CN108486416A - 替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金及其加工工艺。按照重量百分比，该合金的成分为：Ca:0.2‑0.4wt.%,Mg:2.0‑4.0wt.%,In:0.5‑0.8wt.%,Al:30.0‑32.0wt.%,Ti:0.2‑0.3wt.%,Nb:0.1‑0.3wt.%,B:0.1‑0.3wt.%,余量为锌。该材料可以替代Galfan涂层材料进行热浸镀锌铝生产，且所得产品具有更高的耐腐蚀性能和生产效率。对于提升我国热浸镀行业的整体水平具有重大意义。

Description

替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种锌铝合金。

背景技术

钢材受周围介质的化学作用而损坏称为腐蚀。腐蚀时，在金属界面上发生了化学或电化学多相反应。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。据统计，每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10-20%。钢材腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算。

钢铁表面可以采用热镀锌的方法来减缓外界环境对钢材的腐蚀。钢铁热镀锌过程中，液锌和铁反应导致钢基表面层化学成分与组织结构发生变化，形成铁锌合金层。热镀锌层具有优异的防腐蚀作用，是因为在腐蚀环境中锌能在表面形成耐腐蚀性良好的薄膜。它不仅保护了锌层本身，而且保护了钢基。经热镀锌后的钢材，大大延长了使用寿命。

热镀锌工艺与其它金属防护方法相比，在镀层电化学保护性、致密性、耐久性、免维护性、镀层与基体结合力、经济性以及热镀工艺对钢件形状、尺寸的适应性、生产的高效性方面具有其它工艺无法比拟、得天独厚的优势。由于热镀锌钢材的高强耐腐蚀性能，它在建筑、动力车辆、船舶工业、海洋勘探、石油加工、家具装置业、机械工业、电子技术、容器制造业等行业中都有相当广泛的应用。

随着生产技术的不断发展，热镀纯锌工艺已不再能满足要求。向锌液中添加微量元素或大量元素，以提高镀层的耐腐蚀性能、结合力、美观程度，已经成为国内外研究的热点。热镀锌的涂层材料除Galfan外，令人最感兴趣的是Galfan。Galfan是一种含5％铝和少量混合稀土的锌基共晶合金。Galfan的特点是熔点低、流动性高，加入混合稀土金属后，除耐盐雾腐蚀寿命提高1-2倍外，其流动性和可焊性均获得必要的改善并且消除了晶间腐蚀。由于改善了镀液的流动性，降低了热镀温度，大大降低了锌的单耗及能耗，从而降低了成本。Galfan合金最大的应用市场是建筑业和汽车工业。涂层薄钢板是Galfan最大的产品领域，其次是线材和管材。

目前，Galfan热浸镀锌铝合金的材料和生产工艺仍然存在一些问题，如镀层较厚造成的产品成型性不好，连续镀锌生产线上渣滓多造成的生产成本增大等。尽管已经采用向熔池中加入合金元素，通过改变镀层中金属间化合物的种类和形成顺序来提高镀层质量或渣滓的种类。但是到目前为止，热浸镀锌铝合金中铝浓度控制不好，不但不能够提高产品质量，反而会造成镀层表而出现颗粒，甚至漏镀等缺陷，尤其是在批量热镀生产中。目前国内制造厂使用的相关技术主要依靠进口。世界冶金工业结构调整步伐加快，生产的重心将由发达国家向发展中国家转移。目前我国正处于工业化进程中，国民经济各部门的持续、快速发展和产业升级对钢铁产品的品种、质量提出了更高的要求。加快了我国冶金工业的结构调整，将具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在420-480度大气条件下使用的替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca:0.2-0.4wt.%,Mg:2.0-4.0wt.%,In:0.5-0.8wt.%,Al:30.0-32.0wt.%,Ti:0.2-0.3wt.%,Nb:0.1-0.3wt.%,B:0.1-0.3wt.%,余量为锌。该锌合金在熔炼过程因为挥发和形成炉渣等原因而损失的重量在1.0-2.0wt.%左右。

上述替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金的制备方法，包括如下步骤：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为5-8m/min。该铸锭可以当做热浸镀锌原料用于后续工序的薄板热浸镀锌处理，其中热浸镀锌的工作温度为420-480度，热浸时间为30-60秒。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）目前,热镀锌工业中常见的两种热镀锌加热方式:铁锅的外侧加热和陶瓷锌锅的上加热。陶瓷锌锅不与锌液反应，不会生成锌渣，但由于这种材料的导热性差，不能像铁锅那样采用热传导方式外侧加热，因此陶瓷锅的加热方式以上加热为主。在采用上加热时，被加热锌表面在空气中液面温度较高，由于锌液表面和空气直接接触造成锌液表面的挥发和氧化加剧。锌的非正常挥发明显增加了锌耗的非正常值，而且对环境造成了严重的污染。此外,由于覆盖在液锌表面的氧化锌的导热系数低,相当于在上加热过程中引入了一个隔热层,使得热量的从上往下传递更加困难。因而不可避免的导致能耗非正常的增加。

