【技术帖】近20年全球锌铝镁镀层钢板技术专利分析

摘要：采用Orbit 专利分析平台，对锌铝镁镀层钢板领域全球专利发展趋势、主要国家及重点创新机构的专利布局和技术领域研发进行了分析。对20 年来全球锌铝镁镀层钢板领域重要专利及技术发展趋势进行了梳理，对国外知名钢铁企业锌铝镁镀层钢板最新专利技术趋势进行了剖析。国外钢铁企业在中国申请公开锌铝镁镀层钢板专利较多集中在日新制钢、新日铁住金、JFE公司。

　　关键词：锌铝镁镀层钢板；专利技术；专利分

　　随着汽车在节能、环保和安全性等方面的要求不断提高，必须保证其在服役期内钢铁材料不被严重腐蚀，传统的镀锌处理已经不能满足汽车工业的耐蚀性要求，对钢铁材料镀层的性能提出了更苛刻的要求：不仅要求其具有更高、更持久的耐大气腐蚀能力，而且还要求在较高的温度下具有抗氧化的能力以及更好的涂装性能，而纯锌镀层不能满足这些要求。

　　经过几十年研制、开发和应用，目前发展比较成熟且具有优良耐蚀性能的镀层品种有Zn-Al 合金镀层，主要有美国伯利恒钢铁公司（BethlehemSteel）开发的Galvalume（55%A1- 43.5%Zn- 1.5%Si）、国际铅锌组织开发的Galfan（Zn-5%A1-0.1%RE）等。由于锌的牺牲阳极保护功能，锌浴中添加适量的合金元素铝不仅能直接有效地抑制铁基中硅的圣德林效应，还能增强镀层的耐蚀性能。近年来，人们又发现了镁元素对提高锌基镀层耐蚀性能的良好作用，因此，锌铝镁镀层钢板快速发展，目前已有多种成分的锌铝镁镀层钢板实现了商业化生产。锌铝镁镀层产品在汽车工业中的应用已表现出优异的耐腐蚀性能、成形性、耐刮擦性能和涂装性能，被认为是下一代汽车用防护镀层材料。

　　为了全面了解世界锌铝镁镀层钢板技术发展趋势、专利布局特点，充分认识中国在锌铝镁镀层钢板技术领域的处境和地位，本文对锌铝镁镀层钢板全球专利进行了检索和分析，对20 年来全球锌铝镁镀层钢板领域重要专利及技术发展趋势进行了梳理，对国外知名钢铁企业锌铝镁镀层钢板最新专利技术趋势进行了剖析。

　　目前，国内锌铝镁镀层钢板研究还停留在试验研发阶段，还未实现锌铝镁镀层商业化生产。因此，本文对锌铝镁镀层钢板在中国实现工业化生产具有重要的现实意义。

　　本文以Questel Orbit 专利检索与分析平台作为主要数据采集源，采集范围包括WIPO/PCT 申请专利、美国专利（US）、欧洲专利（EP）、德国专利（DE）、英国专利（GB）、法国专利（FR）、中国专利（CN）、日本专利（JP）、韩国专利（KR）、俄罗斯专利（RU）等，涵盖90 多个国家及组织，时间为1994 年1 月1 日—2013 年12 月31 日内申请公开的专利数据。将检索结果进行汇总、归并、筛选，得到锌铝镁镀层钢板专利分析所用的最终数据。

　　1 锌铝镁镀层钢板领域专利申请整体分析

　　1. 1 锌铝镁镀层钢板领域专利发展进程分析

　　1994 年1 月1 日—2013 年12 月31 日公开的锌铝镁镀层钢板在全球首次申请专利数量为475 件。全球锌铝镁镀层钢板领域这20 年专利申请公开量的变化，在一定程度上反映了20 年该领域全球的发展进程。由于发明专利申请从申请日到发明公布有18 个月的期限，因此，2013 年锌铝镁镀层钢板专利申请量仅供参考。

