CN104630681A - 一种热浸镀用Zn-Al-Si中间合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热浸镀锌技术领域，具体涉及一种钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金及其制备方法。所述的热浸镀用Zn-Al-Si中间合金，其特征在于：Al的含量控制在20~30wt.%左右，Si含量控制在0~35wt.%，其余为Zn。按照Al： 20~30wt.%，Si：0~35wt.%，余量为Zn，准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-Al-Si中间合金。本发明旨在通过制备Zn-Al-Si中间合金替代传统Al-Si中间合金，解决用Al-Si中间合金制备热浸镀Zn-Al-Si时中间合金加入温度过高、熔炼时间较长以及熔炼过程出现大量硅浮渣的问题，降低合金烧损，提高熔池中硅的收得率，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明属于热浸镀锌技术领域，涉及一种钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金及其制备方法和应用。
背景技术
热浸镀锌作为一种具有优良耐腐蚀性能的涂层技术，在汽车、建筑及家电行业中得到广泛应用。热浸镀锌液中添加微量元素可以有效地提高钢铁材料的耐腐蚀性能和改善镀层质量。为了抑制铁铝之间的放热反应，铝含量较高的热浸镀锌铝合金中通常会添加一定量的硅。在不同成分的热浸镀Zn-Al-Si合金制备过程中硅的加入通常是以铝硅中间合金的形式完成的，常规的加入温度为700℃左右，不同成分的铝硅合金，其熔入温度不同，但一般会高于此温度。由于锌铝合金与铝硅合金密度相差较大，熔炼过程中通常需用钟罩将铝硅压入熔池，熔解比较困难，硅不能快速熔入锌池而发生烧损，在熔池表面形成大量的浮渣，严重影响最终熔池中硅的收得率。
本发明通过制备Zn-Al-Si中间合金替代传统Al-Si中间合金，旨在解决用Al-Si中间合金制备热浸镀Zn-Al-Si时中间合金加入温度过高、熔炼时间较长以及熔炼过程出现大量硅浮渣的问题，降低合金烧损，提高熔池中硅的收得率。由于降低了中间合金加入温度，缩短了合金熔炼时间，减小了锌的烧损，提高了生产效率，降低了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于开发出一种新型镀锌中间合金，通过制备Zn-Al-Si中间合金替代传统Al-Si中间合金，解决熔解Al-Si中间合金出现大量硅浮渣问题，提高熔池中硅的收得率；降低中间合金的加入温度，缩短合金熔炼的时间，减小锌的烧损，提高了生产效率，降低了生产成本。大大提高连续镀锌生产线的效率。
一种钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金，所用原材料为锌锭、铝锭、硅粉。其中：Al的含量控制在20~30wt.%，Si的含量控制在0~35wt.%，其余为Zn。
所述的Zn-Al-Si中间合金的制备步骤如下：
（1）配制Zn-Al-Si中间合金
所用原材料为锌锭、铝粉、和硅粉。按重量比计，Zn-Al-Si中间合金中Al占20~30%，Si占0~35%,其余为Zn；
（2）熔炼Zn-Al-Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-Al-Si中间合金。
本发明还公开了权利要求1所述的钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金用于制备热浸镀Zn-Al-Si合金的用途。
一种制备热浸镀Zn-Al-Si合金的方法，是先将锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后加入铝锭，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将权利要求1所述的Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模中快速冷却。
本发明中Al含量保持在20~30wt.%，Si含量保持在0~35wt.%，其主要目的是尽量降低中间合金的熔化温度和密度，并使合金中混合的Si达到均匀分布的效果。在Zn-Al-Si合金凝固过程中，由于硅含量较高，会从液相中析出块状初生硅相，然后再形成铝硅共晶组织。其中一部分共晶硅以不规则的形态镶嵌在富铝的枝晶中，另一部分以针状的形式析出富集在富铝枝晶的晶界上。针状共晶硅及其细小的共晶铝阻碍了枝晶的生长，细化了晶粒。另外，由于采用了扁平模快速冷却，避免了偏析的产生。
由Zn-Al二元相图可知，Zn-30%Al合金在600℃温度下Zn、Al完全互熔，根据Zn-Al-Si中间合金的具体情况，其作为中间合金的加入温度通常会低于600℃；而且与Al-30%Si及Al-50%Si相比，其凝固过程中的温度波动不大。
实际生产中熔炼Al-Si中间合金的温度一般为700℃左右，可以看出熔化Al-Si中间合金的温度明显高于熔化Zn-Al-Si中间合金的温度。实验表明，Al-Si中间合金700℃加入熔池时，Al-Si中间合金完全熔入熔池的时间是Zn-Al-Si中间合金500℃熔入熔池时间的2~3倍，更高的熔炼温度和更长的停留时间，使得Al-Si中间合金加入熔池中极易出现硅的烧损现象和大量不熔硅，最终在熔池表面形成浮渣，降低了熔池中硅的实际收得率。更高的熔炼温度也增加了能耗，缩短了中频炉的使用寿命；更长的熔炼时间也严重影响了生产效率。