（2）该新型锌合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化性能。在热浸镀锌工业生产时，该合金在暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，可以提供优良的保护，防止锌合金熔体的进一步氧化和蒸发。整体而言,采用本专利的合金,锌由于氧化和挥发的非正常消耗可以长时间的维持在3-5wt.%左右。

（3）该合金的腐蚀电位与热浸镀锌层基本相同，但其腐蚀电流仅是传统Galfan镀层的0.1。这说明本专利合金镀层对钢基体能提供与传统Galfan镀层同样的阳极牺牲防护，但其消耗要慢10倍，从而能提供更长的牺牲防护时间。因而在常见的腐蚀性环境下，该材料可以安全使用30年以上而没有明显的腐蚀现象发生。相比而言，传统Galfan镀层一般工作寿命为5-10年左右。

（4）该新型热浸镀锌铝用合金同钢丝具有优异的涂层界面结构。在受到外加载荷时能够减缓裂纹扩展速率，从而提高界面的结合力。该新型合金镀层内部组织比较致密，保证了镀层各个区域性能的连续性。浸锌层表面清洁、无伤痕，表面应光滑、无锌渣、无粘渣和露铁现象。热镀钢丝经过拉拔表面光洁度提高:钢丝光洁度越高，其和腐蚀介质接触的表面积越小，腐蚀速率也就相应降低。经过拉拔，消除了镀层表面缺陷，电化学不均性减小，镀层结构更加致密。

（5）该合金在具有高的传热能力，便于陶瓷坩埚的上加热。传热系数为120-130W/m﹒K。而传统热浸镀锌铝用合金的传热系数维持在90-100 W/m﹒K。因而，该合金在陶瓷坩埚的上加热式热浸镀锌时，优异的传热性能可以使得锌埚内的温度保持均匀的状态，提升了镀层的均匀性和随后使用时的优异的防腐蚀能力。该产品质量相对稳定，比较适宜进行大规模生产。还能够活化钢铁表面，有效提升镀锌质量。可以预计，该类合金的产业化可以获得极大的经济和社会效益。在不久的将来，随着更多工程应用领域拓展，该类新型合金必将在更多的热浸镀锌中得到广泛应用。

具体实施方式

实施例1

一种替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca:0.2wt.%,Mg:2.0wt.%,In:0.5wt.%,Al:30.0wt.%,Ti:0.2wt.%,Nb:0.1wt.%,B:0.1wt.%,余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为5-8m/min。该铸锭可以当做热浸镀锌原料用于后续工序的薄板热浸镀锌处理，其中热浸镀锌的工作温度为420-480度，热浸时间为30-60秒。

该新型锌合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化性能。在热浸镀锌工业生产时，该合金在暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，可以提供优良的保护，防止锌合金熔体的进一步氧化和蒸发。该合金的腐蚀电位与热浸镀锌层基本相同，但其腐蚀电流仅是传统Galfan镀层的0.1。这说明本专利合金镀层对钢基体能提供与传统Galfan镀层同样的阳极牺牲防护，但其消耗要慢10倍，从而能提供更长的牺牲防护时间。因而在常见的腐蚀性环境下，该材料可以安全使用30年以上而没有明显的腐蚀现象发生。相比而言，传统Galfan镀层一般工作寿命为5-10年左右。这种合金的熔点比锌熔点低80-90度。因此比传统热浸镀锌能耗低，且可使钢丝保持同样的力学性能，从而是取代传统Galfan镀层及其制品的理想产品。该合金在具有高的传热能力，便于陶瓷坩埚的上加热。传热系数为125W/m﹒K。而传统热浸镀锌铝用合金的传热系数维持在90-100 W/m﹒K。因而，该合金在陶瓷坩埚的上加热式热浸镀锌时，优异的传热性能可以使得锌埚内的温度保持均匀的状态，提升了镀层的均匀性和随后使用时的优异的防腐蚀能力。

