一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种钢材表面热浸镀用Al-Zn-Mg-Si合金镀层的方法，属于金属镀层 的技术领域，可广泛应用于腐蚀环境中的钢材防护。
【背景技术】
[0002] 热浸镀工艺是一种经济有效的金属结构件防腐蚀处理方法。热浸镀铝锌合金镀层 具有良好的耐蚀性和阴极保护能力，在建筑业、汽车、家用电器、造船业、电气业等多个领域 得到广泛应用。
[0003] 连续热浸镀工艺一般包括五个部分:前处理段、镀前保护段、热浸镀段、气刀段、冷 却段。前处理段主要是清洁钢板表面，去除氧化物;镀前保护段主要是将新鲜的铁基体裸 露，并加热钢板;在热浸镀段，钢板浸入镀液，并形成金属镀层(在该工段可以更换镀液成 分）；气刀用来刮平和刮除镀层表面的液态类物质，从而自动控制镀层的平整度、均匀性和 厚度;镀层在冷却段得到冷却，根据不同的产品需求，之后还可进行表面钝化、有机物涂覆 等工序。
[0004] 研究者们发现向镀液中添加 Mg能够提高镀层的耐蚀性。目前已开发多种锌含量高 于85 wt. %的锌铝镁合金镀层，并成功实现商业化生产。也有研究者向铝锌合金镀层中添加 镁，研究开发Al-Zn-Mg-Si合金镀层。此类产品最早由美国伯利恒钢铁公司在1982年申请了 美国专利US4401727，随后日本新日铁公司（US6635359B1)、上海大学(CN101457320A)、澳大 利亚蓝野钢铁公司（US20090269611A1)、江苏麟龙新材料股份有限公司（US8974728)也申请 了相关专利。
[0005] 虽然研究者们发现，在铝锌合金中添加 Mg形成的Mg2Si和MgZn2相确实能提高镀层 的耐蚀性。但经过多年尝试，目前尚未有成熟的Al-Zn-Mg-Si合金镀层商用产品。限制其应 用推广的原因主要是该合金镀层较难实现连续热浸镀生产。研究发现，镀液中的Mg和Si会 形成高熔点低密度的Mg 2Si相，而该相在镀液中易上浮形成浮渣，并造成镀液成分分布不 均，导致难以制备高质量的Al-Zn-Mg-Si合金镀层产品。
[0006] 本发明所要解决的问题是在制备Al-Zn-Mg-Si合金镀层过程中，控制镀液中Mg2Si 相的含量，防止该相偏聚并形成浮渣。同时，通过改变镀后的处理方法，增加炉冷退火工艺， 促进Mg2Si相在镀层表面的析出，提高Al-Zn-Mg-Si合金镀层的耐蚀性。
【发明内容】
[0007] 本发明目的是开发一种可以用于连续热浸镀生产的Al-Zn-Mg-Si合金镀层;并针 对该镀层合金相的特性，改进了制备工艺，提高合金镀层的耐蚀性。
[0008] -种钢材表面连续热浸镀Al-Zn-Mg-Si合金镀层的方法，其特征在于具有以下的 过程和步骤： a.设计确定合金的成分配方:Al:48~55 wt.%、Zn:40~50 wt.%、Mg:l~4.0 wt.%、Si:l~3 wt. % ； b.钢材表面的预处理并退火:对浸镀用的钢材经表面预处理，去除钢材表面的油渍和 氧化物，包括碱洗、酸洗工艺或燃烧工艺;并在还原气氛中退火，去除钢板残留的氧化物，增 强钢板表面的化学活性;还原性气氛为:NH3、H2或C0气体;还原退火温度为600~1000°C; C.热浸镀:钢材在550~700°C的合金镀液中进行热浸镀； d. 退火与气刀处理:热浸镀后的钢材在在惰性气体保护下400~700°C经0.1~5 s退火工 艺；经过退火处理，Al-Zn-Si-Mg合金镀层中的Mg2Si相会在镀层表面偏聚，增加镀层表面 Mg2Si相的数量和覆盖面积，使得镀层耐蚀性提高;之后用气刀平整镀层表面； e. 冷却镀层钢材:冷却工艺可以是空冷、水冷或水雾冷却工艺。
[0009]与其他相近专利相比，本发明的优点在于： 1. 低Mg含量的Al-Zn-Mg-Si合金镀液成分均匀，所制备的镀层钢板成品率高； 2. 经过炉冷退火工艺，Al-Zn-Mg-Si合金镀层表面的Mg2Si相数量增加，耐蚀性提高。
【附图说明】
[0010]图 1 Al-Zn-Si vs. Mg的伪二元相图 图2改进的热浸镀工艺。图中1.碱洗酸洗池(或燃烧除油炉）；2.还原退火炉;3.锌锅； 4.退火炉，炉内放置气刀;5.水雾冷却喷嘴。
[0011] 图3不同Mg含量的Al-Zn-Mg-Si合金镀层腐蚀失重结果 图4经退火工艺制备的含Mg量为1.23 wt.%的Al-Zn-Mg-Si合金镀层 图5经退火工艺制备的含Mg量为3.01 wt.%的Al-Zn-Mg-Si合金镀层 图6经退火工艺制备的含Mg量为3.87 wt.%的Al-Zn-Mg-Si合金镀层。
【具体实施方式】
[0012] 现结合实施例具体列举了本发明优选的实施方式。
[0013] 以下实施例中所使用的铝锌硅镁合金成分为Al:48~55 wt.%、Zn:40~50 wt.%、Mg: l~4.0wt.%、Si:l~3wt.%〇
[0014] 参照对比例 实验成分如表1所列，用新工艺制备的不含Mg的合金镀层，作为对照样品，用于对比A1-Zn-Mg-Si合金镀层的耐蚀性。钢板经过碱洗、酸洗，在580°C的H 2/N2混合气中还原退火，再浸 入600°C的合金镀液中进行热浸镀，之后经2s退火工艺，再经气刀减薄、水冷，得到Al-Zn-Si 合金镀层。
