专利名称：热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层及其热浸镀方法
技术领域：
本发明专利热浸镀锌技术领域，特指热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层及其热浸镀方法。
背景技术：
热浸镀锌及锌合金产品现已广泛用于家电、建筑、容器制造、车船、机电业等，几乎包含各个行业领域中；近年来，全球镀锌钢板的需求量不断上升，产量的增长也很迅速，在美国和日本等产钢用钢大国中，热浸镀锌钢板在钢材中所占比例已高达13%以上。近年，各个行业越来越重视材料的使用寿命，但是，由于钢铁制品长期暴露在外部环境中极其容易发生腐蚀，造成钢铁产品的毁坏失效，给人类的生产生活带来很严重的影响，甚至危及到人民的生命；腐蚀是自然界中一种很普遍的现象，无法避免；据统计，全
球上每年因为腐蚀问题而报废的金属产品大约相当于全球金属年产量的1/3，为了延长金属制品的寿命，减少经济损失，金属的腐蚀防护工作就被摆在了一个重要的地位，耐腐蚀性优良且成本低廉的热镀锌钢板开始普遍受到了青睐。在热浸镀锌锌液中增加Al可以改善镀层表面的光泽度，使合金层的组织结构发生改变，抵消锌池中溶Fe的不良影响；A1与O元素之间相比于Zn有着很强的亲和力，能在锌液表面生成一层很薄的氧化铝薄膜，可有效的起到阻止氧先锌池内的扩散，保护镀液不易被氧化。Galfan合金镀层是目前工业生产中应用较为广泛的一种锌铝合金镀层，于上个世纪80年代由国际铅锌组织(ILZRO)研制成功；它的成分为Zn-5%A1，Galfan拥有良好的的耐腐蚀性能，耐腐蚀性大约是普通纯Zn镀层产品的数倍；不管在室外、或是潮湿环境、或在海洋性气候等恶劣条件和环境里，浸镀该种合金镀层的钢铁制品耐腐蚀性能均比普通镀纯Zn、电镀Zn优越，Galfan合金镀层的金属延展性及可加工能力性极好,焊接性能也优于纯Zn镀层。由于受到现有热镀锌设备、工艺技术及原基材的限制，我国在镀锌行业上的科研水平还有待提高，更加经济环保的且性能良好的新型镀层产品是目前市场所需求的，热浸镀锌技术还有许多空间值得我们去进行研究。
发明内容
本发明的目的在于开发一种新型合金镀层，通过细化镀层中组织，在生产成本不会大幅度增加的情况下提升热浸镀Galfan合金(Ζη_5%Α1)的耐腐蚀性能，提高镀层表面质量，使熔池光亮且流动性良，使新型镀层应用于一些对耐腐蚀性、外观质量要求比较高的零部件的镀锌工艺中。热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层，其特征在于A1的含量控制在5wt%，Zr的范围在O. 05-0. 2wt%，其余为 Zn。所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层的热浸镀方法，包括Zn-Al-Zr合金熔炼的步骤、钢材基体预处理的步骤和钢材热浸镀的步骤。
所述的熔池合金熔炼步骤，其特征为Zr元素利用Al_10%Zr合金加入，将熔炼炉温设置在700°C，先熔炼Al-10%Zr合金，待融化后再加入Zn、Al，全部金属融化后搅拌均匀最后将温度降温到热浸镀温度。所述的钢材基体预处理步骤，其特征为钢片预磨除锈一15被％的Na (OH)2溶液碱洗除油(40°C,2-3min)—清水冲洗一15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈一清水冲洗一助镀(700C -900C，2-3min)—干燥。热浸镀使用的助镀剂，所述助镀剂其特征成分为ZnCl2 :107g/L、NH4Cl :100g/L、SnCl2 80g/L,使用上述成分所配置的水溶液对钢材基体进行助镀处理。热浸镀使用的工艺参数，其特征为浸镀温度为460-480°C，浸镀时间为10_60s。本发明中由于Al的含量不是很高，合适的浸镀温度为460°C -480°C，这样既可以使合金熔池的流动性增强，降低锌铝的损耗，是镀层的厚度得到控制，还可以降低锌铝的烧损以及氧化。