　　全球锌铝镁镀层钢板领域发展趋势可以分为4 个阶段：第1 阶段为快速增长期（1997 年—2000 年），该阶段每年专利申请公开数量都比前一年增加10 件以上；第2 阶段为平稳期（2001 年—2005 年），该阶段平均每年专利公开量保持在40 件左右；第3 阶段为下降期（2006 年—2009年），这一阶段的专利申请公开量呈现下滑态势，平均每年申请公开量在18 件左右；第4 阶段为技术活跃期（2010 年—2013 年），除2011 年外，近几年的专利申请公开量分别均大于30件。

　　该领域的发展态势说明，各国或地区锌铝镁镀层钢板研发方面的投入均较大，技术突破与创新层出不穷。该领域也远未达到成熟期，技术与市场的竞争尤为激烈。

　　1. 2 锌铝镁镀层钢板专利技术分布分析

　　专利技术原创国是以优先权中的国别提取。专利技术原创国申请专利的多少反映了该国家和地区的技术创新能力和活跃程度，一定程度上代表了技术输出国。通过首次申请国分析，可以为区域间的技术合作以及竞争提供有用的信息。锌铝镁镀层钢板领域专利所属国（或地区、组织）分布信息见表1。

     日本在该领域的优势最为明显，拥有相关专利397 件，约占申请公开总量的84%，是位于其后中国的14 倍，是该领域技术实力最强的国家，是技术研发和产出的主要地区（表中显示在泰国还有9 件发明专利，其实是因为日本JFE 和新日铁住金在该国均有镀锌产线）。日本在该领域技术领先，拥有很多实力强大的企业，如新日铁住金公司、日新制钢公司、JFE钢铁公司等。第2 位是中国，专利申请公开数量为28 件，这说明中国在锌铝镁镀层钢板领域也在积极研发，技术成果明显，但是与日本锌铝镁镀层钢板早已实现商业化相比，中国在该技术的广泛性和创新性还有差距，应该有针对地加强研发投入力度，加大自主创新步伐。第3 位是韩国，专利申请公开数量为16 件，韩国是三面临海的国家，地处海水腐蚀环绕的环境，并且还拥有浦项制铁这样的钢铁业巨头，在锌铝镁镀层钢板领域具有很强的研发基础，这是他们位居第三的原因。首次申请日本、中国、韩国的专利申请公开量占到锌铝镁镀层钢板领域申请公开总数的92.8%，说明这3个国家是该领域的主要技术力量。

　　专利申请时，较为重要的地区会受到申请人的较高关注，专利申请量也会较大。企业在决策将一项技术在哪些国家申请同族专利时，往往更多地考虑市场因素。如果企业将一项技术在某个国家申请了专利，那么企业已经将该国视为目标市场国，希望取得在该国的技术垄断。

　　锌铝镁镀层钢板领域前10 个专利公开国（或地区、组织）分布信息。按数量多少排列顺序为：日本、中国大陆地区、韩国、世界知识产权组织、美国、欧洲专利局、加拿大、澳大利亚、印度和中国台湾地区。其中，日本是公开量最多的国家，在日本申请公开的专利数量达到412件，约占总申请公开量的87%，这反映出在日本锌铝镁镀层钢板的研发非常盛行。中国专利公开量居全球第2位，拥有相关专利84 件，这说明中国钢铁行业的技术力量对锌铝镁镀层钢板领域非常重视，该领域在中国有很大的发展潜力，同时也说明其他各国对中国锌铝镁镀层钢板技术和市场的重视，积极进行专利的部署，抢占市场，也充分反映了该领域在中国竞争较为激烈。

　　1. 3 全球锌铝镁镀层钢板制造公司在中国竞争格局

    20 年间全球锌铝镁镀层钢板专利在中国专利权人排名中，居前9 位的企业中，3 家为日本企业，3 家为中国企业，其余分别是欧洲的安赛乐米塔尔公司、韩国的浦项制铁、澳大利亚的博斯格公司。

　　国外钢铁企业在中国申请公开锌铝镁镀层钢板专利数量最多的前3 个日本企业分别是新日铁住金公司、日新制钢和JFE 公司，申请公开专利数量分别为20、10 和7 件，3 家公司申请公开专利数量占总数的44%，第4 位是欧洲的安赛乐米塔尔公司，申请公开专利数量为6 件，4 家公司在中国申请公开专利数量为43件，为总数的51.2%。

