合金镀层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热浸镀技术领域，尤其是一种硅的热浸镀ZnAl4合金镀层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]热浸镀锌及锌合金产品已广泛应用于家电、建筑、容器制造、车船等行业。近年来，全球镀锌钢板的需求量不断上升，产量增长也非常迅速；但是由于钢铁制品长期暴露在外部环境中极易发生腐蚀，造成钢铁产品的毁坏失效，给人类生产、生活带来严重影响。而热浸镀锌作为一种经济、方便、有效的应用于各行各业金属构件的防腐蚀方法，纯锌镀层具有优良的牺牲防护作用，但镀层耐用期短；热浸镀铝层致密，耐用期长，但阴极保护能力差；锌铝合金镀层则兼顾了锌的阴极保护性和铝的耐久保护性，其镀层的各种性能较单一金属镀层性能优越，防护性能比同等厚度的纯锌镀层高出许多。
[0003]作为一种商业镀锌铝产品，Galfan(Zn-5%A1-RE)合金镀层显示了良好的耐蚀性能，并且热浸镀生产时的设备投资和镀层加工性能也要优于Galvalume (Ζη_55%Α1_1.6Si)合金镀层[2,3]。压铸合金中广泛应用的ZnAl4合金(Zn-4%A1)由于质量和性能优异，合金成分接近于Galfan，也被用于热浸镀锌铝。铝在热浸镀锌熔池中的作用，即便铝含量很低，也能通过快速形成Fe2Al5抑制层阻碍铁原子和锌原子通过液相通道的相互扩散，进而抑制铁锌中间化合物的生长。但随着热浸镀时间的延长，铁基体和锌铝液会发生剧烈的反应，一方面对基体造成侵蚀破坏，另一方面也对镀层质量造成影响。
[0004]已有相关文献报道锌池中加入适当的硅元素能有效阻止铁基和镀层之间界面上中间合金层的过渡生长，硅的加入能使镀层变薄和变均匀。硅的添加使得铁基体与镀层界面处形成含硅的细晶Fe2Al5抑制层；正是因为硅在Fe 2A15抑制层中的溶解，阻碍铁基体的快速溶解，进而减缓Fe2Al^m制层的生长。
[0005]虽然硅在高铝合金镀层，如Galvalume (55A1-1.6Si_Zn)，以及中铝合金镀层(10Al-3Mg-Zn)中的作用机理已经展开相关研宄，但硅在低铝合金熔池中的作用目前较少研宄。热浸镀时间延长后抑制层易破裂失稳。
[0006]因此，利用ZnAl4合金作为熔池主体，控制不同含量的硅加入到不同温度下浸镀时得到合金镀层，以得到合理的锌铝硅元素配比，改善镀层质量和减小镀层对基体造成的侵蚀破坏。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种硅的热浸镀ZnAl4^金镀层及其制备方法。在Zn-Al合金成分固定的条件下熔池中加入Fe元素并控制Si元素加入量及温度控制，利用扩散通道理论，阻碍在扩散层中形成液相通道，形成致密的Fe2Al5相并抑制合金层生长，能显著改善合金的显微组织和镀层性能。
[0008]为了控制合金层厚度并增加合金层致密度，通过加入硅元素和铁元素控制扩散通道如图7所示，path2为最佳扩散通道，即增加0.15%S1-2%Fe，使扩散通道切割两相区(FeAl3和液相)，跨过三相区$413七415和液相)，然后经由单相区(Fe2Al5)进入单相区(α-Fe)，既可阻挡Al、Fe直接反应，又让硅原子在合金层富集恰好的填补了 Fe2Al5空位，稳定Fe2Al#g。为了控制好合金厚度在熔池中加入0.15%Si和2%Fe，镀层合金层厚度明显降低，并且合金层稳定存在没有出现大量的白色液相。如图8所示温度提高后，合金抑制层厚度和生长速率反而明显降低合金抑制层的生长主要受扩散反应控制，硅和铁的加入对镀层合金层生长产生了明显影响。
[0009]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0010]一种硅的热浸镀ZnAl4^金镀层，各组分按质量百分数计算:Zn的含量控制在94%, Al的含量控制在3.7-3.85%，Si的含量控制在0.15-0.3%,Fe的含量控制在2%。其中，Si元素采用硅铝中间合金、Fe元素采用铁硅中间合金的形式加入锌池。
[0011]一种硅的热浸镀ZnAl4^金镀层的制备方法，包括Zn-Al-S1-Fe合金熔融步骤，基体材料预处理步骤，热浸镀步骤，本发明Zn-Al-S1-Fe合金熔融温度为800°C ;热浸镀时适合的热浸镀温度为450~600°C，浸镀时间为180s。
[0012](I) Zn-Al-S1-Fe合金熔融步骤为:
将Zn块、Al块、铁铝合金、硅铝合金块按质量百分数Zn-94%，Al- (3.7-3.85%),S1- (0.15-0.3%)，Fe-2%配比配置；预热石墨坩祸至暗红色，先将Al块、铝硅合金、铁铝合金置于坩祸中，然后升温至熔融温度；待硅铝、铁硅合金完全融化后加入Zn块，待全部融化后搅拌均匀，在其表面撒上盐类覆盖剂；合金熔化后随炉温降至450~600°C ;