[0015] Al-Zn-Si合金镀层中包含枝晶A1相和枝晶间Zn相，并有Si相颗粒出现于镀层枝晶 间区域。
[0016] 实施例1 实验成分如表1所列，用新工艺制备Mg含量为1.23 wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸 洗，在630°〇的出/犯混合气中还原退火，再浸入630°〇的合金镀液中进行热浸镀，之后经2.5 s炉冷退火工艺，再经气刀减薄、水冷，得到Al-Zn-Si-1.23Mg合金镀层。
[0017] Al-Zn-Si-1.25Mg合金镀层中包含枝晶A1相和枝晶间Zn相，但在枝晶间区域有大 量细小的Mg2Si相颗粒。由于退火工艺，镀层表面的Mg 2Si相呈等边三角形，且数量增加。
[0018] 实施例2 实验成分如表1所列，用新工艺制备Mg含量为3.01 wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸 洗，在630°C的H2/N2混合气中还原退火，再浸入630°C的合金镀液中进行热浸镀，之后经1.5 s退火工艺，再经气刀减薄、水冷，得到Al-Zn-Si-3Mg合金镀层。
[0019] Al-Zn-Si-3Mg合金镀层中包含枝晶A1相和枝晶间Zn相，但在枝晶间区域有大量 Mg2Si相颗粒和少量MgZm相颗粒。且由于退火工工艺，镀层表面的Mg2Si相含量高于10%。 [0020] 实施例3 实验成分如表1所列，用新工艺制备Mg含量为3.87 wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸 洗，在630°C的H2/N2混合气中还原退火，再浸入630°C的合金镀液中进行热浸镀，之后经3 s 退火工艺，再经气刀减薄、水冷，得到Al-Zn-Si-4Mg合金镀层。
[0021 ] Al-Zn-Si-4Mg合金镀层中包含枝晶A1相和枝晶间Zn相，但在枝晶间区域没有明显 的Mg2Si相，但出现了MgZm相。
[0022]合金镀层耐蚀性比较 与Al-Zn-Si镀层相比，Al-Zn-Mg-Si合金镀层的耐蚀性明显提高。在3.5 wt.% NaCl溶 液中浸泡90天后，含Al-Zn-Mg-Si合金镀层(Mg含量在1.23~3.87 wt.%)的失重仅为Al-Zn-Si镀层的1/3~1/4。
[0023]有关本发明的机理和原理 退火工艺使得刚离开镀液的镀层仍处于短暂的液态。而Mg2Si相的{111}面是Si原子密 排面，因此容易浮于镀层表面从而降低镀层表面的界面张力。因此出现在镀层表面的Mg2Si 相呈等边三角形，且数量和覆盖面积都有所增加。
[0024]但镀层中Mg含量过高时，Mg2Si相容易在镀液中形成浮渣。并且当Mg含量大于3.05 wt.%时，镀液中Mg2Si相太容易形核长大，而镀层中先析出的A1相枝晶间距过小，所以过大 的Mg2Si相颗粒无法出现在镀层表面。
【主权项】
1. 一种钢材表面连续热浸镀Al-Zn-Mg-Si合金镀层的方法，其特征在于具有以下的过 程和步骤： &.设计确定合金的成分配方:八1:48~55?^.%、211:40~5〇￥1:.%、]\%:1~4.〇￥1:.%、3;[:1~3wt. % ； b.钢材表面的预处理并退火:对浸镀用的钢材经表面预处理，去除钢材表面的油渍和 氧化物，包括碱洗、酸洗工艺或燃烧工艺;并在还原气氛中退火，去除钢板残留的氧化物，增 强钢板表面的化学活性;还原性气氛为:NH3、H2或C0气体;还原退火温度为600~1000°C; c. 热浸镀:钢材在550~700°C的合金镀液中进行热浸镀； d. 退火与气刀处理:热浸镀后的钢材在在惰性气体保护下400~700°C经0.1~5s退火工 艺；经过退火处理，Al-Zn-Si-Mg合金镀层中的Mg2Si相会在镀层表面偏聚，增加镀层表面 Mg2Si相的数量和覆盖面积，使得镀层耐蚀性提高;之后用气刀平整镀层表面； e. 冷却镀层钢材:冷却工艺可以是空冷、水冷或水雾冷却工艺。
【专利摘要】本发明涉及一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层及其制备工艺。本发明所制备的Al–Zn–Si–Mg合金镀层其组成为48~55？wt.%Al、40~50wt.%Zn、1~4wt.%Mg、1~3wt.%Si。该镀层的制备工艺为：钢带（1）经表面清洁处理，（2）还原退火，（3）在550~700℃的镀液中热浸镀，（4）在400~700℃经0.1~5s退火工艺，再经气刀平整，（5）冷却。制备的合金镀层中包含富Al枝晶相、富Zn枝晶间相、以及Mg2Si相和少量的MgZn2相。优选的合金成分可以保证镀液成分均匀，浮渣较少，通过连续热浸镀工艺制备的镀层质量均一稳定。浸镀后的退火工艺能增加镀层表面的Mg2Si相含量，提高镀层的耐蚀性。
【IPC分类】C23C2/28, C23C2/02, C23C2/12, C22C30/06, C23C2/06, C22C21/10, C22C18/04
【公开号】CN105483594
【申请号】CN201610022922
【发明人】李谦, 刘蔚, 李谋成, 罗群, 于之刚, 张捷宇, 周国治
【申请人】上海大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月14日