CN112593173A - 一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，按元素重量百分比，该阳极合金镀层成分为Sn:1‑5％，Ni:0.05‑0.2％，Co:0.05‑0.5％，其余为Zn和不可避免的杂质。制备方法为：先对钢材表面进行镀前预处理，再配置热浸镀Zn‑Sn‑Ni‑Co合金溶液，最后对钢材进行热浸镀。本发明旨在通过向锌液中添加Sn、Ni、Co合金元素，解决钢材在热浸镀过程中出现的镀层灰暗、镀层过厚、镀层与基体结合强度过低等硅反应性问题，得到了具有表面光亮、结合力强、耐蚀性能强等优点的热浸镀锌合金镀层，有效提高了热浸镀锌合金镀层的性能，提高了效益。

Description

一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法
技术领域
本发明属于钢材热浸镀锌技术领域，具体涉及一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法。
背景技术
钢铁行业在我国的国民经济中占有重要地位，钢铁材料也是各种行业中使用最多最广的材料，但由于钢铁材料在各种因素下所产生的腐蚀带来了巨大的安全威胁、财产损失，环境破坏，因此做好钢铁的防腐蚀工作对我国的经济建设、环境保护、资源利用等方面起着重要的作用。热浸镀锌作为一种经济且有效的钢铁防腐蚀方法，被广泛应用于建筑、汽车、输电铁塔等领域。
在热浸镀锌过程中，钢中的硅元素会使镀层出现表面灰暗、厚度过度生长、与钢基体的结合力过低、耐蚀性能差等硅反应性问题，而高硅钢的硅反应性问题则更加明显，这些问题带来的损失长期困扰着镀锌产业。
本发明通过往合金元素中添加Sn、Ni、Co元素制备合金镀层，旨在解决高硅钢热浸镀锌时出现的硅反应性问题，改善镀层组织结构，抑制镀层过度生长，提高镀层的耐蚀性。
发明内容
本发明的目的在于针对钢材在热浸镀锌过程中出现的问题，克服目前热浸镀锌中存在的硅反应性问题，提高镀锌层对于钢材的保护能力，节约生产成本，提供能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法。通过本发明方法在含硅钢材表面热浸镀形成的Zn-Sn-Ni-Co阳极合金镀层具有优秀的防腐蚀性能和廉价的生产成本，对于含硅钢材的应用有着非凡的意义。
本发明还提供了一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，包括如下步骤：
(1)含硅钢材前处理
对含硅钢材进行表面预磨处理后，依次进行碱洗除油和酸洗除锈，清水冲洗后干燥待用。
进一步提供了碱洗除油方法：在70-80℃的15％±0.5％NaOH水溶液中除油后再在清水下冲洗。
进一步提供了酸洗除锈方法：在常温下的15％±0.5％HCl水溶液中除锈后用清水冲洗。
(2)将步骤(1)中前处理后的含硅钢材在70-80℃的助镀溶液中浸泡时间至少为3min分钟，进行助镀处理，助镀完成后烘干备用。
进一步提供了含硅钢材助镀完成后的干燥方法：在100±5℃的鼓风干燥箱中烘至干燥(烘干时间一般为10分钟左右)。
其中，助镀水溶液为中含有400±10g/L的ZnCl2、60±5g/L的SnCl2和6±2g/L的CeCl2，进一步优选400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2。
(3)钢材进行热浸镀锌，将步骤(2)中助镀处理并干燥后的含硅钢材置于Zn-Sn-Ni-Co合金溶液中，浸镀温度为450-460℃，浸镀时间为30-300秒，浸镀完成后空冷；
含硅钢材浸入锌合金溶液前进行400-500℃的预热处理。
进一步提供了步骤(3)中Zn-Sn-Ni-Co合金溶液组分：包含如下重量组分：Sn:1-5％，Ni:0.05-0.2％，Co:0.05-0.5％，其余为Zn和不可避免的杂质。
更进一步的提供了步骤(3)中的Zn-Sn-Ni-Co合金溶液的配制，包括如下步骤：将纯锌完全熔化并保温500-550℃，依次加入纯Sn、Zn-Ni中间合金、Zn-Co中间合金及Al，并控制Zn-Sn-Ni-Co合金溶液中Al的含量为0.005％～0.01％的Al，加入干燥的六氯乙烷精炼剂除气除渣，搅拌均匀静置至纯Sn、Zn-Ni中间合金及Zn-Co中间合金充分溶解在锌池中，其中Al可以在镀液表面形成一层保护膜，防止镀液在保温过程中被氧化；
进一步提供了Zn-Sn-Ni-Co合金溶液的配制中所用原料情况：所述纯锌和纯锡的纯度均大于99.99％；Zn-Ni中间合金中Ni的质量百分比为2％～3％；Zn-Co中间合金中Co的质量百分比为2％～3％。