(2)基体材料预处理步骤为:
将基体材料进行切片、预磨，钻孔处理，用细铁丝固定，清洗，助镀，干燥；
(3)所述热浸镀的步骤为:将基体材料放入熔池，进行热浸镀处理，热浸镀处理结束后用冷水淬火。
[0013]所述Zn块、Al块均采用市购铝锭、锌锭，硅铝中间合金为Al_50Si，铁铝中间合金为1J6 (铝含量为5.5-6%);所述盐类覆盖剂为经过脱水处理的质量分数为40-60%KCl和40-60%NaCl的均匀混合的固态粉末。
[0014]所述熔融温度为800°C，由于硅、铁熔点均在1000°C以上，故将硅铁元素以铝硅、铝铁合金形式加入熔池。
[0015]所述基体材料为尚纯铁片(4N);
所述基体材料切片、预磨，钻孔处理为:利用线切割机将基体材料加工成10X10X1 (mm)的薄片，用预磨机打磨表面除锈并清洁表面，得到外表光洁无氧化皮的待镀样品，用钻床钻出直径为2_的小孔。
[0016]所述清洗为:先用清水清洗样品，再用15%的氢氧化钠溶液70°C碱洗除油3分钟，用清水清洗后再用15%盐酸酸洗3min，最后用清水冲洗。
所述助镀所用的助镀剂为每IL助镀剂水溶液中ZnCl2:50g、NH4Cl:50g、SnCl2:80g、K2ZrF:100g ;所述助镀温度为80°C，助镀时间为5min。
[0017]所述干燥为100°C下干燥3min。
[0018]本发明中控制铝含量在3.85%，选择合适的浸镀温度600°C，使合金熔池的流动性增强，不仅降低锌铝的烧损以及氧化，而且使镀层的厚度得到一定的控制。同时在此基础上加入少量硅元素，阻碍Fe和Al原子通过液相通道扩散，形成Fe2Al5相并使Fe 一15抑制层稳定存在。
[0019]本发明的有益效果是:
通过在低铝合金熔池中加入0.15%Si和2%Fe，由于扩散通道对反应的抑制作用，FeAl3相从合金层中消失，中间合金层厚度明显减小，合金层中不再出现液相锌，大大降低了镀层对基体的侵蚀作用。使用该合金镀层有利于降低合金层厚度、提高钢材耐腐蚀性能，改善热浸镀锌铝合金镀层的显微组织和力学性能。
【附图说明】
[0020]图1为450°C热浸镀ZnAl4^金镀层扫描电镜照片；
图2为600°C热浸镀ZnAl4^金镀层扫描电镜照片；图3为450°C含0.15%Si的热浸镀ZnAl4^金镀层扫描电镜照片；图4为600°C含0.15%Si的热浸镀ZnAl 4合金镀层扫描电镜照片；图5为450°C含0.3%Si的热浸镀ZnAl4合金镀层扫描电镜照片；图6为600°C含0.3%Si的热浸镀ZnAl4合金镀层扫描电镜照片。
[0021 ] 图7为Zn-4%A1合金层扩散通道示意图
图8为450°C和600°C下0.15%Si_2%Fe中合金层厚度随时间变化关系。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0023]实施例1
(1)合金熔融:
按比例称量好Zn块、Al块按质量百分比计，Zn占96%，Al占4% ;预热石墨坩祸至暗红色，将称量好的Al块置于坩祸中，然后升温至800°C ;待完全融化后加入Zn块，待全部融化后搅拌均匀，并在溶液表面撒上盐类覆盖剂；合金熔化后随炉温降至450°C进行保温；
(2)基体预处理:
利用线切割机将基体材料加工成1X 1X I (mm)的薄片，用钻床钻出直径为2mm的小孔，用细铁丝固定，清洗，将基体铁片助镀剂中进行助镀处理，100°C下干燥3min。
[0024](3)热浸镀处理:
将基体材料放入熔池，进行热浸镀180s后用冷水淬火。
[0025]通过实施例1得到的镀层组织的扫面电镜照片如图1所示，可以看出，镀层主要有中间合金层和凝固组织组成，合金层厚度很大。途中合金层中靠外侧颜色较暗的相为FeAl3相，贴近基体颜色较浅的的是Fe2Aljg，合金层中白色部分为液相的锌，随着反应进行合金层被液相锌突破，可以明显看到Fe2Al5相沿垂直于基体和合金层的界面方向迅速生长，而Fe和Al通过液相通道加速扩散使外侧FeAlJl也逐渐增厚并向凝固组织中剥离。
[0026]实施例2
(I)合金熔融:
按比例称量好Zn块、Al块，按质量百分比计，Zn占96%，Al占4% ;预热石墨坩祸至暗红色，将称量好的Al块置于坩祸中，然后升温至800°C ;待完全融化后加入Zn块，待全部融化后搅拌均匀，并在溶液表面撒上盐类覆盖剂；合金熔化后随炉温降至600°C进行保温；
(2)基体预处理:
利用线切割机将基体材料加工成1X 1X I (mm)的薄片，用钻床钻出直径为2mm的