CN107904532A - 一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法。工艺流程依次为脱脂、水洗、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀纯锌、冷却、热浸镀高耐蚀锌合金、冷却。所述的高耐蚀锌合金为热镀用熔点相对低且镀层耐蚀性高的合金。采用常规批量热浸镀锌方法对钢材表面进行镀前处理，在435～460℃的纯锌浴中热浸镀锌后，直接或经冷却后再置于385～450℃的合金浴中浸镀5～120s后冷却。本发明的方法克服了钢铁直接浸镀锌铝（Al>1%）合金浴时易漏镀、镀层薄（小于20m），以及镀层表面质量差等问题，构筑的双镀层叠加的结构使钢材的耐蚀性显著提高，使用寿命大大延长，且该工艺稳定、镀层质量容易控制。

Description

一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法
技术领域
本发明属于热浸镀技术领域，具体涉及一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法。
背景技术
热浸镀锌技术被广泛应用于钢铁材料的防护上，是目前钢铁表面防护最为简单、有效的防护手段之一。热浸镀锌是将表面经清洗、活化后的钢铁浸于液态锌中，通过铁锌之间的反应扩散在钢铁表面生成铁锌合金相层的过程。典型常规热浸镀锌层包括了合金相层（Γ相、δ相及ζ相）和自由锌层，这种镀层可以隔离钢铁材料与腐蚀环境的接触，并利用锌对钢铁的牺牲性阳极的特性，对钢铁材料起到保护作用。镀层的厚度和工件的厚度相关，随工件厚度的不同，镀层可达几十微米到几百微米不等。且镀层的厚度与镀层的使用时间成正比，即镀层越厚，使用寿命越长。随着现代技术的高速发展，对镀层的耐蚀性提出了更高的要求。研究发现，在锌浴中加入一定量的铝或镁，可以增加镀层的耐蚀性能。为此开发了一系列的高耐蚀镀层，代表产品有Galfan镀层(Zn-5%Al-RE)、Galvalume 镀层(Zn-55%Al-1.6%Si)、ZAM镀层(Zn-6%Al-3%Mg)等。
Galfan合金镀层技术是国际铅锌研究组织(IL ZRO)在20世纪80年代研发出的一种高耐腐蚀性合金镀层技术，它是在Zn-5%Al 共晶合金的基础上添加了少量的稀土元素(La+Ce)，其耐蚀性是纯锌镀层的2～3倍。Galfan镀层是由内层很薄的Fe-Zn-Al 三元合金层和外层层片状共晶组织构成。由于合金层很薄几十到几百纳米，故整体镀层不厚，一般在20微米左右。继高耐蚀性锌基合金镀层 Galvalume、 Galfan 研发并商品化之后，日本新日铁和日新制钢公司相继研发出 Super Zinc、 Super Dyma、 Dymazinc、 ZAM 等具有更高耐蚀性和特殊性能的锌基合金镀层。其中由新日铁钢铁公司开发的 Zn-6%Al-3%Mg(ZAM)镀层是目前锌基合金镀层中耐蚀性非常高的新型镀层，是纯锌镀层耐蚀性的15倍以上，被称为第四代高耐蚀性材料。
这些合金镀层具有高的耐蚀性得益于合金元素Al、Mg和RE等的添加，然而锌浴中存在高的 Al含量时，会引起常规助镀剂 (NH4Cl-ZnCl2)失效，需更换专用助镀剂或助镀工艺(如CN105220099A和CN105154804A分别公开了一种批量热镀Galfan的助镀剂及其制备方法)，但现已研究出的专用助镀剂在批量浸镀过程中存在稳定性差、 漏镀敏感性大等缺陷，不易生产出合格的镀层。在连续镀钢丝中，也有采用先预镀纯锌再镀 Galfan 合金的方式，其得到的Galfan镀层和保护气还原法得到的Galfan镀层相似，即镀层由薄的Fe2Al5合金层和Zn-Al共晶组织组成。目前采用的双镀法中，预镀的纯锌层在二次浸镀时易发生重熔或剥离进入合金浴中，造成资源浪费，也就是说预镀纯锌层只起到了助镀的作用。虽然双镀法在连续热浸镀中已有应用，但批量热浸镀与连续热浸镀工艺不同，使用范围也不同，对镀层耐蚀性能的要求也不同。虽然Galfan或ZAM等镀层耐蚀性强，但在钢铁表面形成的厚度非常薄，仅几个微米至十几个微米，很难在钢结构件上获得足够厚度且表面质量优良的Galfan合金镀层，因此，尚未在钢结构镀层中应用。
