專利名稱：熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層及其熱浸鍍方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利熱浸鍍鋅技術(shù)領(lǐng)域，特指熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層及其熱浸鍍方法。
背景技術(shù)：
熱浸鍍鋅及鋅合金產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛用于家電、建筑、容器制造、車(chē)船、機(jī)電業(yè)等，幾乎包含各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中；近年來(lái)，全球鍍鋅鋼板的需求量不斷上升，產(chǎn)量的增長(zhǎng)也很迅速，在美國(guó)和日本等產(chǎn)鋼用鋼大國(guó)中，熱浸鍍鋅鋼板在鋼材中所占比例已高達(dá)13%以上。近年，各個(gè)行業(yè)越來(lái)越重視材料的使用壽命，但是，由于鋼鐵制品長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中極其容易發(fā)生腐蝕，造成鋼鐵產(chǎn)品的毀壞失效，給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)很?chē)?yán)重的影響，甚至危及到人民的生命；腐蝕是自然界中一種很普遍的現(xiàn)象，無(wú)法避免；據(jù)統(tǒng)計(jì)，全
球上每年因?yàn)楦g問(wèn)題而報(bào)廢的金屬產(chǎn)品大約相當(dāng)于全球金屬年產(chǎn)量的1/3，為了延長(zhǎng)金屬制品的壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失，金屬的腐蝕防護(hù)工作就被擺在了一個(gè)重要的地位，耐腐蝕性優(yōu)良且成本低廉的熱鍍鋅鋼板開(kāi)始普遍受到了青睞。在熱浸鍍鋅鋅液中增加Al可以改善鍍層表面的光澤度，使合金層的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，抵消鋅池中溶Fe的不良影響；A1與O元素之間相比于Zn有著很強(qiáng)的親和力，能在鋅液表面生成一層很薄的氧化鋁薄膜，可有效的起到阻止氧先鋅池內(nèi)的擴(kuò)散，保護(hù)鍍液不易被氧化。Galfan合金鍍層是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一種鋅鋁合金鍍層，于上個(gè)世紀(jì)80年代由國(guó)際鉛鋅組織(ILZRO)研制成功；它的成分為Zn-5%A1，Galfan擁有良好的的耐腐蝕性能，耐腐蝕性大約是普通純Zn鍍層產(chǎn)品的數(shù)倍；不管在室外、或是潮濕環(huán)境、或在海洋性氣候等惡劣條件和環(huán)境里，浸鍍?cè)摲N合金鍍層的鋼鐵制品耐腐蝕性能均比普通鍍純Zn、電鍍Zn優(yōu)越，Galfan合金鍍層的金屬延展性及可加工能力性極好,焊接性能也優(yōu)于純Zn鍍層。由于受到現(xiàn)有熱鍍鋅設(shè)備、工藝技術(shù)及原基材的限制，我國(guó)在鍍鋅行業(yè)上的科研水平還有待提高，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的且性能良好的新型鍍層產(chǎn)品是目前市場(chǎng)所需求的，熱浸鍍鋅技術(shù)還有許多空間值得我們?nèi)ミM(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于開(kāi)發(fā)一種新型合金鍍層，通過(guò)細(xì)化鍍層中組織，在生產(chǎn)成本不會(huì)大幅度增加的情況下提升熱浸鍍Galfan合金(Ζη_5%Α1)的耐腐蝕性能，提高鍍層表面質(zhì)量，使熔池光亮且流動(dòng)性良，使新型鍍層應(yīng)用于一些對(duì)耐腐蝕性、外觀質(zhì)量要求比較高的零部件的鍍鋅工藝中。熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層，其特征在于A1的含量控制在5wt%，Zr的范圍在O. 05-0. 2wt%，其余為 Zn。所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層的熱浸鍍方法，包括Zn-Al-Zr合金熔煉的步驟、鋼材基體預(yù)處理的步驟和鋼材熱浸鍍的步驟。
