專利名稱：一種鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面鍍層技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋼結(jié)構(gòu)件的熱浸鍍方法。
背景技術(shù)：
銹蝕是鋼鐵材料損耗的重要方式，每年由于銹蝕而損失的鋼鐵材料多達(dá)數(shù)千萬(wàn)噸，而目前在金屬表面熱浸鍍防腐層是提高金屬抗腐蝕性能、減少金屬腐蝕消耗的最有效辦法；針對(duì)不同用途的鋼鐵材料，由于使用環(huán)境、材料結(jié)構(gòu)和性能等方面的不同，目前采用的熱浸鍍金屬涂層材料主要包括 系、稀土系、Zn-Al系、Al系、稀土 Al系等；近年來(lái)， 熱浸鍍鋁在成本、環(huán)保及鍍層性能和壽命等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，收到越來(lái)越多的關(guān)注。在高鋁含量的熱浸鍍合金中，feilvalume合金采用55%A1_1. 6%Si-Zn合金鍍層被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)中合金元素匹配最好、鍍層綜合性能最優(yōu)良的合金，它兼?zhèn)淞隋冧\層的耐腐蝕性和鍍鋁層的抗高溫性等多種優(yōu)異性能，所以取得了廣泛的應(yīng)用；現(xiàn)有的熱浸鍍鋁還存在高鋁合金潤(rùn)濕性差和流動(dòng)性差的不足，所以鍍層的均勻性及鍍層的質(zhì)量和性能有待提高；中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?200910044817. 8和200910134953. 6提出采用Mg2Si提高鍍層的耐腐蝕性能，并分別引入Ti、B及稀土 La或Ce細(xì)化晶粒；中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0091(^62758. 1也提出利用Mg2Si、TiO2, CeO2等顆粒提高鍍層性能，由此可見(jiàn)，在鋁鍍層內(nèi)引入增強(qiáng)顆粒是提高鍍層性能的有效途徑；但現(xiàn)有技術(shù)中確存在著兩點(diǎn)明顯的不足一是，現(xiàn)有技術(shù)只提出了利用增強(qiáng)顆粒提高鍍層性能的方案，但對(duì)于熱浸鍍過(guò)程鍍層內(nèi)形成顆粒相的尺寸及形貌及對(duì)鍍層晶粒的影響才是影響鍍層質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，研究證明，對(duì)熱勁鍍層而言，增強(qiáng)顆粒只有控制在30-40nm以下，才具有顯著的提高鍍層抗蝕性能、鍍層致密度等質(zhì)量的作用，特別是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)件的熱浸鍍鋁，熱浸鍍時(shí)間長(zhǎng)，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)鍍層金屬液析出相和增強(qiáng)顆粒的尺寸和形成條件無(wú)法控制，因此，增強(qiáng)顆粒對(duì)鍍層性能的影響也無(wú)法控制和有效提高； 二是，在熔體內(nèi)或鍍層中引入增強(qiáng)顆粒，熔體的流動(dòng)性變差，因此，要進(jìn)一步優(yōu)化熱浸鍍合金的成分，一方面控制顆粒相盡可能在鍍層形成即凝固過(guò)程中形成，另一方面要通過(guò)引入合金元素降低熱浸鍍合金液的表面張力和提高其流動(dòng)性，從而提高熔體的可熱浸鍍性能。綜上所述，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的熱浸鍍鋁，在鍍層內(nèi)引入納米級(jí)別的顆粒是提高鍍層性能的可行途徑，但需要對(duì)熱浸鍍合金組成進(jìn)行優(yōu)化，控制顆粒相在凝固過(guò)程中析出，并通過(guò)外場(chǎng)手段將顆粒和析出相控制在納米尺度，同時(shí)，引入合金元素，降低熔體的粘度和表面張力，提高金屬的可熱浸鍍性，從而提高鍍層的性能和表面質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種用于鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁的多元鋁合金，且在熱浸鍍過(guò)程對(duì)熔體施加脈沖電場(chǎng)的熱浸鍍