本发明中通过全新工艺制备的Zn-Al-Si中间合金代替传统的Al-Si中间合金可以实现在较低温度下将硅快速、均匀溶入熔池中。由于Zn-Al-Si中间合金中块状硅尺寸较Al-Si中间合金更细小（如图3，4所示），有利于Zn-Al-Si中间合金中硅在熔池中均匀分散的熔解，解决熔解Al-Si中间合金出现大量硅浮渣问题，提高熔池中硅的收得率。
附图说明
图1为Al-Si二元相图，可以看到Al-Si发生二元共晶反应的温度为577℃，除了共晶点以外，Al若完全以液相形式存在，温度应高于660.5℃；
图2为Zn-Al-Si三元相图450℃等温截面图，可以看到图中阴影区域即为权利要求1的最佳成分区域；
图3、图4分别为Al-30%Si商用二元中间合金和Zn-20%Al-32%Si三元中间合金显微组织的BSE照片，对比图3和图4可以发现Zn-Al-Si中间合金中块状Si的晶粒尺寸明显小于Al-Si中间合金中块状Si的晶粒；这有利于减小中间合金加入熔池时Si的难熔性，使得Si能均匀、快速熔入锌池中，不易发生Si的烧损；
图5为用Al-Si中间合金获得的熔池元素面扫描中Si元素分布示意图，图6为和Al-Si中间合金相同硅含量的Zn-Al-Si中间合金获得的熔池元素面扫描中Si元素分布示意图，对比图5和图6可以发现用Zn-Al-Si中间合金获得的熔池中Si含量明显高于用Al-Si中间合金获得的熔池中硅含量，充分说明使用Zn-Al-Si中间合金有利于实现有效硅的精确控制，保证实际合金中有效硅含量。
具体实施方式
本发明的钢材热浸镀用Zn基中间合金由Zn、Al、Si三种元素组成，是一种高效的热浸镀用Zn-Al-Si中间合金；所用原材料分别为锌锭、铝锭、和硅粉。其中，按重量百分比计，含有的Al为20~30%，Si是0~35%，余量是Zn。
利用Zn-Al-Si中间合金制备钢材热浸镀Zn-Al-Si合金方法如下：
（1）配制Zn-Al-Si中间合金
按重量比计，Zn-Al-Si中间合金中Al占20~30%，Si占0~35%,其余为Zn；
（2）熔炼Zn-Al-Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-Al-Si中间合金。
（3）熔炼Zn-Al-Si合金
先将锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后加入铝锭，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却。
实施例1
Zn-20wt.%Al-0.3wt.%Si合金制备方法
（1）配制Zn-20%Al-30%Si（成分处于图2阴影部分中）中间合金
按重量比计，Zn-20%Al-30%Si中间合金占Zn-20%Al-0.3%Si合金10%，其中Zn-20%Al-30%Si中间合金中Al占20%，Si占30%，其余为Zn；
（2）熔炼Zn-20%Al-10%Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃~850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-20%Al-30%Si中间合金，其显微组织的BSE照片如图4所示。
（3）先将占Zn-20%Al-0.3%Si合金重量79.2%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后，将占Zn-20%Al-0.3%Si合金重量19.8%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却，得到Zn-20%Al-0.3%Si合金，其元素面扫描中Si元素分布如图6所示。
实施例2
Zn-20wt.%Al-0.4wt.%Si合金制备方法
（1）配制Zn-20%Al-10%Si中间合金
按重量比计，Zn-20%Al-10%Si中间合金占Zn-20%Al-0.4%Si合金4%，其中Zn-20%Al-10%Si中间合金中Al占20%，Si占10%，其余为Zn；
（2）熔炼Zn-20%Al-10%Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-20%Al-10%Si中间合金。
（3）先将占Zn-20%Al-0.4%Si合金重量76.8%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后，将占Zn-20%Al-0.4%Si合金重量19.2%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却，得到Zn-20%Al-0.4%Si合金。
实施例3
Zn-11wt.%Al-0.1wt.%Si合金制备方法
（1）配制Zn-30%Al-10%Si中间合金
按重量比计，Zn-30%Al-10%Si中间合金占Zn-11%Al-1%Si合金1%，其中Zn-30%Al-10%Si中间合金中Al占30%，Si占10%，其余为Zn；
（2）熔炼Zn-30%Al-10%Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-30%Al-10%Si中间合金。