进一步提供了Zn-2％Ni和Zn-3％Co中间合金的制备方法：Zn-2％Ni中间合金采用原料为纯度为99.99％的高纯Zn粒和纯度为99.99％的高纯Ni粉，Zn-3％Co中间合金采用原料为纯度为99.99％的高纯Zn粒和纯度为99.99％的高纯Co粉，将纯度为99.99％的高纯Zn粒和纯度为99.99％的高纯Ni粉，或者纯度为99.99％的高纯Zn粒和纯度为99.99％的高纯Co粉分别按照质量百分比混合均匀后封装于真空石英管中用高温箱式炉在850±10℃下进行熔炼，制得所述Zn-2％Ni中间合金、Zn-3％Co中间合金。
六氯乙烷精炼剂可以市售获得。
与现有技术相比，本发明取得的有益技术效果为：本发明的热浸镀锌合金阳极合金镀层的原材料来源广泛，生产成本低。镀锌液中添加Sn可以改善锌池表面光洁度，改善镀层表面灰暗的情形，同时会在镀层表面形成锌花，提高镀层的美观性。同时由于Sn元素的在铁锌化合物之间的溶解度较低会使Sn在镀层生长过程中被不断向外扩散，富集于ζ层与η之间，阻碍镀层进一步生长。
镀锌液中添加Ni元素会在ζ层与自由锌层界面间形成Zn-Fe-Ni三元化合物相，可有效抑制硅反应性的发生并增强镀层的耐蚀性能，但Ni含量的增加会同时产生更多的三元化合物，会使镀锌液中出现较多的锌渣，从而影响镀锌层质量，因此Ni含量添加不宜超过0.2％。镀锌液中加入Co元素会使镀层中疏松的ζ相转变为富Co的ζ相从而避免了Si元素在Zn-Fe界面间的富集，切断了液体通道，从而抑制硅反应性的发生。
同时，Ni、Co的加入会减少Sn含量的添加，仅需要加入微量的Ni、Co就能使Sn的用量大大减少，减少经济成本。Sn、Ni、Co元素会在ζ相与η相之间形成多元化合物相，起到协同作用，切断液体通道，阻止锌液向基体扩散，从而控制镀层生长。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为实施例1中Zn-0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn镀层组织扫描电镜图。
图2为实施例1中Zn-0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn镀层极化曲线图。
图3为实施例2中Zn-0.2％Co-0.06％Ni-1.5％Sn镀层组织扫描电镜图。
图4为实施例2中Zn-0.2％Co-0.06％Ni-1.5％Sn镀层极化曲线图。
图5为实施例1与对照例1和对照例2中在添加0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.06％Ni-1.5％Sn和仅添加1.5％Sn的镀液中浸镀得到的合金镀层的极化曲线图。
图6为实施例2与对照例1和对照例2中在添加0.2％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.06％Ni-1.5％Sn和仅添加1.5％Sn的镀液中浸镀得到的合金镀层的极化曲线图。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述：
以下实施例中，Zn-Ni中间合金由如下方法制得：将纯度为99.99％的纯Zn粒和纯度为99.99％的纯Ni粉，按照设定质量百分比混合均匀后封装于真空石英管中用高温箱式炉在850±10℃下进行熔炼，制得所述Zn-Ni中间合金。Zn-Co中间合金由如下方法制得：将纯度为99.99％的纯Zn粒和纯度为99.99％的纯Co粉，按照设定的质量百分比混合均匀后封装于真空石英管中用高温箱式炉在850±10℃下进行熔炼，制得所述Zn-3Co中间合金。
实施例1
一种热浸镀Zn-Sn-Ni-Co阳极合金镀层及其制备方法，包括如下步骤：
提供Q235钢，采用水磨机打磨去钢材表面铁锈后，在80℃的15％的NaOH水溶液中洗去表面油污后用清水冲洗，然后再常温下的15％HCl水溶液中洗去表面铁锈后用清水冲洗，之后在80℃的助镀溶液中进行助镀处理，助镀5分钟后取出，在100℃的鼓风干燥箱中烘干10分钟后取出待镀，助镀溶液中溶解有400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2。将纯锌1857g在坩埚电阻炉中完全熔化并保温550℃，加入30g纯Sn，加入Zn-2％Ni中间合金60g，加入Zn-3％Co中间合金53.3g，加入0.1g的纯Al，用六氯乙烷精炼剂除气除渣后，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，将处理完成的Q235钢在配置的Zn-0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn合金溶液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷。Zn-Sn-Ni-Co合金镀层组织见附图1，附图2为镀层的极化曲线图。