　　中国的大型钢铁企业是全球钢铁企业在亚洲最主要的竞争对手之一，随着中国家电行业、建筑行业和汽车工业快速发展及对防腐材料要求的提高，国外企业对中国知识产权保护更加重视。为了长期取得竞争优势，日本钢铁企业和安赛乐米塔尔公司均加强了在中国申请锌铝镁镀层钢板专利的数量，以便在技术开发、占领市场和钢铁贸易中处于主导地位。

　　中国的专利申请人进入前8 位的分别为鞍钢、常州大学和宝钢，申请公开数量分别为7、5 和3件。可见，中国主要钢铁企业在锌铝镁镀层钢板的研发方面与世界先进水平还有很大差距。

　　2 锌铝镁镀层钢板专利技术领域分析

　　2. 1 锌铝镁镀层钢板专利重点研究领域

　　IPC（international patent classification）为国际专利分类号，是目前唯一国际通用的专利文献分类工具，不同的IPC 分类号对应不同的技术类别。在专利分析中，利用分析样本数据中的分类号或主题词对应的技术内容的专利数量的多少或占总量的比例进行研究，找到发明创造活动最为活跃的技术领域以及技术领域中的重点技术，并且可以探讨技术的发展趋势、某一技术领域可能出现的新技术等。本文通过IPC 分类号对锌铝镁镀层钢板领域的专利技术特征进行分析，国内外主要钢铁企业锌铝镁镀层钢板专利主题的数量分布见表2。

      国内外钢铁企业均比较关注的研发领域为：

　　（1）提高锌铝镁镀层耐腐蚀的方法。通过调整锌铝镁镀层成分、镀层内组织构成及热浸镀工艺控制镀膜量，提高镀层钢板的耐蚀性（162件）。

　　（2）涂装锌铝镁镀层钢板，具有优异的耐蚀性、良好的成形性和焊接性（27件）。

　　（3）镀层表面基底处理，提高镀层钢板加工断面耐蚀性（24件）。

　　（4）后处理，焊接构件和磷化处理等。

　　2. 2 锌铝镁镀层钢板领域重要专利筛选

　　根据被引用频次、同族数量、涉及诉讼、重要申请人等多方面因素考虑，指定重要专利选取规则，筛选出重要专利。全球锌铝镁镀层钢板部分高频次被引用专利见表3。由表3 可见，这些重要专利的专利权人为日本新日铁住金和日新制钢所垄断，这些专利还处于有效状态，中国相关科研人员有必要仔细研究这些专利的保护范围，以免引起相关知识产权争端。

　　2. 3 近年来锌铝镁镀层钢板典型技术专利

　　鉴于目前国内锌铝镁镀层钢板还未实现商业化生产，因此本文重点分析了2012 年和2013 年国外大型钢铁企业公开专利中较为前沿的技术研发特点及趋势。

     2012 年和2013 年锌铝镁镀层钢板领域共申请公开专利66 件，其中日新制钢、新日铁住金、浦项和安赛乐米塔尔、奥钢联5 家公司共申请公开专利45件，见表4。

　　2. 3. 1 抑制镀层中MgO的生成，提高镀层钢板的附着性和表面外观质量

　　奥钢联2013 年申请的专利EP2824213，发明了一种增加钢板与锌铝镁镀层附着性的方法。该发明思路是，钢板热浸锌铝镁镀层后，连续经过平整机轧制，再进行表面处理，即镀层钢板通过与氟化水反应，使其与镀层表面的Al₂O₃和MgO反应，达到减少镀层中MgO的目的，而无需酸洗处理，从而提高锌铝镁镀层与钢板的附着性。

　　浦项制铁公司2012 年申请的专利WO2014017805，为抑制热镀浴中镁的氧化反应，向热镀浴中加入少量的镓（Ga）或铟（In），且锌铝镁镀层中铝和镁组成满足质量分数之和不超过7%，从而获得具有优异耐腐蚀性和和优异外表面的锌铝镁镀覆钢板。

