专利名称：钢材热浸镀用稀土铝合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是用于钢材热浸镀的稀土铝合金。
这里所说的钢材，指的是普通碳钢和合金钢，包括轧制钢材类、管类、紧固件类和板金类产品。
钢材表面镀铝后保持了钢的强度，特别是不仅具有优越的耐蚀性，而且使其抗高温氧化性能大为提高。因而镀铝钢这种新型高效钢材以其质优价廉的特点深受青睐，被广泛应用于石油化工、电力、冶金、机械、能源及交通运输等领域。
钢铁表面镀铝有多种方式，热浸镀铝是被大规模工业化应用的一种。至今热浸镀铝工艺已发展为两大体系森吉米尔法和熔剂法。森吉米尔法即保护气体法热浸镀铝，工件经前处理后在还原炉的还原气氛的保护下，直接送入熔融的铝或铝合金液中进行镀覆。这种方法适合于钢带、钢丝的连续化工业生产，所用设备很复杂。熔剂法因其工艺中使用专用的助镀剂和熔融表面熔剂来增进铝与铁的结合而得名，前处理时在净化的钢表面上在室温或高温下浸涂助镀剂，保护镀件表面不被氧化，以后将钢件浸入覆盖有熔融表面熔剂的铝液中时，钢件表面的助镀剂膜自行熔化脱除，并立刻被铝液所润湿，而后形成均匀连续的浸铝层。熔剂法因其工艺简单、设备价格和加工成本低而在我国得到广泛应用。
用于热浸镀的铝合金，要求适用于森吉米尔法和熔剂法两种热浸镀工艺。现有技术采用的是纯铝、铝硅合金、铝锌硅合金。硅在铝合金中的作用是减小铝铁合金层的厚度，提高镀层的韧性。为了进一步改善和提高钢材热浸镀铝合金的性能和质量，热浸镀稀土铝合金应运而生。向铝中添加稀土元素可以使镀层的组织均匀、晶粒细化，具有增强抗氧化的作用。在强度不变的情况下，获得更高的耐蚀性和耐热性，并能长期保持铝的银白色外观。铝合金中加入稀土元素的缺陷是铝合金在熔融状态时组织不均匀，容易发生偏聚，热浸镀工件刚从稀土铝合金液中提起时，残留在工件表面的铝合金液的滴落速度较慢，容易形成结瘤。
现有技术用于钢材热浸镀的稀土铝合金，主要添加的稀土元素是钇(Y)等，其缺点是由于稀土钇储量少而价格高，更大的技术难题是制备所用中间合金较为困难，因而使含钇的稀土铝合金难以得到规模化的工业应用。
本发明的目的是提供一种用于钢材热浸镀的稀土铝合金，其工艺制备容易实现，所获得镀层耐蚀性提高，综合力学性能好，所用稀土元素相对储量多，价格低，有利于规模化生产和广泛应用。
本发明钢材热浸镀用稀土铝合金，含有以下按重量百分比的组分铈(Ce)0.1-1.0％，硅(Si)0.5-5.0％，余量为铝(Al)，杂质总含量不超过常规要求。
本发明钢材热浸镀用稀土铝合金，较适宜的组分含量按重量百分比分别为铈(Ce)0.35-0.6％，硅(Si)1.0-1.5％，余量为铝(Al)。
本发明钢材热浸镀用稀土铝合金，更为适宜的组分含量按重量百分比分别为铈(Ce)0.35-0.45％，硅(Si)1.35-1.5％，余量为铝(Al)。
本发明铈硅铝合金标准分子式记为Al-1.5 Si-0.35Ce，这种稀土铝合金的密度为2707kg/m3，熔点为636℃。
本发明铈硅铝稀土铝合金中，也可以用稀土镧(La)或稀土镧铈(LaCe)混合稀土来替换铈(Ce)，其配比和用铈时一样，所获得的含镧或含镧铈的稀土铝合金具有同样的性能和使用效果。
当由专业冶炼厂生产本发明稀土铝合金时，可以用工业纯铝锭，铝铈合金锭和铝硅中间合金锭作原料，坩埚冶炼，主要工艺步骤如下将符合要求的工业纯铝锭(优选85铝或AOO)和不含杂质的铝硅(Al-10wt％ Si)中间合金锭按一定的比例合理地堆放在坩埚内，按坩埚的升温速度升温至750℃，保温至铝和中间合金全部熔化后，再按本发明稀土铝合金的成分和配比要求，按比例加入余量的不含杂质的铝铈(Al-10％Ce)合金锭，待添加的铝、铝硅合金、铝铈合金熔化后，充分搅拌，经精炼后静止5小时，即可浇注成铈硅铝合金锭。
