CN105483594A - 一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层及其制备工艺。本发明所制备的Al–Zn–Si–Mg合金镀层其组成为48~55?wt.%Al、40~50wt.%Zn、1~4wt.%Mg、1~3wt.%Si。该镀层的制备工艺为:钢带(1)经表面清洁处理,(2)还原退火,(3)在550~700℃的镀液中热浸镀,(4)在400~700℃经0.1~5s退火工艺,再经气刀平整,(5)冷却。制备的合金镀层中包含富Al枝晶相、富Zn枝晶间相、以及Mg2Si相和少量的MgZn2相。优选的合金成分可以保证镀液成分均匀,浮渣较少,通过连续热浸镀工艺制备的镀层质量均一稳定。浸镀后的退火工艺能增加镀层表面的Mg2Si相含量,提高镀层的耐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢材表面热浸镀用Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法,属于金属镀层的技术领域,可广泛应用于腐蚀环境中的钢材防护。
背景技术
热浸镀工艺是一种经济有效的金属结构件防腐蚀处理方法。热浸镀铝锌合金镀层具有良好的耐蚀性和阴极保护能力,在建筑业、汽车、家用电器、造船业、电气业等多个领域得到广泛应用。
连续热浸镀工艺一般包括五个部分:前处理段、镀前保护段、热浸镀段、气刀段、冷却段。前处理段主要是清洁钢板表面,去除氧化物;镀前保护段主要是将新鲜的铁基体裸露,并加热钢板;在热浸镀段,钢板浸入镀液,并形成金属镀层(在该工段可以更换镀液成分);气刀用来刮平和刮除镀层表面的液态类物质,从而自动控制镀层的平整度、均匀性和厚度;镀层在冷却段得到冷却,根据不同的产品需求,之后还可进行表面钝化、有机物涂覆等工序。
研究者们发现向镀液中添加Mg能够提高镀层的耐蚀性。目前已开发多种锌含量高于85wt.%的锌铝镁合金镀层,并成功实现商业化生产。也有研究者向铝锌合金镀层中添加镁,研究开发Al–Zn–Mg–Si合金镀层。此类产品最早由美国伯利恒钢铁公司在1982年申请了美国专利US4401727,随后日本新日铁公司(US6635359B1)、上海大学(CN101457320A)、澳大利亚蓝野钢铁公司(US20090269611A1)、江苏麟龙新材料股份有限公司(US8974728)也申请了相关专利。
虽然研究者们发现,在铝锌合金中添加Mg形成的Mg2Si和MgZn2相确实能提高镀层的耐蚀性。但经过多年尝试,目前尚未有成熟的Al–Zn–Mg–Si合金镀层商用产品。限制其应用推广的原因主要是该合金镀层较难实现连续热浸镀生产。研究发现,镀液中的Mg和Si会形成高熔点低密度的Mg2Si相,而该相在镀液中易上浮形成浮渣,并造成镀液成分分布不均,导致难以制备高质量的Al–Zn–Mg–Si合金镀层产品。
本发明所要解决的问题是在制备Al–Zn–Mg–Si合金镀层过程中,控制镀液中Mg2Si相的含量,防止该相偏聚并形成浮渣。同时,通过改变镀后的处理方法,增加炉冷退火工艺,促进Mg2Si相在镀层表面的析出,提高Al–Zn–Mg–Si合金镀层的耐蚀性。
发明内容
本发明目的是开发一种可以用于连续热浸镀生产的Al–Zn–Mg–Si合金镀层;并针对该镀层合金相的特性,改进了制备工艺,提高合金镀层的耐蚀性。
一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法,其特征在于具有以下的过程和步骤:
a.设计确定合金的成分配方:Al:48~55wt.%、Zn:40~50wt.%、Mg:1~4.0wt.%、Si:1~3wt.%;
b.钢材表面的预处理并退火:对浸镀用的钢材经表面预处理,去除钢材表面的油渍和氧化物,包括碱洗、酸洗工艺或燃烧工艺;并在还原气氛中退火,去除钢板残留的氧化物,增强钢板表面的化学活性;还原性气氛为:NH3、H2或CO气体;还原退火温度为600~1000℃;
c.热浸镀:钢材在550~700℃的合金镀液中进行热浸镀;
d.退火与气刀处理:热浸镀后的钢材在在惰性气体保护下400~700℃经0.1~5s退火工艺;经过退火处理,Al–Zn–Si–Mg合金镀层中的Mg2Si相会在镀层表面偏聚,增加镀层表面Mg2Si相的数量和覆盖面积,使得镀层耐蚀性提高;之后用气刀平整镀层表面;
e.冷却镀层钢材:冷却工艺可以是空冷、水冷或水雾冷却工艺。
与其他相近专利相比,本发明的优点在于:
1.低Mg含量的Al–Zn–Mg–Si合金镀液成分均匀,所制备的镀层钢板成品率高;
2.经过炉冷退火工艺,Al–Zn–Mg–Si合金镀层表面的Mg2Si相数量增加,耐蚀性提高。
附图说明
图1Al–Zn–Sivs.Mg的伪二元相图
图2改进的热浸镀工艺。图中1.碱洗酸洗池(或燃烧除油炉);2.还原退火炉;3.锌锅;4.退火炉,炉内放置气刀;5.水雾冷却喷嘴。