　　新日铁住金2012 年申请的专利CA2838318，将锌铝镁镀层钢板浸泡在含有钙质量分数0.001 0%～0.004 0%且温度为50～90 ℃的热水中浸渍1～100 s，使钙或钙化合物为主要成分的钙相存在于镀层与母材钢板之间，因而使Al/MgZn₂/Zn三元共晶相微细化，镀层的光洁度整体得到增加，外观均匀性得以提高。

　　浦项制铁公司2013 年申请的专利KR20150075650，通过对锌铝镁镀层（铍质量分数为0.001%～0.01%）磷化处理，改善锌铝镁镀层附着性，镀层钢板有极好耐蚀性。

　　2. 3. 2 表面处理，提高镀层钢板变形加工部位的耐蚀性、耐白锈性

　　新日铁住金2012 年申请授权专利WO2013027827，针对含有镁的高铝-锌合金镀覆钢板在表层容易产生折皱导致外观表面恶化的问题，提出在钢板上先热浸锌铝镁硅镀层，该镀层中含有体积分数为0.2%～15%的Si-Mg相，增加该相体积比可抑制锌铝镁硅镀层折皱的发生，随后在热浸镀膜上涂覆含有有机树脂的涂膜，膜厚为0.1～10 μm，且含有平均粒径为5～20 nm 的球状二氧化硅粒子。经过上述表面处理后，镀层钢板加工部位的耐白锈性、耐划伤性、外观均良好。

　　新日铁住金2013年申请授权专利JP5655981，提出了一种可用于汽车外板耐黑变性和耐蚀性均优良的锌铝镁镀层钢板的制造方法。主要是在锌铝镁硅镀层上再形成一种含平均直径为5～30 μm铝粒子的膜，该膜占整个镀层面积的75%～100%。

　　浦项制铁公司2013 年申请的专利KR20150074976，提出了锌铝镁镀层钢板变形加工部位得到良好耐蚀性的方法。通过控制锌铝镁镀层截面组织的Zn-Al-Mg2Zn 和Zn-Mg2Zn 面积比率为0.7～1.3得到良好的耐蚀性。

　　2. 3. 3 涂装基底预处理，改善镀层钢板与黏合剂的相容性，避免黏合断裂

　　在汽车工业中，常使用黏合剂来组装金属板以生产车辆的某些零件。这些黏合剂可以是结构黏合剂、增强结构黏合剂或半结构黏合剂，以及不同化学性质的密封胶黏剂，如环氧树脂、聚氨酯或橡胶。黏合断裂是汽车工业中的大忌。

　　欧洲安赛乐米塔尔公司2013 年申请的专利CA2871669，提出用于生产锌铝镁镀层钢板且该钢板镀层与黏合剂具有良好相容性，避免黏合断裂的方法。钢板镀层后，平整机轧制后冷却，使用黏合剂之前，用pH 值为1～4 的酸性溶液处理镀层钢板表面0.5～15 s，再用碱性溶液脱脂，从而避免黏合断裂。

　　2. 3. 4 提高高强镀层钢板焊接结构件的耐腐蚀性

　　近年来，为了汽车轻量化，拉伸强度为590 MPa以上的高强钢板已用于镀敷原板。组装汽车构件时，大多应用气体保护电弧焊接。在使用熔融锌铝镁系镀敷高强钢板中，由于焊接热影响部位的拉伸应力增大，与纯镀锌（GI）钢板相比，锌铝镁镀层钢板易产生熔融金属脆化裂纹，该脆化裂纹会成为腐蚀的基点，降低了耐腐蚀性。脆化裂纹产生原因被认为是因含有镁而降低了镀层的液相线温度。