所述的熔池合金熔煉步驟，其特征為Zr元素利用Al_10%Zr合金加入，將熔煉爐溫設(shè)置在700°C，先熔煉Al-10%Zr合金，待融化后再加入Zn、Al，全部金屬融化后攪拌均勻最后將溫度降溫到熱浸鍍溫度。所述的鋼材基體預(yù)處理步驟，其特征為鋼片預(yù)磨除銹一15被％的Na (OH)2溶液堿洗除油(40°C,2-3min)—清水沖洗一15wt%的鹽酸溶液酸洗3min除銹一清水沖洗一助鍍(700C -900C，2-3min)—干燥。熱浸鍍使用的助鍍劑，所述助鍍劑其特征成分為ZnCl2 :107g/L、NH4Cl :100g/L、SnCl2 80g/L,使用上述成分所配置的水溶液對(duì)鋼材基體進(jìn)行助鍍處理。熱浸鍍使用的工藝參數(shù)，其特征為浸鍍溫度為460-480°C，浸鍍時(shí)間為10_60s。本發(fā)明中由于Al的含量不是很高，合適的浸鍍溫度為460°C -480°C，這樣既可以使合金熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，降低鋅鋁的損耗，是鍍層的厚度得到控制，還可以降低鋅鋁的燒損以及氧化。Galfan合金鍍層的Al含量在5%，由Zn-Al 二元相圖當(dāng)Al的含量在5. 02%，溫度在382°C時(shí)會(huì)發(fā)生二元共晶反應(yīng)，由于成分和冷卻速率不同鍍層的凝固組織可以是全共晶組織，或初生富Zn相和共晶的亞共晶組織,或者由初生富Al相和共晶組成的過(guò)共晶組織，正是由于這種均勻致密的層片狀組織，使得鍍層的耐蝕性比一般鍍層要更加優(yōu)良。在熔池中加入少量的金屬鋯元素可以提高鋅液的流動(dòng)性，使鋼基表面得到凈化，提高基體與鋅液之間的浸潤(rùn)性，可以提高鍍層的表面質(zhì)量，但是鋯元素對(duì)界面層反應(yīng)沒(méi)有明顯的影響。本發(fā)明的原理來(lái)源于鑄造鋅鋁合金中的變質(zhì)處理，其中Zr元素可以細(xì)化鋅鋁合金的晶粒度，改善合金性能；本發(fā)明中當(dāng)Al含量保持在5%時(shí)，熔池中加入O. 05-0. 2%的Zr 時(shí)，鍍層中共晶組織從大顆粒狀和枝晶狀逐漸細(xì)化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅芫鶆虻膶悠瑺罟簿В儗拥暮穸饶軠p薄20-30%，而腐蝕性能提高了一倍以上，鍍層的力學(xué)性能也相應(yīng)有所增加。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是加入鋯元素后的Galfan合金鍍層表面質(zhì)量有所提高，鍍層厚度減薄節(jié)省了原料，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益；特別是經(jīng)變共晶組織細(xì)化后的鋅鋁合金鍍層耐蝕性有了顯著提高，能為用戶生產(chǎn)出滿足性能要求的高品質(zhì)新型鋅鋁合金鍍層產(chǎn)品。


圖I為Zn-Al-Zr合金鍍層的外觀圖片，從圖I上可以看出，鍍層表面整潔光亮，沒(méi)有漏鍍等質(zhì)量缺陷；
圖2為添加不同Zr含量的Zn-5%A1合金鍍層掃描電子顯微鏡BSE照片；Ζη_5%Α1合金鍍層的成分點(diǎn)在Zn-Al 二元相圖中剛好處于共晶點(diǎn)附近，從圖2中看到，鍍層中組織主要為初生η-Ζη (圖中淺色亮的部分)和層片狀的Zn-Al 二元共晶(深灰色部分);隨著鍍層中添加的Zr元素含量不斷升高，鍍層中組織顆粒顯著減小，尤其是共晶組織，整個(gè)鍍層的厚度有所減薄；
圖3為不同Zr含量的Ζη-5%Α1合金鍍層的鍍層厚度，通過(guò)日本JEOL公司SEM(掃描電子顯微鏡)所配套的Smileview軟件，測(cè)量得出鍍層厚度隨著Zr含量的增加而減??；
圖4為不同Zr含量的Ζη-5%Α1合金掃描電子顯微鏡BSE照片；根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，配得所需成分的Zn-5%A1-Zr合金進(jìn)行熔煉，所得的金相組織如圖；從圖4a可以發(fā)現(xiàn)Ζη_5%Α1合金的顯微組織主要是淺色的初生η -Zn和深色的Zn-Al 二元共晶，共晶組織呈顆粒狀，枝晶狀及層片狀；圖4b中加入了 O. 05%的Zr后，η-Zn的晶粒尺寸有所減小Zn-Al 二元共晶枝晶臂間距減小，枝晶狀的共晶組織也減少，層片狀共晶組織晶粒度得到細(xì)化；隨著Zr的進(jìn)一步增加，如圖4c，合金中的枝晶狀二元共晶組織基本消失，大顆粒的共晶組織也逐漸減少，層片狀的Zn-Al共晶變得均勻；在圖4d中，Zr%達(dá)到了 O. 2%,合金顯微組織均勻致密，晶粒很細(xì)小，幾乎全為初生η-Zn和層片狀Zn-Al 二元共晶組織；
圖5為華中科技大學(xué)電化學(xué)工作站配套使用的corrtest電化學(xué)測(cè)試軟件界面；
圖6為不同Zr含量的Zn-5%A1合金鍍層電化學(xué)腐蝕速率；使用華中科技大學(xué)電化學(xué)腐蝕工作站測(cè)得腐蝕數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Zr能提高Zn-5%A1合金鍍層的耐腐蝕能力，當(dāng)加入的Zr含量達(dá)到O. 2%時(shí)，相比于無(wú)Zr的Zn_5%Al鍍層，電化學(xué)腐蝕性能能提高一倍以上；圖7為不同Zr含量的Zn-5%A1合金鍍層中性鹽霧腐蝕產(chǎn)物SEM照片；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、XRD數(shù)據(jù)及其他研究者的文獻(xiàn)，可知Zn-5%A1合金鍍層在鹽霧腐蝕后產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物主要是Zn5 (OH) 8Cl2*H20、Zn (OH) 2和少量ZnO ;從圖中看出，Zr的加入不僅能使鍍層的組織更加均勻致密，顆粒細(xì)小，使得Zn-5%A1鍍層在長(zhǎng)時(shí)間的鹽霧腐蝕后產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物顆粒更小，從而阻礙了腐蝕介質(zhì)對(duì)于基體的進(jìn)一步腐蝕，提升了鍍層的耐蝕性能。