六面体盒，所述片基质的厚度为1mm并且涂覆有通过热浸入含有5重量％的 铝的锌合金熔融浴中获得的IOym厚的锌合金层，之后以相对于中心部分垂直的角度弯曲 壁部分以形成所需的平行六面体形状，最后形成一系列的钉牢点，用于固定多个相邻边缘。 所得到的盒子是高度耐腐蚀性的，并且可用于例如，运输物品。
【主权项】
1. 一种用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体的方法，所述方法依次 包括如下步骤： (A) 提供并切割厚度为0. 8-6_的金属片基质，所述金属片基质的形状包括多个自由 边， (B) 将所述金属片基质分批热浸入熔融锌合金镀锌浴中， (C) 将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及 (D) 冷成形一系列的接合点，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所述的 镀锌金属三维物体。2. 如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，步骤（B)的熔融锌合金镀锌浴包含 (a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0. 1 %的其他金属或硅，以及（d)余量为锌。3. 如权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，进行分批热浸步骤（B)直至在金属 片基质的表面上形成厚度为5-20ym的锌基涂层。4. 如权利要求1-3中任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤（D)由如下构成：对一 系列的钉牢点进行冷成形，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起。5. 如权利要求1-4中任一项所述的制造方法，其特征在于，在380-550°C的温度范围内 进行分批热浸步骤（B)。6. 如权利要求1-5中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述方法在步骤（A)和步骤 (B)之间还包括如下步骤： -将所述金属片基质分批浸入基于助熔组合物的水性助熔浴中，所述助熔组合物包含： (a) 60-80重量％的氯化锌，（b) 7-30重量％的氯化铵，（c) 2-20重量％的至少一种碱金属盐 或者碱土金属盐，（d)0. 1-5重量％的至少一种过渡金属氯化物，其中所述过渡金属选自镍、 钴和锰，以及（e)0. 1-1. 5重量％的至少一种选自氯化铅、氯化锡、氯化锑和氯化铋的氯化 物，以及 -在170-250°C的温度下对所得到的助熔金属片基质进行干燥。7. 如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在50-90°C的温度下进行助熔步骤。8. 如权利要求1-7中任一项所述的制造方法，其特征在于，冷成形步骤（C)包括对镀锌 金属片基质或其部分进行弯曲或折叠。9. 如权利要求1-8中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述金属是钢。10. 如权利要求1-9中任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤（A)中提供的金属片 基质的一部分任选地被冲压了一系列的孔。11. 一种具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体，其是由厚度为〇. 8-6mm的 金属片基质形成的，所述物体涂覆有厚度为5-20ym的镀锌涂层以及如下组成，其包含： (a) 2-25重量％的铝，（b) 0-4%的镁，（c)高至0.1 %的其他金属或硅，以及（d)余量是锌， 其中通过一系列钉牢点的方式将所述多个边缘固定在一起。12. 如权利要求11所述的镀锌金属三维物体，所述镀锌金属三维物体是盒或者容器的 形式，优选是适用于运输物品的承重容器。13. 如权利要求11或12所述的镀锌金属三维物体，所述镀锌金属三维物体的一部分任 选地包含一系列的孔。14. 如权利要求13所述的镀锌金属三维物体，其特征在于，包含一系列的孔的所述部
【专利摘要】本发明涉及镀锌金属物体及其制造方法。本发明提供了用于制造具有包括多个边缘的形状的镀锌金属三维物体的方法，所述方法依次包括如下步骤：(A)提供并切割厚度为0.8-6mm的金属片基质，所述金属片基质的形状包括多个自由边，(B)将所述金属片基质分批热浸入熔融锌合金镀锌浴中，(C)将镀锌金属片基质冷成形为包括多个相邻金属边缘的所需的三维形状，以及(D)对一系列的接合点进行冷成形，用于将所述多个相邻金属边缘固定在一起，以形成所述镀锌金属三维物体。
【IPC分类】C23C2/06, C23C2/34, C23C2/02
【公开号】CN104894500
【申请号】CN201510093593
【发明人】L·鲍姆古特尔, M·拉赫克
【申请人】枫丹控股股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月2日
【公告号】CA2880557A1, EP2915607A1, US20150251236
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