通过在钢材上先预镀纯锌再浸镀高耐蚀锌合金，不仅可有效地解决助镀难的问题，还能获得表面质量优良、拥有镀锌层和合金层的双重保护作用。目前在钢结构件表面构筑具有高耐蚀性的双热浸镀层的研究和相关公开专利未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法，该方法既能解决高铝（Al>1%）的高耐蚀锌合金镀层助镀难的问题，又能获得镀锌层和高耐蚀锌合金镀层的双重保护作用，能够推动高耐蚀锌合金技术在批量热镀锌中的应用。
为达上述目的，本发明采用的方法步骤如下。
一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法，工艺流程依次为脱脂、水洗、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀纯锌、（冷却）、热浸镀高耐蚀锌合金、冷却，具体包括以下步骤：
（1）脱脂：将钢材上挂，然后浸入碱液中脱脂，再用热水（温度满足洗脂即可）冲洗干净；
（2）酸洗：将步骤（1）冲洗干净的钢材放置在酸性溶液中浸泡，再用水冲洗干净；
（3）助镀：将步骤（2）冲洗干净的钢材浸泡在助镀液中助镀，再取出烘干；
（4）热浸镀纯锌：将步骤（3）烘干后的钢材浸泡在纯锌浴中热浸镀纯锌；
（5）热浸镀高耐蚀锌合金：将步骤（4）热浸镀纯锌后的钢材直接或冷却后置于385～450℃的合金浴中浸镀，冷却后在钢材表面构筑了高耐蚀锌合金双镀层。
优选的，步骤（1）所述碱液为NaOH溶液；所述脱脂的温度为60~80 ℃，时间为2~5min。
优选的，步骤（2）所述酸性溶液为盐酸；所述浸泡的时间为3~6 min。
优选的，步骤（3）所述助镀液为NH4Cl-ZnCl2溶液；所述助镀的温度为60~80 ℃，时间为1~2 min。
优选的，步骤（4）所述纯锌浴的温度为435～460℃；所述热浸镀纯锌的时间为20~60 s。
优选的，步骤（5）中所述冷却是采用空冷或水冷冷却到室温。
优选的，步骤（5）所述浸镀所用的高耐蚀锌合金为Zn-(1-6)%Al （包含Galfan（Zn-5%Al-RE）合金）或Zn-(1-6%)Al-(0.5-3)%Mg （包含ZAM（Zn-6%Al-3%Mg）合金）等镀层耐蚀性高且熔点相对低的合金。
优选的，步骤（5）所述浸镀的时间为5～120 s。
本发明采用常规批量热浸镀锌前处理的方法对钢材表面进行镀前处理，钢材表面获得常规批量热浸镀锌层后，再在其上构筑高耐蚀锌合金层。热浸镀锌工序完成后，在进入下一道高耐蚀锌合金浸镀工序前，应进行冷却工序。冷却工序可采用空冷及水冷，目的是在镀层表面获得一层η-Zn层。然后进入下一道工艺——热浸镀高耐蚀锌合金。以高耐蚀锌合金镀层取代原有常规锌层的η-Zn层，而保留原有常规镀锌层的Fe-Zn合金相层（Γ相、δ相及ζ相）。此法克服了钢铁直接浸镀锌铝（Al>1%）合金浴时易漏镀、镀层薄（小于20m），以及镀层表面质量差等问题，构筑的双镀层叠加的结构使钢材的耐蚀性显著提高，使用寿命大大延长，且该工艺稳定、镀层质量容易控制。
本发明通过控制高耐蚀锌合金浴的合金成分（铝、镁浓度）、浸镀温度及浸镀时间，获得由高耐蚀锌合金层（Zn-Al或Zn-Al-Mg）取代原有常规镀锌层中的表面η-Zn层，而保留原有镀层中的Fe-Zn合金相层（Γ相、δ相及ζ相）。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的方法可解决高Al的高耐蚀锌合金助镀难和合金镀层薄、表面质量差的问题，提供了一种工艺稳定、镀层质量容易控制的构筑高耐蚀锌合金镀层的方法。