冶炼中，实验室化验合金成分采用比色法。检验指标为铈(Ce)0.1-1.0wt％，硅(Si)0.5-5.0wt％，余量为铝，杂质总含量不超过常规要求。铝合金中有关元素的物理性质见表1。
表1有关元素物理性质
图1为以腐蚀失重和氧化增重为评定指标时，不同稀土及硅含量对镀层性能影响的直观分析趋势图，其中(1)当以腐蚀失重/耐蚀性为指标时。
(2)当以氧化增重/耐热性为指标时。
图2为本发明所参用的铝铈合金的铝-铈相图。
图3为本发明所参用的铝硅合金的铝-硅相图。
图4为Q235钢热浸镀稀土铝镀层截面组织图。
图5为热浸镀稀土铝镀层的结构示意图。
以下结合附图详细说明本发明的铈硅铝合金的组分、性能、组织、镀层结构、应用及其效果。
向铝中添加稀土元素铈使铝合金有如下特性(1)降低铝的表面张力，提高浸润性，这是热浸镀铝合金需要的性能；(2)改善铝的流动性，这也是热浸镀铝合金需要的性能；(3)减少熔融铝液中氧化物夹杂量及氢含量；(4)改善铝合金镀层的综合力学性能。第(3)和(4)可以显著改善和提高热浸镀铝钢材的质量。
对本发明铈硅铝稀土铝合金而言，不同稀土元素铈及硅含量，对铝合金性能有明显影响，如图1之(1)所示，评定耐蚀性时，以腐蚀失重量为评定指标，随铝中铈含量的增加，以添加0.5wt％ Ce的腐蚀失重小。添加硅也可以提高耐蚀性，但其含量不宜超过2.5wt％。可以认为，当以耐蚀性为目的时，稀土铈含量是影响耐蚀性的主要因素，以控制稀土铈含量在0.3wt％Ce为宜。
当评定本发明铈硅铝稀土铝合金抗氧化性和耐热性时，由图1之(2)可见，若以氧化增重为评定指标，当硅含量为2.5wt％时，其氧化增重最小，而稀土铈的添加则以不超过0.5wt％为宜。当铝中稀土含量大于0.5wt％时，其氧化增重增加较大。所以，当以耐热为目的时，硅是影响合金耐热性的主要因素，控制硅含量在2.5wt％Si为宜。
本发明铈硅铝稀土铝合金中，铝和稀土元素铈形成共晶型状态。图2为其铝-铈相图。由图可见，铝-铈共晶温度为910K(637℃)，共晶成为12％Ce，共晶温度时Ce在铝中的固溶度为0.05％Ce，可见固态时Ce在铝中的溶解度很小。当冷却速度加大时，如105-106K/s，可获得含Ce量达9％的过饱和固溶体。但在熔融的液态时，铝和铈都完全互熔。本发明铈硅铝稀土铝合金的密度为2707kg/m3，溶点为636℃。
图3是本发明所参用的铝硅铝合金中铝和硅形成共晶型状态图，其共晶温度为860K(578℃)，共晶成分为12.6％Si，共晶温度时Si在铝中的固溶度为1.65％Si。
图4是Q235钢热浸镀稀土铝镀层的典型截面组织图。图5是热浸镀稀土铝合金镀层结构示意图。由图4可见，钢热浸镀铝后，其组织由表层501、过渡层502及基体503三部分组成，它们分别与图5中的表面层601、过渡层602及基体603对应一致。
图5中604为氧化物层，其厚度约为50。605为表面层与过渡层之间形成的高铝金属间化合物，其厚度约为10Im。图4中表面层501的组分以α-Al为主，并含有少量H-FeAlSi及FeAlCe相，与图5中601相对应。图4中过渡层502为白色锯齿状结构，其组成以Fe2Al5相为主，与图5中602相对应。基体503为普通碳素钢，与图5中603相对应。