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的鋼材熱浸鍍鋅鋁合金由鋅Zn、鋁Al、鋯Zr組成，是一種高耐腐蝕性的熱浸鍍合金。其中，按重量比計(jì)，含有的Al為5%、Zr是O. 05-0. 2%，余量是鋅。為了符合和適應(yīng)一般工業(yè)生產(chǎn)中的要求，本實(shí)驗(yàn)中使用一般結(jié)構(gòu)鋼Q235作為金屬基體材料，使用線切割機(jī)加工成15mmxl5mmx3mm的規(guī)格。第一步將Zn-Al-Zr合金按照的Zn_5%Al_(0-0. 2%)Zr配比配置，加入電阻爐中，升溫至700°C熔煉，鋯元素使用Al-10%Zr中間合金的方式加入，首先熔煉Al-Zr合金，待融化后再加入Zn、Al錠；待到熔池內(nèi)合金充分熔融后并攪拌均勻，再將實(shí)驗(yàn)爐的溫度降低到460 0C 480。。。第二步在進(jìn)行熱浸鍍前，金屬基體要預(yù)先進(jìn)行預(yù)處理工藝鋼片預(yù)磨除銹—15wt%的Na(OH)2溶液堿洗除油(40°C，2_3min)—清水沖洗一15wt%的鹽酸溶液酸洗3min除銹一清水沖洗一助鍍(70°C -90°C，2_3min)—干燥；本實(shí)驗(yàn)中使用助鍍劑為反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出，成分為=ZnCl2 :107g/L、NH4Cl : 100g/L、SnCl2 :80g/L。第三步在熱浸鍍之前，首先要保證熔池溫度穩(wěn)定，然后要先將熔池表面的氧化膜掰開(kāi)，露出清潔的熔池表面，再將鋼片片放入熔池中；浸鍍10s-60s后，將鋼片以勻速?gòu)娜鄢刂腥〕?，然后放入水中淬火，在取出鋼片時(shí)也要保證熔池表面氧化膜破開(kāi)，否則就會(huì)使得鍍層表面下降。
權(quán)利要求
1.熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層，其特征在于A1的含量控制在5wt%，Zr的范圍在0.05-0. 2wt%，其余為 Zn。
2.如權(quán)利要求I所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層的熱浸鍍方法，包括Zn-Al-Zr合金熔煉的步驟、鋼材基體預(yù)處理的步驟和鋼材熱浸鍍的步驟，其特征在于所述的熔池合金熔煉步驟為=Zr元素利用Al-10%Zr合金加入，將熔煉爐溫設(shè)置在700°C，先熔煉Al_10%Zr合金，待融化后再加入Zn、Al，全部金屬融化后攪拌均勻最后將溫度降溫到熱浸鍍溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層的熱浸鍍方法，其特征在于所述的鋼材基體預(yù)處理步驟為鋼片預(yù)磨除銹；15wt%的Na(OH)2溶液堿洗除油，40°C，2-3min ;清水沖洗；15wt%的鹽酸溶液酸洗3min除銹；清水沖洗；助鍍70°C -90°C，2_3min ;干燥。
4.如權(quán)利要求3所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層的熱浸鍍方法，其特征在于所述助鍍使用的助鍍劑成份為ZnCl2 :107g/L、NH4Cl :100g/L、SnCl2 :80g/L，使用上述成分所配置的水溶液對(duì)鋼材基體進(jìn)行助鍍處理。
5.如權(quán)利要求2所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層的熱浸鍍方法，其特征在于熱浸鍍使用的工藝參數(shù)為浸鍍溫度為460-480°C，浸鍍時(shí)間為10-60s。
全文摘要
本發(fā)明熱浸鍍鋅技術(shù)領(lǐng)域，特指熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層及其熱浸鍍方法。所述的熱浸鍍Zn-Al-Zr合金鍍層，其特征在于Al的含量控制在5wt%，Zr的范圍在0.05-0.2wt%，其余為Zn。本發(fā)明通過(guò)細(xì)化鍍層中組織，在生產(chǎn)成本不會(huì)大幅度增加的情況下提升熱浸鍍Galfan合金(Zn-5%Al)的耐腐蝕性能，提高鍍層表面質(zhì)量，使熔池光亮且流動(dòng)性良，使新型鍍層應(yīng)用于一些對(duì)耐腐蝕性、外觀質(zhì)量要求比較高的零部件的鍍鋅工藝中。
文檔編號(hào)C22C18/04GK102703846SQ20121019188
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者劉亞, 吳長(zhǎng)軍, 涂浩, 王建華, 童晨, 蘇旭平 申請(qǐng)人:常州大學(xué)