方法，通過(guò)優(yōu)化多元合金的成分，在鍍層形成過(guò)程即鍍層金屬的凝固過(guò)程析出顆粒相，并通過(guò)外加的脈沖電場(chǎng)將顆粒相控制在可提高材料性能的最佳尺度，解決現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法控制鍍層內(nèi)析出相和顆粒的析出和長(zhǎng)大問(wèn)題；同時(shí)，優(yōu)化的熱浸鍍鋁多元合金中引入降低熔體粘度和表面張力的元素，提高鋁合金的可熱浸鍍性能，從而提高鍍層的性能和表面質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的方案設(shè)想是
本發(fā)明的熱浸鍍鋁中同時(shí)引入Mg和Si，在熱浸鍍鋁的鍍層形成過(guò)程即凝固過(guò)程中析出Mg2Si顆粒，Mg和Si的添加量以控制Mg2Si顆粒只在凝固過(guò)程中形成和析出為原則，并在熱浸鍍過(guò)程中對(duì)熔體施加脈沖電場(chǎng)，利用脈沖電場(chǎng)控制Mg2Si顆粒的尺寸。本發(fā)明的熱浸鍍鋁中同時(shí)引入Ni，Bi，V和稀土 Y，這些元素在合適的添加范圍內(nèi)協(xié)同作用可以有效降低合金的粘度和表面張力，以彌補(bǔ)由于合金凝固過(guò)程熔體內(nèi)析出 Mg2Si顆粒導(dǎo)致的粘度劇增和潤(rùn)濕性下降導(dǎo)致的鋁合金可熱浸鍍性能下降，從而提高鋁合金的熱浸鍍性能；另外，由于本發(fā)明的熱浸鍍鋁合金中含有多種合金元素，特別是Mg和Si 的引入，鋁合金的晶界析出物較多，稀土 Y具有非常強(qiáng)的凈化晶界析出物和細(xì)化晶粒的作用，從而提高鍍層的性能。由于本發(fā)明中引入Ife2Si顆粒，為使Mg2Si顆粒的尺寸得到控制，必須施加外場(chǎng)以控制顆粒的尺寸在納米尺度，本發(fā)明的脈沖電場(chǎng)，在熔體內(nèi)產(chǎn)生的電瞬態(tài)放電效應(yīng)不僅可以有效細(xì)化凝固過(guò)程中的析出物，而且還具有顯著的細(xì)化晶粒作用；本發(fā)明中引入Y、Ni、 Bi、V都具有細(xì)化晶粒的作用，但對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)件的熱浸鍍鋁，由于凝固時(shí)間長(zhǎng)，單一依靠加入的元素細(xì)化鋁合金鍍層的晶粒難以滿足高性能鍍層的要求，因此必須利用脈沖電場(chǎng)作用細(xì)化鍍層的晶粒。如上所述，在熱浸鍍鋁合金方面，本發(fā)明的創(chuàng)造性在于引入Mg和Si，在鍍層形成過(guò)程析出Mg2Si顆粒，并通過(guò)外場(chǎng)控制顆粒在納米尺度；合金中引入稀土 Y、Ni、Bi和V協(xié)同作用，降低合金的粘度和表面張力，提高合金的熱浸鍍性；另外，由于本發(fā)明中引入Mg2Si 顆粒，而且對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍時(shí)間長(zhǎng)，必須引入外場(chǎng)細(xì)化凝固過(guò)程析出的Mg2S顆粒和對(duì)鍍層晶粒進(jìn)一步細(xì)化，達(dá)到提高鍍層綜合性能的目的。基于上述思路和原理，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁多元合金及脈沖電場(chǎng)下熱浸鍍方法，其特征在于對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁采用采用一種由Al -Mg-Si-Si為主要組元的多元合金，所述的熱浸鍍鋁多元合金的組成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù) ％) :A1 75-85%, Mg 3-5%, Si 3_5%，稀土 Y 0. 01-0. 02%, Ni 0. 04-0. 10%, Bi 0. 04-0. 10%, V 0. 04-0. 10%，余量為Si和不可避免的雜質(zhì)；采用本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁多元合金的熱浸鍍方法，與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于在熱浸鍍過(guò)程對(duì)熔池施加脈沖電場(chǎng)， 所述脈沖電場(chǎng)的參數(shù)范圍脈沖寬度為80-100 ms，作用頻率為1-2 Hz，通入熔體的脈沖電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2。