铝液中加入稀土可以细化晶粒，但在一定的条件下，只有加入适量的稀土才有最好的细化晶粒的效果。例如铈含量为0.35-0.6wt％。铝液中加入硅能保证镀层与基体间有良好的结合性，并对镀铝界面过渡层的生长有一定的限制作用，可以显著减薄过渡层的厚度，并能有效地降低过渡层的界面脆性，稀土铈与硅的协同作用使镀层的网状结构均匀，从而提高镀层的综合力学性能，并使镀层整体抗弯折能力增强。
本发明铈(Ce)0.35wt％硅(Si)1.5wt％铝(Al)稀土铝合金是为热浸镀稀土铝合金而设计的，包括适用于森吉米尔法热浸镀铝和熔剂法热浸镀铝。推荐使用专业冶炼厂配制的产品。在使用中允许铈、硅、铝的含量在一定范围变化，即铈(Ce)0.1-1.0wt％，硅(Si)0.5-5.0wt％，余量为铝(Al)。使用的坩埚按其升温速度升温至750℃，保温至全部稀土铝合金熔化，并充分搅拌，精炼后静止5小时，取样化验合金成分合格后，再降温至710℃进行热浸镀稀土铝合金工艺。
热浸镀稀土铝合金一定时间后，由于铝与铁反应形成铝铁合金，在合金液中铁(Fe)的含量要增大，但最高不允许超过3wt％。
化验合金成分采用比色法。当检验指标超出允许范围时应予以相应处理。
低于或超出允许范围时，可以用专业冶炼厂生产的铝硅(Al-10wt％ Si)中间合金，铝铈(Al-10wt％ Ce)中间合金，及Aoo铝锭予以调整。补充添加后，应充分搅动均匀，进行精炼，等再次化验符合标准后，方可继续进行热浸镀。
本发明铈硅铝稀土铝合金最典型的热浸镀应用是用于高速公路波形梁钢护栏(JT/T281-1995)及热浸镀铝钢板和钢带(JISG3314-90)等热浸镀铝工艺中。收到满意的效果。
使用本发明铈硅铝稀土铝合金的钢材热浸镀实践表明，热浸镀稀土铝层中，稀土铈含量在0.3wt％时，析出相FeAl3在表面层中是网状分布，铈超过0.3wt％，则稀土化合物呈块状，且偏聚程度加大。所以稀土铈控制镀层网状结构的形成，而硅可以显著减薄过渡层的厚度。稀土铈与硅的协同作用使镀层网状结构均匀。从而使应用本发明稀土铝合金的镀层不仅其耐蚀性较纯铝镀层提高30％，而且可以进行形变加工，这是纯铝镀层无法比拟的。
权利要求
1．钢材热浸镀用稀土铝合金，其特征是含有以下比例的组份，按重量百分比为铈0.1-1.0％，硅0.5-5.0％，余量为铝，杂质总含量不超过常规要求。
2．按照权利要求1提出的钢材热浸镀用稀土铝合金，其特征是其组分按重量百分比分别为铈0.35-0.6％，硅1.0-1.5％，余量为铝。
3．按照权利要求1或2的钢材热浸镀用稀土铝合金，其特征在于其组份按重量百分比分别为铈0.35-0.4 5％，硅1.35-1.5％，余量为铝。
4．按照权利要求1的钢材热浸镀用稀土铝合金，其特征是以稀土镧替换稀土铈，其配比与铈相同，即按重量百分比镧为0.1-1.0％。
全文摘要
本发明提供一种钢材热浸镀用稀土铝合金,其成分和按重量百分比为:铈(Ce)0.1—1.0%,硅(Si)0.5—5.0%,余量为铝(Al)。本发明铈硅铝合金制备容易,成本低,综合力学性能优良。将其用于熔剂法或保护气体法热浸镀时,镀液的组织均匀、浸润性好,所得镀层均匀光洁,不仅耐蚀性和抗氧化性提高,而且可以进行形变加工。因此,本发明铈硅铝合金是一种适合于广泛工业应用的热浸镀材料。
文档编号C22C21/00GK1301878SQ99127120
公开日2001年7月4日 申请日期1999年12月28日 优先权日1999年12月28日
发明者夏原, 崔瑞意 申请人:中国科学院力学研究所