Galfan合金镀层的Al含量在5%，由Zn-Al 二元相图当Al的含量在5. 02%，温度在382°C时会发生二元共晶反应，由于成分和冷却速率不同镀层的凝固组织可以是全共晶组织，或初生富Zn相和共晶的亚共晶组织,或者由初生富Al相和共晶组成的过共晶组织，正是由于这种均匀致密的层片状组织，使得镀层的耐蚀性比一般镀层要更加优良。在熔池中加入少量的金属锆元素可以提高锌液的流动性，使钢基表面得到净化，提高基体与锌液之间的浸润性，可以提高镀层的表面质量，但是锆元素对界面层反应没有明显的影响。本发明的原理来源于铸造锌铝合金中的变质处理，其中Zr元素可以细化锌铝合金的晶粒度，改善合金性能；本发明中当Al含量保持在5%时，熔池中加入O. 05-0. 2%的Zr 时，镀层中共晶组织从大颗粒状和枝晶状逐渐细化，转变为致密均匀的层片状共晶，镀层的厚度能减薄20-30%，而腐蚀性能提高了一倍以上，镀层的力学性能也相应有所增加。本发明的优点是加入锆元素后的Galfan合金镀层表面质量有所提高，镀层厚度减薄节省了原料，创造了经济效益；特别是经变共晶组织细化后的锌铝合金镀层耐蚀性有了显著提高，能为用户生产出满足性能要求的高品质新型锌铝合金镀层产品。
图I为Zn-Al-Zr合金镀层的外观图片，从图I上可以看出，镀层表面整洁光亮，没有漏镀等质量缺陷；
图2为添加不同Zr含量的Zn-5%A1合金镀层扫描电子显微镜BSE照片；Ζη_5%Α1合金镀层的成分点在Zn-Al 二元相图中刚好处于共晶点附近，从图2中看到，镀层中组织主要为初生η-Ζη (图中浅色亮的部分)和层片状的Zn-Al 二元共晶(深灰色部分);随着镀层中添加的Zr元素含量不断升高，镀层中组织颗粒显著减小，尤其是共晶组织，整个镀层的厚度有所减薄；
图3为不同Zr含量的Ζη-5%Α1合金镀层的镀层厚度，通过日本JEOL公司SEM(扫描电子显微镜)所配套的Smileview软件，测量得出镀层厚度随着Zr含量的增加而减小；
图4为不同Zr含量的Ζη-5%Α1合金扫描电子显微镜BSE照片；根据实验要求，配得所需成分的Zn-5%A1-Zr合金进行熔炼，所得的金相组织如图；从图4a可以发现Ζη_5%Α1合金的显微组织主要是浅色的初生η -Zn和深色的Zn-Al 二元共晶，共晶组织呈颗粒状，枝晶状及层片状；图4b中加入了 O. 05%的Zr后，η-Zn的晶粒尺寸有所减小Zn-Al 二元共晶枝晶臂间距减小，枝晶状的共晶组织也减少，层片状共晶组织晶粒度得到细化；随着Zr的进一步增加，如图4c，合金中的枝晶状二元共晶组织基本消失，大颗粒的共晶组织也逐渐减少，层片状的Zn-Al共晶变得均匀；在图4d中，Zr%达到了 O. 2%,合金显微组织均匀致密，晶粒很细小，几乎全为初生η-Zn和层片状Zn-Al 二元共晶组织；
图5为华中科技大学电化学工作站配套使用的corrtest电化学测试软件界面；
图6为不同Zr含量的Zn-5%A1合金镀层电化学腐蚀速率；使用华中科技大学电化学腐蚀工作站测得腐蚀数据，根据实验结果，发现Zr能提高Zn-5%A1合金镀层的耐腐蚀能力，当加入的Zr含量达到O. 2%时，相比于无Zr的Zn_5%Al镀层，电化学腐蚀性能能提高一倍以上；图7为不同Zr含量的Zn-5%A1合金镀层中性盐雾腐蚀产物SEM照片；根据实验结果、XRD数据及其他研究者的文献，可知Zn-5%A1合金镀层在盐雾腐蚀后产生的腐蚀产物主要是Zn5 (OH) 8Cl2*H20、Zn (OH) 2和少量ZnO ;从图中看出，Zr的加入不仅能使镀层的组织更加均匀致密，颗粒细小，使得Zn-5%A1镀层在长时间的盐雾腐蚀后产生的腐蚀产物颗粒更小，从而阻碍了腐蚀介质对于基体的进一步腐蚀，提升了镀层的耐蚀性能。