另外，具體實(shí)施本發(fā)明的熱浸鍍方法與目前鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁的方法基本相同， 其區(qū)別在于采用的熱浸鍍合金成分控制不同和在熱浸鍍過(guò)程對(duì)合金熔池施加脈沖電場(chǎng)，設(shè)備方面，脈沖電場(chǎng)設(shè)備可采用工業(yè)規(guī)模的商業(yè)化設(shè)備，熔池內(nèi)脈沖電場(chǎng)的引入可以靈活的采用固定電極或移動(dòng)電極引入，為防止鋁業(yè)污染，一般采用石墨電極，電極可以固定在用于熱浸鍍的鋁鍋的側(cè)壁和鍋底上，也可以在不影響鋼結(jié)構(gòu)件放入和吊取操作的前提下，從熔池上部插入；因此，實(shí)施該發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，操作靈活，現(xiàn)有的工藝裝備成熟，成本低，值得推廣。本發(fā)明的鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁多元合金的成分范圍是按照如下原則確定的 (1) Al含量范圍確定高鋁合金的抗腐蝕性能隨鋁含量提高而提高，相現(xiàn)對(duì)于目前熱浸鍍鋁廣泛采用的 feilvalume合金(55%Al-1.6%Si-Zn)而言，本發(fā)明中鋁元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)提高到 75-85%，有利于提高鍍層的抗腐蝕性能；但是，合金中鋁含量再提高，對(duì)鋼材的潤(rùn)濕性明顯下降，容易出現(xiàn)漏鍍和鍍層不均勻、不連續(xù)的現(xiàn)象，本發(fā)明中采用將合金中鋁元素的含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)％)提高到75-85%，在Mg、Si、Ni、Bi、Y等元素協(xié)同作用和脈沖電場(chǎng)振蕩作用下， 合金的熱浸鍍效果理想，不僅提高了抗腐蝕性能，而且鍍層均勻，光滑，具有非常好的鍍層質(zhì)量。(2) Mg和Si的含量范圍確定
本發(fā)明中Mg和Si含量的控制范圍為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％) 3-5%，Mg和Si可以降低鋁合金的熔點(diǎn)和粘度，添加量高于該范圍后，熔體內(nèi)會(huì)析出一定數(shù)量的Mg2Si,會(huì)使合金的熱浸鍍性顯著下降，因此，Mg和Si含量應(yīng)控制在熱浸鍍溫度下，熔體內(nèi)不析出Mg2Si顆粒為限度，其控制范圍為3-5% ；其中Mg和Si的最佳相對(duì)比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比)控制在Mg: Si=2:1-3:2的范圍；由于Mg和Si的燒損情況不同，因此，其含量允許有一定程度的過(guò)剩。(3)稀土 Y含量范圍的確定
稀土元素Y的作用包括降低合金的粘度和表面張力，從而提高合金的熱浸鍍性；熔體凈化作用，特別是凈化鍍層的晶界；細(xì)化晶粒的作用；稀土 Y添加量在<0.1%的范圍內(nèi)， 具有顯著的凈化和細(xì)晶作用，其添加量再增加，會(huì)增加熔池的渣量，本發(fā)明中將稀土加入量控制在0. 01-0. 02%范圍，在其它元素協(xié)同作用及外場(chǎng)的輔助作用下，獲得理想的熱浸鍍效果。(4) Ni、Bi和V含量范圍的確定
添加Ni、Bi和V元素的目的是降低鋁合金熔體的粘度和表面張力，同時(shí)，這些元素具有細(xì)化晶粒的作用，添加量<0. 1%時(shí)，這些有益效果明顯；但當(dāng)添加量>0. 1%以后，不僅會(huì)增加成本，還會(huì)引起鍍層晶界間的析出物增加，影響抗腐蝕性能，因此，Ni、Bi和V元素的添加量在0. 04-0. 10%是比較理想的。(5)余量Si和不可避免的雜質(zhì)
本發(fā)明的熱浸鍍鋁多元合金中的其余元素為Si和不可避免的雜質(zhì)，Zn量增加可以降低熱浸鍍的溫度，因此本發(fā)明的熱浸鍍合金中余量Si的范圍一般應(yīng)大于5% ；所述雜質(zhì)元素含量應(yīng)小于0. 06%。采用本發(fā)明的另一重要特征是在熱浸鍍過(guò)程中對(duì)熔池施加脈沖電場(chǎng)，所述脈沖電場(chǎng)的電流參數(shù)范圍是根據(jù)如下原則確定的