　　日新制钢2012年申请授权专利JP2013198935，该发明提供一种不增加镀敷原板钢种的制约，在使用了锌铝镁系镀层钢板结构件的电弧焊接结构件中具有优异的耐熔融金属脆化裂纹性的方法。其中，在通过气体保护电弧焊接方法使钢材彼此焊接制造焊接结构构件时，作为保护气体，使用以氩气、氦气或氩气＋氦气混合气体为基础，混合一定体积分数的CO₂。根据焊接输入热量，明确了保护气体中CO2体积分数的容许上限。该方法可以有效防止焊接脆化裂纹，从而提高锌铝镁镀层高强钢板焊接结构件的耐腐蚀性。

　　3 跟踪国外知名钢铁企业锌铝镁镀层钢板专利技术趋势

　　3. 1 日新制钢公司

　　日新制钢公司1997 年开始申请锌铝镁镀层钢板专利，20 年间申请数量为181 件。期间开发出了商标为ZAM？ 的锌铝镁镀层钢板成分为Zn-6%Al-3%Mg，耐蚀性为纯锌的10～18 倍。2003 年申请发明专利数高达27 件。近几年来，专利研发重点以锌铝镁镀层高强钢板焊接构件及黑色镀层钢板为对象，研究其制造方法。

　　3. 2 新日铁住金公司

　　新日铁住金20 年间申请公开锌铝镁镀层专利数量为173 件，2000 年—2002 年达到巅峰，共申请该领域专利70 件，占总量的40.5%。2000 年新日铁住金公司开发出高耐蚀性新型热镀合金钢板SuperDyma？[18]、Superzinc？和Dymazinc？ 等几种新型锌铝镁镀层产品，它们的耐蚀性为传统纯锌镀层和锌铝合金镀层的数倍乃至数十倍。

　　尤其是新日铁住金开发出的热镀锌铝镁硅合金钢板SuperDyma？，其表面镀层成分为Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si，耐蚀性为纯锌镀层的15 倍。其典型镀层结构分为：无铬酸盐处理特殊涂层、锌铝镁硅合金层、基体等。其主要特点为：（1）与热镀锌钢板相比，具有较高的耐蚀性，且具有端面防蚀性；（2）具备耐碱性，可与砂浆、混凝土接触；（3）可替代对氯耐蚀性较弱的不锈钢、对碱耐蚀性较弱的铝。

　　2011 年以后，新日铁住金申请专利技术主题已经转向汽车板用热压成形钢的研究，包括3 个方面：

　　（1）研究热成形时的加热方法；（2）以冲压成形部件为研究对象，研究热成形后部件的优良性能；（3）研究可获得优良性能成形部件的钢板化学成分和制造方法。

　　3. 3 JFE公司

　　JFE公司20 年间申请公开锌铝镁镀层专利数量为50 件，2004 年申请专利达到14 件。近几年在锌铝镁镀层钢板领域申请专利很少。跟踪该公司2012 年后专利研发技术特点，注意到其已经转向研究汽车板用超高强钢制造技术、热成形用钢、温成形用钢及温成形方法等技术领域。

　　JFE 申请的温成形用钢专利主要是以各种镀层钢板为研究对象，研究化学成分、组织及成形工艺间的关系，获得具有优良性能的成形部件。

　　JFE 申请的热成形用钢专利主要也是以镀层钢板为研究对象，研究方向为抑制成形加热过程中氧化铁皮和氧化锌的生成，使钢板获得优良的耐蚀性和镀层致密性。

　　3. 4 浦项制铁公司

　　浦项申请公开锌铝镁镀层专利主要集中在2013 年，申请数量为8 件。申请公开的专利以锌铝镁镀层板为对象，研究使钢板获得优异耐蚀性和优良外观的方法。

　　该公司2012 年后专利研发技术特点，以镀锌钢板为研究对象，研究热冲压用镀锌钢板的生产方法。

　　4 结语

　　通过对全球锌铝镁镀层钢板专利的分析，可以得到如下的结论：锌铝镁镀层钢板领域处于技术活跃期，技术与市场的竞争尤为激烈；中日韩三国是锌铝镁镀层钢板的主要竞争地区，集中了全球该领域专利数量的92.8%；目前锌铝镁镀层钢板技术发展方向更加细致，前沿技术包括镀层耐腐蚀性、表面处理、不同钢种的热浸镀工艺以及镀层的其他使用性能等方面。

返回列表