CN101818316B - 一种热浸镀用锌基多元合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种热浸镀用锌基多元合金及其制备方法。该多元合金的各种成分的质量百分含量为：Al 2～3％、RE(La、Ce、Pr混合稀土)0.1～0.2％、Ni 0.02～0.03％、Si 0.01～0.02％、Mg 0.01～0.02％、Cu 0.005～0.01％，余量为Zn。该锌基多元合金的优点是：(1)在合金中对Al、Ni、Si、Cu等元素进行了合理配比，显著提高了热浸镀层的耐蚀性，比纯锌镀层提高20％以上，同时将铝的含量控制在3％以内，从而确保合金具有较好的浸镀性能；(2)在合金中对La、Ce、Pr等稀土元素和Mg元素进行了合理配比，进一步提高了合金镀液的流动性和浸润性能，镀层表面质量好，金属消耗量相比传统镀锌降低了20％以上。本发明在提高浸镀锌产品的性能质量、降低金属损耗、降低生产成本等方面均有明显优势。

Description

一种热浸镀用锌基多元合金及制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，特别是一种热浸镀用锌基多元合金及制备方法。

背景技术

腐蚀对钢铁造成的损失是极其严重的，据不完全统计，全世界每年钢产量的1/3因腐蚀而损失，仅在中国每年因钢铁腐蚀造成的直接经济损失就达上千亿元。腐蚀不仅带来巨大的经济损失，还会造成惨重的人员伤亡。因此，有必要研究钢铁的腐蚀防护措施，而热镀锌被公认为是钢铁保护最直接最有效的方法之一。

热镀锌是将处理后的钢铁在一定温度的熔融锌浴中浸镀一定的时间，取出冷却后在表面获得一层美观且具有良好耐蚀性保护层的工艺。近年来，我国金属锌的生产与消费均居世界首位，需求量逐年上升，市场潜力大。据2006年世界锌的消费结构分析，全球0#锌的50％用于热镀锌。

随着经济的发展和金属资源的日趋紧张，热镀锌产品也必将向多元化、高性能、低消耗等特点发展。为此，国内外不断开发一系列高性能的热镀锌合金镀层。

国内外的现有研究成果表明，在锌浴中添加合金元素，可明显提高镀锌产品质量、降低生产成本。

Al是已知的提高镀锌层耐蚀性的最有效的合金元素。根据Al在锌中的添加量可把Zn-Al合金分为低铝(Al＜5％)和高铝(Al＞5％)两大系列。

锌浴中含铝为0.005％～0.020％时，可显著提高镀层光亮性，减少锌浴表面氧化。当锌浴中铝含量＞0.15％时，首先会在铁基上形成一层连续的Fe-Al相层，抑制Fe-Zn反应及脆性Fe-Zn合金相层的生长，使镀层减薄且黏附性良好，约0.2％的Al量适用于带钢及钢丝的连续热镀锌。目前，上述在锌浴中加入少量铝的技术已广泛应用于热镀锌领域，起到提高镀层外观质量、降低生产成本的作用。但是，这样的镀层由于Al含量低，自由锌层的组织和耐蚀性并无明显改变。

当Al添加量超过1％时，耐蚀性提高效果开始明显，当Al含量达4～7％时效果最佳，以后随Al含量进一步增加，Zn-Al合金镀层耐蚀性反而下降。所以5％左右的Al对提高镀锌层耐蚀性而言，是低Al系Zn-Al合金中的一个最佳组成。但是锌浴中铝含量的增加为热浸镀带来了浸镀性能较差，容易出现漏镀现象等问题，增加了浸镀操作上的困难，导致浸镀产品合格率大幅下降。

当铝的含量继续升高时，Zn-Al合金的耐蚀性能可以得到明显提高，尤其是铝含量达到55％时，该类镀层能在更复杂腐蚀环境下使用，但是该种镀层的浸镀性能更差，无法使用传统的助镀剂，因此镀前处理的助镀剂配方成为需要解决的关键技术。

此外，向锌及锌合金中添加微量稀土元素，可提高其耐蚀性和各种机械性能等。稀土在金属材料中有净化、除气、除杂质、细化晶粒、强化基体和改善加工性能等作用。

国际铅锌研究组织与比利时列日冶金研究中心于1980年成功研制了一种新型Zn-Al-RE合金热镀层，该合金镀层的化学成分为5％Al-0.1％RE-Zn。与镀锌层相比，该合金镀层具有更好的耐蚀性，成型性、附着性也比较好，但是也存在浸镀困难的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有热浸镀锌及锌合金技术存在的不足，提供一种热浸镀用锌基多元合金及制备方法。既提高了热浸镀层的耐蚀性，又将铝的用量控制在3％以内，从而确保合金具有较好的浸镀性能，也使合金镀液的流动性和浸润性得到进一步的提高。