实施例2

一种替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca: 0.4wt.%,Mg: 4.0wt.%,In:0.8wt.%,Al:32.0wt.%,Ti:0.3wt.%,Nb:0.3wt.%,B:0.3wt.%,余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为5-8m/min。该铸锭可以当做热浸镀锌原料用于后续工序的薄板热浸镀锌处理，其中热浸镀锌的工作温度为420-480度，热浸时间为30-60秒。

该新型锌合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化性能。在热浸镀锌工业生产时，该合金在暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，可以提供优良的保护，防止锌合金熔体的进一步氧化和蒸发。该合金的腐蚀电位与热浸镀锌层基本相同，但其腐蚀电流仅是传统Galfan镀层的0.1。这说明本专利合金镀层对钢基体能提供与传统Galfan镀层同样的阳极牺牲防护，但其消耗要慢10倍，从而能提供更长的牺牲防护时间。因而在常见的腐蚀性环境下，该材料可以安全使用30年以上而没有明显的腐蚀现象发生。相比而言，传统Galfan镀层一般工作寿命为5-10年左右。这种合金的熔点比锌熔点低80-90度。因此比传统热浸镀锌能耗低，且可使钢丝保持同样的力学性能，从而是取代传统Galfan镀层及其制品的理想产品。该合金在具有高的传热能力，便于陶瓷坩埚的上加热。传热系数为128W/m﹒K。而传统热浸镀锌铝用合金的传热系数维持在90-100 W/m﹒K。因而，该合金在陶瓷坩埚的上加热式热浸镀锌时，优异的传热性能可以使得锌埚内的温度保持均匀的状态，提升了镀层的均匀性和随后使用时的优异的防腐蚀能力。

实施例3

一种替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金。按重量百分比计，合金的组成为：Ca:0.3wt.%,Mg:2.5wt.%,In:0.6wt.%,Al:31.0wt.%,Ti:0.2wt.%,Nb:0.2wt.%,B:0.2wt.%,余量为锌。合金的制备方法：将如上配比的原料加入到氩气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为5-8m/min。该铸锭可以当做热浸镀锌原料用于后续工序的薄板热浸镀锌处理，其中热浸镀锌的工作温度为420-480度，热浸时间为30-60秒。

该新型锌合金具有极其优异的耐挥发和耐氧化性能。在热浸镀锌工业生产时，该合金在暴露于大气中时，合金表面会生成一层氧化物和氮化物膜。这些膜结构致密，铺展性强，可以提供优良的保护，防止锌合金熔体的进一步氧化和蒸发。该合金的腐蚀电位与热浸镀锌层基本相同，但其腐蚀电流仅是传统Galfan镀层的0.1。这说明本专利合金镀层对钢基体能提供与传统Galfan镀层同样的阳极牺牲防护，但其消耗要慢10倍，从而能提供更长的牺牲防护时间。因而在常见的腐蚀性环境下，该材料可以安全使用30年以上而没有明显的腐蚀现象发生。相比而言，传统Galfan镀层一般工作寿命为5-10年左右。这种合金的熔点比锌熔点低80-90度。因此比传统热浸镀锌能耗低，且可使钢丝保持同样的力学性能，从而是取代传统Galfan镀层及其制品的理想产品。该合金在具有高的传热能力，便于陶瓷坩埚的上加热。传热系数为124W/m﹒K。而传统热浸镀锌铝用合金的传热系数维持在90-100 W/m﹒K。因而，该合金在陶瓷坩埚的上加热式热浸镀锌时，优异的传热性能可以使得锌埚内的温度保持均匀的状态，提升了镀层的均匀性和随后使用时的优异的防腐蚀能力。

Claims (3)

1.一种替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金；按重量百分比计，合金的组成为：Ca:0.2-0.4wt.%,Mg:2.0-4.0wt.%,In:0.5-0.8wt.%,Al:30.0-32.0wt.%,Ti:0.2-0.3wt.%,Nb:0.1-0.3wt.%,B:0.1-0.3wt.%,余量为锌。

2.根据权利要求1所述替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金，其特征在于包括如下步骤：将如上配比的原料加入到大气保护的感应电炉内，并采用碳化硅坩埚；感应加热到500-600度形成合金溶液，并利用电磁搅拌效应充分搅拌10分钟左右；将合金液体在500-600度保温静置10分钟后浇铸到热顶同水平设备内进行半连续铸造成所需要的圆锭，铸锭下移速度为5-8m/min。

3.根据权利要求1所述替代Galfan涂层材料上加热耐挥发热浸镀锌铝合金，其特征在于包含如下加工步骤：该铸锭可以当做热浸镀锌原料用于后续工序的钢板热浸镀锌处理，其中热浸镀锌的工作温度为420-480度，热浸时间为30-60秒。