实施例2
一种热浸镀Zn-Sn-Ni-Co阳极合金镀层及其制备方法，包括如下步骤：
提供Q345钢，采用水磨机打磨去钢材表面铁锈后，在80℃的15％的NaOH水溶液中洗去表面油污后用清水冲洗，然后再常温下的15％HCl水溶液中洗去表面铁锈后用清水冲洗，之后在80℃的助镀溶液进行助镀处理，助镀溶液中溶解有400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2，助镀5分钟后取出，在100℃的鼓风干燥箱中烘干10分钟后取出待镀。将纯锌1778g在坩埚电阻炉中完全熔化并保温550℃，加入30g纯Sn，加入Zn-2％Ni中间合金60g，加入Zn-3％Co中间合金133.3g，加入0.1g的纯Al，用六氯乙烷精炼剂除气除渣后，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，将处理完成的Q235钢在配置的Zn-0.2％Co-0.06％Ni-1.5％Sn合金溶液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷。Zn-Sn-Ni-Co合金镀层组织见附图3，附图4为镀层的极化曲线图。
实施例3
一种热浸镀Zn-Sn-Ni-Co阳极合金镀层及其制备方法，包括如下步骤：
提供Q235钢，采用水磨机打磨去钢材表面铁锈后，在80℃的15％的NaOH水溶液中洗去表面油污后用清水冲洗，然后再常温下的15％HCl水溶液中洗去表面铁锈后用清水冲洗，之后在80℃的助镀溶液进行助镀处理，助镀溶液中溶解有400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2，助镀5分钟后取出，在100℃的鼓风干燥箱中烘干10分钟后取出待镀。将纯锌1830g在坩埚电阻炉中完全熔化并保温550℃，加入30g纯Sn，加入Zn-2％Ni中间合金60g，加入Zn-3％Co中间合金80g，加入0.1g的纯Al，用六氯乙烷精炼剂除气除渣后，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，将处理完成的Q235钢在配置的Zn-0.12％Co-0.06％Ni-1.5％Sn合金溶液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷。
实施例4
一种热浸镀Zn-Sn-Ni-Co阳极合金镀层及其制备方法，包括如下步骤：
提供Q345钢，采用水磨机打磨去钢材表面铁锈后，在80℃的15％的NaOH水溶液中洗去表面油污后用清水冲洗，然后再常温下的15％HCl水溶液中洗去表面铁锈后用清水冲洗，之后在80℃的助镀溶液进行助镀处理，助镀溶液中溶解有400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2，助镀5分钟后取出，在100℃的鼓风干燥箱中烘干10分钟后取出待镀。将纯锌1710g在坩埚电阻炉中完全熔化并保温550℃，加入30g纯Sn，加入Zn-2％Ni中间合金60g，加入Zn-3％Co中间合金200g，加入0.1g的纯Al，用六氯乙烷精炼剂除气除渣后，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，将处理完成的Q235钢在配置的Zn-0.3％Co-0.06％Ni-1.5％Sn合金溶液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷。
对照例1
参照实施例1，配置Zn-0.06％Ni-1.5％Sn合金溶液，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，提供Q235钢和Q345钢在中镀液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷，获得Zn-0.06％Ni-1.5％Sn合金镀层。
对照例2
参照实施例1和实施例2，配置Zn-1.5％Sn合金溶液，使用中频感应炉将镀液温度控制在450℃，提供Q235钢和Q345钢在中镀液中浸镀5min，取出甩去表面多余的自由锌层后空冷，获得Zn-1.5％Sn合金镀层。