具体实施例方式本发明的钢材热浸镀锌铝合金由锌Zn、铝Al、锆Zr组成，是一种高耐腐蚀性的热浸镀合金。其中，按重量比计，含有的Al为5%、Zr是O. 05-0. 2%，余量是锌。为了符合和适应一般工业生产中的要求，本实验中使用一般结构钢Q235作为金属基体材料，使用线切割机加工成15mmxl5mmx3mm的规格。第一步将Zn-Al-Zr合金按照的Zn_5%Al_(0-0. 2%)Zr配比配置，加入电阻炉中，升温至700°C熔炼，锆元素使用Al-10%Zr中间合金的方式加入，首先熔炼Al-Zr合金，待融化后再加入Zn、Al锭；待到熔池内合金充分熔融后并搅拌均匀，再将实验炉的温度降低到460 0C 480。。。第二步在进行热浸镀前，金属基体要预先进行预处理工艺钢片预磨除锈—15wt%的Na(OH)2溶液碱洗除油(40°C，2_3min)—清水冲洗一15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈一清水冲洗一助镀(70°C -90°C，2_3min)—干燥；本实验中使用助镀剂为反复实验得出，成分为=ZnCl2 :107g/L、NH4Cl : 100g/L、SnCl2 :80g/L。第三步在热浸镀之前，首先要保证熔池温度稳定，然后要先将熔池表面的氧化膜掰开，露出清洁的熔池表面，再将钢片片放入熔池中；浸镀10s-60s后，将钢片以匀速从熔池中取出，然后放入水中淬火，在取出钢片时也要保证熔池表面氧化膜破开，否则就会使得镀层表面下降。
权利要求
1.热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层，其特征在于A1的含量控制在5wt%，Zr的范围在0.05-0. 2wt%，其余为 Zn。
2.如权利要求I所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层的热浸镀方法，包括Zn-Al-Zr合金熔炼的步骤、钢材基体预处理的步骤和钢材热浸镀的步骤，其特征在于所述的熔池合金熔炼步骤为=Zr元素利用Al-10%Zr合金加入，将熔炼炉温设置在700°C，先熔炼Al_10%Zr合金，待融化后再加入Zn、Al，全部金属融化后搅拌均匀最后将温度降温到热浸镀温度。
3.如权利要求2所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层的热浸镀方法，其特征在于所述的钢材基体预处理步骤为钢片预磨除锈；15wt%的Na(OH)2溶液碱洗除油，40°C，2-3min ;清水冲洗；15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈；清水冲洗；助镀70°C -90°C，2_3min ;干燥。
4.如权利要求3所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层的热浸镀方法，其特征在于所述助镀使用的助镀剂成份为ZnCl2 :107g/L、NH4Cl :100g/L、SnCl2 :80g/L，使用上述成分所配置的水溶液对钢材基体进行助镀处理。
5.如权利要求2所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层的热浸镀方法，其特征在于热浸镀使用的工艺参数为浸镀温度为460-480°C，浸镀时间为10-60s。
全文摘要
本发明热浸镀锌技术领域，特指热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层及其热浸镀方法。所述的热浸镀Zn-Al-Zr合金镀层，其特征在于Al的含量控制在5wt%，Zr的范围在0.05-0.2wt%，其余为Zn。本发明通过细化镀层中组织，在生产成本不会大幅度增加的情况下提升热浸镀Galfan合金(Zn-5%Al)的耐腐蚀性能，提高镀层表面质量，使熔池光亮且流动性良，使新型镀层应用于一些对耐腐蚀性、外观质量要求比较高的零部件的镀锌工艺中。
文档编号C22C18/04GK102703846SQ20121019188
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者刘亚, 吴长军, 涂浩, 王建华, 童晨, 苏旭平 申请人:常州大学