图3不同Mg含量的Al–Zn–Mg–Si合金镀层腐蚀失重结果
图4经退火工艺制备的含Mg量为1.23wt.%的Al–Zn–Mg–Si合金镀层
图5经退火工艺制备的含Mg量为3.01wt.%的Al–Zn–Mg–Si合金镀层
图6经退火工艺制备的含Mg量为3.87wt.%的Al–Zn–Mg–Si合金镀层。
具体实施方式
现结合实施例具体列举了本发明优选的实施方式。
以下实施例中所使用的铝锌硅镁合金成分为Al:48~55wt.%、Zn:40~50wt.%、Mg:1~4.0wt.%、Si:1~3wt.%。
参照对比例
实验成分如表1所列,用新工艺制备的不含Mg的合金镀层,作为对照样品,用于对比Al–Zn–Mg–Si合金镀层的耐蚀性。钢板经过碱洗、酸洗,在580℃的H2/N2混合气中还原退火,再浸入600℃的合金镀液中进行热浸镀,之后经2s退火工艺,再经气刀减薄、水冷,得到Al–Zn–Si合金镀层。
Al–Zn–Si合金镀层中包含枝晶Al相和枝晶间Zn相,并有Si相颗粒出现于镀层枝晶间区域。
实施例1
实验成分如表1所列,用新工艺制备Mg含量为1.23wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸洗,在630℃的H2/N2混合气中还原退火,再浸入630℃的合金镀液中进行热浸镀,之后经2.5s炉冷退火工艺,再经气刀减薄、水冷,得到Al–Zn–Si–1.23Mg合金镀层。
Al–Zn–Si–1.25Mg合金镀层中包含枝晶Al相和枝晶间Zn相,但在枝晶间区域有大量细小的Mg2Si相颗粒。由于退火工艺,镀层表面的Mg2Si相呈等边三角形,且数量增加。
实施例2
实验成分如表1所列,用新工艺制备Mg含量为3.01wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸洗,在630℃的H2/N2混合气中还原退火,再浸入630℃的合金镀液中进行热浸镀,之后经1.5s退火工艺,再经气刀减薄、水冷,得到Al–Zn–Si–3Mg合金镀层。
Al–Zn–Si–3Mg合金镀层中包含枝晶Al相和枝晶间Zn相,但在枝晶间区域有大量Mg2Si相颗粒和少量MgZn2相颗粒。且由于退火工工艺,镀层表面的Mg2Si相含量高于10%。
实施例3
实验成分如表1所列,用新工艺制备Mg含量为3.87wt.%的合金镀层。钢板经过碱洗、酸洗,在630℃的H2/N2混合气中还原退火,再浸入630℃的合金镀液中进行热浸镀,之后经3s退火工艺,再经气刀减薄、水冷,得到Al–Zn–Si–4Mg合金镀层。
Al–Zn–Si–4Mg合金镀层中包含枝晶Al相和枝晶间Zn相,但在枝晶间区域没有明显的Mg2Si相,但出现了MgZn2相。
合金镀层耐蚀性比较
与Al–Zn–Si镀层相比,Al–Zn–Mg–Si合金镀层的耐蚀性明显提高。在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡90天后,含Al–Zn–Mg–Si合金镀层(Mg含量在1.23~3.87wt.%)的失重仅为Al–Zn–Si镀层的1/3~1/4。
有关本发明的机理和原理
退火工艺使得刚离开镀液的镀层仍处于短暂的液态。而Mg2Si相的{111}面是Si原子密排面,因此容易浮于镀层表面从而降低镀层表面的界面张力。因此出现在镀层表面的Mg2Si相呈等边三角形,且数量和覆盖面积都有所增加。
但镀层中Mg含量过高时,Mg2Si相容易在镀液中形成浮渣。并且当Mg含量大于3.05wt.%时,镀液中Mg2Si相太容易形核长大,而镀层中先析出的Al相枝晶间距过小,所以过大的Mg2Si相颗粒无法出现在镀层表面。
Claims (1)
1.一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法,其特征在于具有以下的过程和步骤:
a.设计确定合金的成分配方:Al:48~55wt.%、Zn:40~50wt.%、Mg:1~4.0wt.%、Si:1~3wt.%;
b.钢材表面的预处理并退火:对浸镀用的钢材经表面预处理,去除钢材表面的油渍和氧化物,包括碱洗、酸洗工艺或燃烧工艺;并在还原气氛中退火,去除钢板残留的氧化物,增强钢板表面的化学活性;还原性气氛为:NH3、H2或CO气体;还原退火温度为600~1000℃;
c.热浸镀:钢材在550~700℃的合金镀液中进行热浸镀;
d.退火与气刀处理:热浸镀后的钢材在在惰性气体保护下400~700℃经0.1~5s退火工艺;经过退火处理,Al–Zn–Si–Mg合金镀层中的Mg2Si相会在镀层表面偏聚,增加镀层表面Mg2Si相的数量和覆盖面积,使得镀层耐蚀性提高;之后用气刀平整镀层表面;
e.冷却镀层钢材:冷却工艺可以是空冷、水冷或水雾冷却工艺。
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