(1)關(guān)于脈沖寬度和作用頻率
結(jié)合目前脈沖電場(chǎng)技術(shù)條件和脈沖電場(chǎng)對(duì)熱浸鍍合金凝固過(guò)程的作用規(guī)律，脈沖電場(chǎng)的脈沖寬度確定在SO-IOOms，脈沖電場(chǎng)的作用頻率為1-2HZ。(2)關(guān)于脈沖電流的峰值強(qiáng)度
通入熔體的脈沖電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2，視熔池容鋁量和電源容量確定。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)如下
(1)、本發(fā)明與現(xiàn)有熱浸鍍鋁或熱浸鍍鋁合金相比，具有如下突出特征耐腐蝕性能優(yōu)良，在鹽霧腐蝕環(huán)境中，抗腐蝕性能比目前廣泛采用的Galvalume合金鍍層提高20%左右； 浸鍍性能優(yōu)良，表面光滑，平整無(wú)漏鍍、結(jié)瘤等缺陷，克服了現(xiàn)有技術(shù)采用高鋁合金鍍層由于熱浸鍍性能差導(dǎo)致的漏鍍、鍍層不均勻等表面缺陷。(2)、本發(fā)明采用多元素協(xié)同作用提高了高鋁合金的熱浸鍍性能，在輔以脈沖電場(chǎng)沖擊振蕩作用下，改變了新相析出的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，控制鍍層內(nèi)顆粒在凝固過(guò)程中析出， 并細(xì)化析出相顆粒尺寸在30-40nm以下，克服了現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法控制顆粒的析出時(shí)機(jī)和顆粒長(zhǎng)大導(dǎo)致的熱浸鍍性能差，鍍層不光滑、漏鍍等問(wèn)題。(3)、與現(xiàn)有技術(shù)采用低鋁的鋁鋅熱浸鍍和采用中鋁含量的(ialvalume合金相比， 鋁含量增加，不僅提高了鍍層的抗腐蝕性能，而且降低了合金中鋅含量，鋅與鋁相比，價(jià)格高而且易揮發(fā)和氧化損耗大，所以，提高鋁含量、降低鋅含量，可以降低鍍層成本，按目前的鋁、鋅價(jià)格相比，節(jié)約成本在20%以上；另外，鋁在熱浸鍍溫度690-750°C范圍內(nèi)，鋁幾乎不揮發(fā)，因此，有利于現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境的無(wú)害化。(4)、本發(fā)明中由于鍍層內(nèi)引入了 Ife2Si顆粒，因此熱浸鍍過(guò)程必須施加外場(chǎng)控制顆粒尺寸在有益范圍之內(nèi)，本發(fā)明采用脈沖電場(chǎng)，利用脈沖充放電技術(shù)，在瞬間達(dá)到很高的振蕩強(qiáng)度，這種瞬態(tài)電振蕩不僅有效細(xì)化了析出相顆粒，對(duì)晶粒細(xì)化的效果也非常顯著，與不施加外場(chǎng)相比，Mg2Si顆粒相尺寸由IOOnm以上級(jí)別，細(xì)化到30-40nm以下，鍍層鋁的晶粒平均尺寸由微米級(jí)別(0. 2-0. 5 μ m)細(xì)化到納米級(jí)別(50nm以下)，這些有益作用直接引起鍍層抗腐蝕性能、鍍層緊密度和抗剝落性能的提高。(5)、采用本發(fā)明，可以利用現(xiàn)有的成熟的冶金設(shè)備，不需要開(kāi)發(fā)研究新的工藝裝備，設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單，成本低，值得推廣。
具體實(shí)施例方式為驗(yàn)證采用本發(fā)明的效果，對(duì)20號(hào)鋼材質(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了以下一系列的熱浸鍍鋁對(duì)比試驗(yàn)
系列1 完全采用本發(fā)明，即同時(shí)采用本發(fā)明的熱浸鍍鋁多元合金并采用在熱浸鍍過(guò)程中施加脈沖電場(chǎng)的方法；(備注表1中編號(hào)第1-4組)。系列2 只采用本發(fā)明的熱浸鍍鋁多元合金，熱浸鍍過(guò)程不施加脈沖電場(chǎng)；(備注 表1中編號(hào)第5-8組)。系列3 現(xiàn)有的熱浸鍍鋁合金，采用(ialvalume合金；(備注表1中編號(hào)第9組)。系列4 選取現(xiàn)有技術(shù)(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00910044817. 