本发明的锌基多元合金的各种成分的质量百分含量为：Al 2～3％、RE(La、Ce、Pr混合稀土)0.1～0.2％、Ni 0.02～0.03％、Si 0.01～0.02％、Mg 0.01～0.02％、Cu 0.005～0.01％，余量为Zn。

该锌基多元合金的制备工艺流程是：

A、按照镍的用量称量锌镍合金，用熔炼炉加热到800℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

B、将纯铝、铝稀土合金、铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金按照各种元素在本发明锌基多元合金中的质量比进行称量和配料，用熔炼炉加热到650℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

C、将B步骤所制得的铝合金熔液倒入A步骤所制得的锌镍合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，然后自然冷却至650℃，去除炉渣；

D、按照本发明锌基多元合金中各元素的质量比计算并称量剩余锌量，用熔炼炉加热到450℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

E、将D步骤所制得的锌熔液倒入C步骤所制得的合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，并自然冷却至450℃，去除炉渣后浇铸制得锌基多元合金。

上述制备工艺中所用的原料为市购纯锌、纯铝、锌镍合金、铝稀土合金(La、Ce、Pr混合稀土)、铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金。

该锌基多元合金中各组份的作用具体表现为：(1)Al、Ni、Si、Cu等元素能显著提高热浸镀层的耐蚀性，其中Al起主要作用，Ni、Si、Cu等元素的加入主要是与Al起到协同提高耐蚀性的作用，可以降低Al的添加量，同时又保证镀层具有良好的耐蚀性。(2)La、Ce、Pr等稀土元素和Mg能够改善热镀条件，使镀液流动性、浸滑性能得到了极大地提高，镀件提出锌浴时表面锌可更快回流锌浴，从而使镀层更光滑、平整，减少镀层表面滴瘤及流痕等缺陷的出现，同时可大幅降低锌层的厚度，从而减少锌耗，降低生产成本。

本发明与现有热镀用锌锭和锌合金相比具有下列优点和效果：(1)耐蚀性能优良，经中性盐雾腐蚀试验出锈时间为70～90小时，比纯锌镀层提高20％以上；(2)浸镀性能优良，表面光滑、平整，无漏镀、结瘤及流痕等缺陷；(3)通用性好，在热浸镀的全部工艺流程中对工件基体前处理、助镀、浸镀、钝化等各个工序无特殊要求，采用传统镀锌的设备和工艺条件即可在钢铁零件表面浸镀新型锌基多元合金；(4)金属消耗量小，镀层厚度仅为40～50μm，相比传统镀锌层降低了20％以上；(5)经济效益明显，由于各种合金元素的使用量均比较低，因此热浸镀锌基多元合金的原料价格与纯锌相比不会超过10％，但镀层性能可提高20％，金属消耗量可降低20％，因此使用该锌基多元合金浸镀产品的性价比远远高于热浸镀锌。

附图说明

图1为本发明热浸镀用锌基多元合金的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

1)按下列成分制备锌基多元合金：Al 2％、RE(La、Ce、Pr混合稀土)0.1％、Ni 0.03％、Si 0.02％、Mg 0.01％、Cu 0.01％，余量为Zn。所用原料均为市购纯锌、纯铝、Zn-8％Ni合金、Al-10％RE合金(La、Ce、Pr混合稀土)、Al-10％Si合金、Al-5％Mg合金、Al-5％Cu合金。

2)经下列工艺流程制备100Kg锌基多元合金，备用：

A、按照镍的用量称量Zn-8％Ni合金0.4Kg，用熔炼炉加热到800℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

B、按照各种元素在本发明锌基多元合金中的质量比进行计算，分别称量Al-10％RE合金1Kg、Al-10％Si合金0.2Kg、Al-5％Mg合金0.2Kg、Al-5％Cu合金0.2Kg以及纯铝0.54Kg，然后将这些原料混合，用熔炼炉加热到650℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

C、将B步骤所制得的铝合金熔液倒入A步骤所制得的锌镍合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，然后自然冷却至650℃，去除炉渣；

D、称量剩余锌量97.46Kg，用熔炼炉加热到450℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

E、将D步骤所制得的锌熔液倒入C步骤所制得的合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，并自然冷却至450℃，去除炉渣后浇铸制得所需锌基多元合金。

