CN105483594B - 一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法 - Google Patents

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、40~50 wt.%Zn、1~4 wt.%Mg、1~3 wt.%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0.1~5 s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

一种钢材表面连续热浸镀Al–Zn–Mg–Si合金镀层的方法

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85 wt.%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：1~3 wt.%；

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0.1~5 s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1 Al–Zn–Si vs. 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1.23 wt.%的Al–Zn–Mg–Si合金镀层

图 5 经退火工艺制备的含Mg量为3.01 wt.%的Al–Zn–Mg–Si合金镀层

图 6 经退火工艺制备的含Mg量为3.87 wt.%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：48~55 wt.%、Zn：40~50 wt.%、Mg：1~4.0 wt.%、Si：1~3 wt.%。

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1.23 wt.%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2.5 s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3.01 wt.%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1.5 s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3.87 wt.%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3 s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3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡90天后，含Al–Zn–Mg–Si合金镀层（Mg含量在1.23~3.87 wt.%）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：1.23～4.0wt.％、Si：1-1.52wt％；

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。