（3）先将占Zn-11%Al-0.1%Si合金重量88.3%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后，将占Zn-11%Al-0.1%Si合金重量10.7%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却，得到Zn-11%Al-0.1%Si合金。
实施例4
Zn-30wt.%Al-0.3wt.%Si合金制备方法
（1）配制Zn-30%Al-10%Si中间合金
按重量比计，Zn-30%Al-10%Si中间合金占Zn-30%Al-0.3%Si合金3%，其中Zn-30%Al-10%Si中间合金中Al占30%，Si占10%，其余为Zn；
（2）熔炼Zn-30%Al-10%Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-30%Al-10%Si中间合金。
（3）先将占Zn-30%Al-0.3%Si合金重量67.9%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后，将占Zn-30%Al-0.3%Si合金重量29.1%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却，得到Zn-30%Al-0.3%Si合金。
实施例5
Zn-55wt.%Al-1.6wt.%Si合金制备方法
（1）配制Zn-30%Al-10%Si中间合金
按重量比计，Zn-30%Al-10%Si中间合金占Zn-55%Al-1.6%Si合金16%，其中Zn-30%Al-10%Si中间合金中Al占30%，Si占10%，其余为Zn；
（2）熔炼Zn-30%Al-10%Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-30%Al-10%Si中间合金。
（3）先将占Zn-55%Al-1.6%Si合金重量33.8%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后，将占Zn-55%Al-1.6%Si合金重量50.2%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属快速冷却，得到Zn-55%Al-1.6%Si合金。
利用Al-30%Si商用中间合金制备钢材热浸镀Zn-Al-Si合金方法如下：
（1）准确称量Al-30%Si商用中间合金；
（2）熔炼Zn-Al-Si合金
先将锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后加入铝锭，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Al-30%Si商用中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模中快速冷却。
实施例（对比组）
Zn-20wt.%Al-0.3wt.%Si合金制备方法
（1）准确称量Al-30%Si（成分处于图1过共晶部分）中间合金
按重量比计， Al-30%Si中间合金占Zn-20%Al-0.3%Si合金1%，其显微组织的BSE照片如图3所示；
（2）先将占Zn-20%Al-0.3%Si合金重量79.7%的锌锭置于中频感应炉中，待锌锭完全熔化，将占Zn-20%Al-0.3%Si合金重量19.3%的铝锭压入锌液，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模快速冷却，得到Zn-20%Al-0.3%Si合金，其元素面扫描中Si元素分布如图5所示。
Claims (4)
1.一种钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金，其特征在于：Al的含量控制在20~30wt.%，Si的含量控制在0~35wt.%，其余为Zn。
2.权利要求1所述钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）配制Zn-Al-Si中间合金
所用原材料为锌锭、铝粉、和硅粉，按重量比计，Zn-Al-Si中间合金中Al占20~30%，Si占0~35%,其余为Zn；
（2）熔炼Zn-Al-Si中间合金
按照步骤（1）中重量百分比准确称量Zn、Al和Si，将Zn、Al和Si在氩气保护下真空封装，放炉中升温到500℃~550℃，保温15min；然后升温至800℃-850℃，保温1h；取样时充分摇匀，使其成分均匀，然后淬火处理，得到Zn-Al-Si中间合金。
3.权利要求1所述的钢材热浸镀用Zn-Al-Si中间合金用于制备热浸镀Zn-Al-Si合金。
4.一种制备热浸镀Zn-Al-Si合金的方法，其特征在于，先将锌锭置于中频感应炉中，待锌锭熔化后加入铝锭，升温至650℃，熔炼，搅拌均匀生成合金液，在合金液表面加盐类覆盖剂，降温至500℃，保温30min，再将权利要求1所述的Zn-Al-Si中间合金压入合金液中，熔炼，搅拌使其混合均匀生成熔融合金液，保温30min，最后捞渣，浇注到扁平金属模中快速冷却。
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2015
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