3)用该锌基多元合金对钢铁零件进行热浸镀：先将100mm×60mm×2mm的低碳钢板在进行去脂、水洗、酸洗、水洗及助镀剂处理，然后将适量锌基多元合金投入浸镀槽中并加热至450℃，待槽内金属完全熔化后，将钢板浸入槽内保持1分钟左右取出，再浸入水槽中进行清洗和冷却，最后浸入传统镀锌钝化液对工件进行钝化处理，钝化后用水将工件清洗干净，即完成所有浸镀工艺流程。

4)经浸镀锌基多元合金和钝化处理后的钢板外观均匀、光亮、平整，经技术检测，镀层厚度为40μm左右，中性盐雾腐蚀试验出锈时间为70～75小时，耐蚀性能超过纯锌镀层20％，完全满足应用要求。

实施例2

1)按下列成分制备锌基多元合金：Al 2.5％、RE(La、Ce、Pr混合稀土)0.15％、Ni 0.025％、Si 0.015％、Mg 0.015％、Cu 0.0075％，余量为Zn。所用原料均为市购纯锌、纯铝、Zn-8％Ni合金、Al-10％RE合金(La、Ce、Pr混合稀土)、Al-10％Si合金、Al-5％Mg合金、Al-5％Cu合金。

2)用与实施例1相同的方法制备成100Kg锌基多元合金，各种原料的用量为纯锌97.0125Kg、纯铝0.5875Kg、Zn-8％Ni合金0.3Kg、Al-10％RE合金(La、Ce、Pr混合稀土)1.5Kg、Al-10％Si合金0.15Kg、Al-5％Mg合金0.3Kg、Al-5％Cu合金0.15Kg。

3)用与实施例1相同的方法对钢铁工件浸镀锌基多元合金和钝化处理。

4)经浸镀锌基多元合金和钝化处理后的钢板外观均匀、光亮、平整，经技术检测，镀层厚度为45μm左右，中性盐雾腐蚀试验出锈时间为75～80小时，耐蚀性能超过纯锌镀层30％，完全满足应用要求。

实施例3

1)按下列成分制备锌基多元合金：Al 3％、RE(La、Ce、Pr混合稀土)0.2％、Ni 0.02％、Si 0.01％、Mg 0.02％、Cu 0.005％，余量为Zn。所用所用原料均为市购纯锌、纯铝、Zn-8％Ni合金、Al-10％RE合金(La、Ce、Pr混合稀土)、Al-10％Si合金、Al-5％Mg合金、Al-5％Cu合金。

2)用与实施例1相同的方法制备成100Kg锌基多元合金，各种原料的用量为纯锌96.515Kg、纯铝0.635Kg、Zn-8％Ni合金0.25Kg、Al-10％RE合金(La、Ce、Pr混合稀土)2.0Kg、Al-10％Si合金0.1Kg、Al-5％Mg合金0.4Kg、Al-5％Cu合金0.1Kg。

3)用与实施例1相同的方法对钢铁工件浸镀锌基多元合金和钝化处理。

4)经浸镀锌基多元合金和钝化处理后的钢板外观均匀、光亮、平整，经技术检测，镀层厚度为50μm左右，中性盐雾腐蚀试验出锈时间为80～90小时，耐蚀性能超过纯锌镀层40％，完全满足应用要求。

Claims (2)

1.一种热浸镀用锌基多元合金，其特征在于该多元合金的各种成分的质量百分含量为：Al 2～3％、RE0.1～0.2％、Ni 0.02～0.03％、Si 0.01～0.02％、Mg 0.01～0.02％、Cu 0.005～0.01％，余量为Zn，所述的RE为La、Ce、Pr混合稀土。

2.如权利要求1所述的热浸镀用锌基多元合金的制备方法，其特征在于按以下工艺流程进行：

A、按照镍的用量称量锌镍合金，用熔炼炉加热到800℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

B、将纯铝、铝稀土合金、铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金按照各种元素在所述的锌基多元合金中的质量比进行称量和配料，用熔炼炉加热到650℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

C、将B步骤所制得的铝合金熔液倒入A步骤所制得的锌镍合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，然后自然冷却至650℃，去除炉渣；

D、按照所述的锌基多元合金中各元素的质量比计算并称量剩余锌量，用熔炼炉加热到450℃将其熔化，搅拌均匀，保温1个小时以上；

E、将D步骤所制得的锌熔液倒入C步骤所制得的合金熔液中，搅拌均匀，保温1个小时以上，并自然冷却至450℃，去除炉渣后浇铸制得锌基多元合金。

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