（2）本发明获得的镀层结合了镀锌层和合金层的双重保护作用，提高了镀层耐蚀效果，延长了钢材的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1构筑的高耐蚀锌合金镀层的结构示意图。
图2为本发明构筑高Galfan合金镀层的工艺流程图。
图3为实施例1中先预镀纯锌再镀Galfan镀层的试样截面图。
图4为实施例1中的单镀纯锌试样与双镀试样的腐蚀失重变化曲线图。
图5为实施例2中先预镀纯锌再镀Galfan镀层的试样截面图。
图6为实施例3中先预镀纯锌再镀Galfan镀层的试样截面图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
以先预镀纯锌镀层再镀Galfan镀层为例。工艺流程如图2所示，制备高耐蚀Galfan合金层的工艺流程依次为脱脂、水洗、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀纯锌、冷却、热浸镀Galfan合金、冷却。各工艺具体如下：
（1）将型号为08F的低硅钢试片 (3cm×4cm×2mm)上挂，然后放置在70 ℃、浓度为20wt%NaOH溶液中脱脂2min，再用80℃热水冲洗干净；
（2）将步骤（1）冲洗干净的低硅钢试片放置在浓度为15wt%的盐酸中浸泡5min，再用水冲洗干净；
（3）将步骤（2）冲洗干净的低硅钢试片浸泡在70℃的助镀液（15wt% NH4Cl，15 wt%ZnCl2，其余为水）中助镀1min，再取出烘干；
（4）将步骤（3）烘干后的低硅钢试片浸泡在450℃的纯锌浴中热浸镀纯锌60s；
（5）将步骤（4）热浸镀纯锌后的低硅钢试片采用空冷冷却后置于390℃的Zn-5wt%Al合金浴中浸镀15s，冷却后在钢材表面构筑了高耐蚀锌合金双镀层。
得到的镀层的结构示意图、截面组织如图1、图3所示。镀层从基材开始依次为Γ、δ、ζ、η、Galfan合金层。可以看出复合镀层保留了镀纯锌层的合金相层，η层逐渐被Galfan合金层取代，镀层整体厚度可达70μm左右。镀层兼具了纯锌镀层和Galfan镀层的两者保护性能。
选取相同数目的镀纯锌镀层的钢板试样（只进行了工艺步骤 (1) ~ (4) ）和先预镀纯锌镀层再镀Galfan镀层的钢板试样，依据GB/T 10125-2012进行中性盐雾试验 (NSS)，在清除腐蚀产物之后，得到15个实验周期内的平均腐蚀失重变化（见图4）。其中双镀合金试样的平均腐蚀失重小于单镀纯锌试样，说明双镀层合金具有更好的耐腐蚀性能。
实施例2
以先预镀纯锌镀层再镀Galfan镀层为例。工艺流程如图2所示，制备高耐蚀Galfan合金层的工艺流程依次为脱脂、水洗、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀纯锌、冷却、热浸镀Galfan合金、冷却。各工艺具体如下：
（1）将型号为08F的低硅钢试片 (3cm×4cm×2mm)上挂，然后放置在70 ℃、浓度为20wt%NaOH溶液中脱脂2min，再用80℃热水冲洗干净；
（2）将步骤（1）冲洗干净的低硅钢试片放置在浓度为15wt%的盐酸中浸泡5min，再用水冲洗干净；
（3）将步骤（2）冲洗干净的低硅钢试片浸泡在70℃的助镀液（15wt% NH4Cl，15 wt%ZnCl2，其余为水）中助镀1min，再取出烘干；
（4）将步骤（3）烘干后的低硅钢试片浸泡在450℃的纯锌浴中热浸镀纯锌60s；
（5）将步骤（4）热浸镀纯锌后的低硅钢试片采用空冷冷却后置于410℃的Zn-5wt%Al合金浴中浸镀120s，冷却后在钢材表面构筑了高耐蚀锌合金双镀层。
得到的镀层的截面组织如图5所示。镀层从基材开始依次为Γ、δ、ζ、Galfan合金层。其中η层已完全被Galfan合金层取代，镀层整体厚度超过100μm。镀层整体结构与实施例1中镀层相似。