8)中采用Ife2Si顆粒提高鍍層性能的合金進(jìn)行熱浸鍍?cè)囼?yàn)；(備注表1中編號(hào)第10-11組，為對(duì)比說(shuō)明施加脈沖電場(chǎng)的作用，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的合金也進(jìn)行了施加脈沖電場(chǎng)的試驗(yàn))。通過(guò)比較鍍層的外觀質(zhì)量、鍍層厚度、鍍層硬度、鹽霧腐蝕失重試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鍍層性能；評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2 ；備注表1與表2中的編號(hào)一致。除采用的合金成分區(qū)別和是否在熱浸鍍過(guò)程施加脈沖電場(chǎng)外，所進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)采用的方法和裝置完全相同，即傳統(tǒng)的熱浸鍍鋁方法，無(wú)需過(guò)多說(shuō)明。表1熱浸鍍方案(合金液成分和條件)
權(quán)利要求
1.一種鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁的方法，其特征在于在熱浸鍍鋁過(guò)程中對(duì)熱浸鍍合金熔池施加脈沖電場(chǎng)，所述脈沖電場(chǎng)的電流參數(shù)為脈沖寬度為80-100 ms，作用頻率為1-2 Hz，通入熔體的脈沖電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2。
2.如權(quán)利要求1所述的一種鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋁的方法，其特征在于采用熱浸鍍多元鋁合金替換現(xiàn)有的熱浸鍍鋁合金對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行熱浸鍍，同時(shí)在熱浸鍍鋁過(guò)程中對(duì)熱浸鍍合金熔池施加脈沖電場(chǎng)，所述熱浸鍍多元鋁合金組成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)％) =Al 75-85%，Mg 3-5%, Si 3-5%，稀土 Y 0. 01-0. 02%, Ni 0. 04-0. 10%, Bi 0. 04-0. 10%, V 0. 04-0. 10%，余量為 Zn和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬表面鍍層技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋼結(jié)構(gòu)件的熱浸鍍方法。采用的熱浸鍍合金組成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Al75-85%，Mg3-5%，Si3-5%，稀土Y0.01-0.02%，Ni0.04-0.10%，Bi0.04-0.10%，V0.04-0.10%，余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)；熱浸鍍過(guò)程對(duì)熔池施加脈沖電場(chǎng)，所述脈沖電場(chǎng)的參數(shù)范圍脈沖寬度為80-100ms，作用頻率為1-2Hz，通入熔體的脈沖電流峰值密度為0.1-10A/cm2。本發(fā)明利用稀土Y及Ni、Bi、V協(xié)同作用提高鋁的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，并利用在脈沖電場(chǎng)作用下析出的納米Si與Mg2Si相提高鍍層的強(qiáng)度和耐蝕性能，脈沖電場(chǎng)還具有晶粒細(xì)化，提高鍍層致密度的作用。采用本發(fā)明不僅提高了鍍層質(zhì)量，節(jié)約了金屬消耗，并且實(shí)施該發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，現(xiàn)有的工藝裝備成熟，成本低，值得推廣。
文檔編號(hào)C23C2/12GK102268625SQ20111022112
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者李桂榮, 王宏明 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)