实施例3
以先预镀纯锌镀层再镀Galfan镀层为例。工艺流程如图2所示，制备高耐蚀Galfan合金层的工艺流程依次为脱脂、水洗、酸洗、水洗、助镀、烘干、热浸镀纯锌、冷却、热浸镀Galfan合金、冷却。各工艺具体如下：
（1）将型号为08F的低硅钢试片 (3cm×4cm×2mm)上挂，然后放置在70 ℃、浓度为20wt%NaOH溶液中脱脂2min，再用80℃热水冲洗干净；
（2）将步骤（1）冲洗干净的低硅钢试片放置在浓度为15wt%的盐酸中浸泡5min，再用水冲洗干净；
（3）将步骤（2）冲洗干净的低硅钢试片浸泡在70℃的助镀液（15wt% NH4Cl，15 wt%ZnCl2，其余为水）中助镀1min，再取出烘干；
（4）将步骤（3）烘干后的低硅钢试片浸泡在450℃的纯锌浴中热浸镀纯锌60s；
（5）将步骤（4）热浸镀纯锌后的低硅钢试片采用空冷冷却后置于450℃的Zn-5wt%Al合金浴中浸镀5s，冷却后在钢材表面构筑了高耐蚀锌合金双镀层。
得到的镀层的截面组织如图6所示。镀层从基材开始依次为Γ、δ、ζ、Galfan合金层。其中η层已完全被Galfan合金层取代，镀层整体厚度可达70μm左右。镀层整体结构与实施例1中镀层相似。

Claims (10)

1.一种在钢材表面构筑高耐蚀锌合金双镀层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）脱脂：将钢材上挂，然后浸入碱液中脱脂，再用热水冲洗干净；
（2）酸洗：将步骤（1）冲洗干净的钢材放置在酸性溶液中浸泡，再用水冲洗干净；
（3）助镀：将步骤（2）冲洗干净的钢材浸泡在助镀液中助镀，再取出烘干；
（4）热浸镀纯锌：将步骤（3）烘干后的钢材浸泡在纯锌浴中热浸镀纯锌；
（5）热浸镀高耐蚀锌合金：将步骤（4）热浸镀纯锌后的钢材直接或冷却后置于385～450℃的合金浴中浸镀，冷却后在钢材表面构筑了高耐蚀锌合金双镀层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述碱液为NaOH溶液；所述脱脂的温度为60~80℃，时间为2~5 min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述酸性溶液为盐酸；所述浸泡的时间为3~6 min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述助镀液为NH4Cl-ZnCl2溶液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述助镀的温度为60-80℃，时间为1~3 min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述纯锌浴的温度为435～460℃；所述热浸镀纯锌的时间为20~60s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述冷却是采用空冷或水冷冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述合金浴所用的高耐蚀锌合金为Zn-(1-6)%Al合金或Zn-(1-6%)Al-(0.5-3)%Mg合金。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述合金浴所用的高耐蚀锌合金为Zn-5%Al-RE合金或Zn-6%Al-3%Mg合金。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）所述浸镀的时间为5～120s。
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