附图5为Q235钢在添加0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.06％Ni-1.5％Sn和仅添加1.5％Sn的镀液中浸镀得到的合金镀层的极化曲线图，由图可知，添加Ni元素的镀层腐蚀电流减小，添加Co元素的镀层腐蚀电流进一步减小，提高了镀层的耐蚀性能。
附图6为Q345钢在添加0.2％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.08％Co-0.06％Ni-1.5％Sn、添加0.06％Ni-1.5％Sn和添加1.5％Sn的镀液中浸镀得到的合金镀层的极化曲线图，由图可知，添加0.2％Co相比0.08％Co的镀层腐蚀电流进一步减小，镀层的耐蚀性能得到了提升。
以上所述仅为本发明较优的实施方式，但本发明的保护范围并不限制于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所做的任何等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)含硅钢材前处理
对含硅钢材进行表面预磨处理后，依次进行碱洗除油和酸洗除锈，清水冲洗后干燥待用；
(2)将步骤(1)中前处理后的含硅钢材在70-80℃的助镀溶液中浸泡时间至少为3min分钟，进行助镀处理，助镀完成后烘干备用；
其中，助镀水溶液为中含有400±10g/L的ZnCl2、60±5g/L的SnCl2和6±2g/L的CeCl2；
(3)钢材进行热浸镀锌，将步骤(2)中助镀处理并干燥后的含硅钢材置于Zn-Sn-Ni-Co合金溶液中，浸镀温度为450-460℃，浸镀时间为30-300秒，浸镀完成后空冷；
含硅钢材浸入锌合金溶液前进行400-500℃的预热处理。
2.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：所述碱洗除油的方法为：在70-80℃的15％±0.5％NaOH水溶液中除油后再在清水下冲洗。
3.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：所述酸洗除锈的方法为：在常温下的15％±0.5％HCl水溶液中除锈后用清水冲洗。
4.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：所述含硅钢材助镀完成后的干燥方法：在100±5℃的鼓风干燥箱中烘至干燥。
5.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：助镀水溶液为中含有400g/L的ZnCl2、60g/L的SnCl2和6g/L的CeCl2。
6.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：步骤(3)中Zn-Sn-Ni-Co合金溶液组分：包含如下重量组分：Sn:1-5％，Ni:0.05-0.2％，Co:0.05-0.5％，其余为Zn和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：步骤(3)中的Zn-Sn-Ni-Co合金溶液由如下步骤制得：将纯锌完全熔化并保温500-550℃，依次加入纯锡、Zn-Ni中间合金、Zn-Co中间合金及Al，并控制Zn-Sn-Ni-Co合金溶液中Al的含量为0.005％～0.01％的Al，加入干燥的六氯乙烷精炼剂除气除渣，搅拌均匀静置至纯Sn、Zn-Ni中间合金及Zn-Co中间合金充分溶解在锌池中。
8.根据权利要求7所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：所述纯锌和纯锡的纯度均大于99.99％；Zn-Ni中间合金中Ni的质量百分比为2％～3％；Zn-Co中间合金中Co的质量百分比为2％～3％。
9.根据权利要求7所述的能够避免硅反应的含硅钢材热浸镀方法，其特征在于：Zn-Ni中间合金由如下方法制得：将纯度为99.99％的纯Zn粒和纯度为99.99％的纯Ni粉，按照设定质量百分比混合均匀后封装于真空石英管中用高温箱式炉在850±10℃下进行熔炼，制得所述Zn-Ni中间合金。
和/或Zn-Co中间合金由如下方法制得：将纯度为99.99％的纯Zn粒和纯度为99.99％的纯Co粉，按照设定的质量百分比混合均匀后封装于真空石英管中用高温箱式炉在850±10℃下进行熔炼，制得所述Zn-3Co中间合金。
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CN115927913A (zh) * 2022-12-16 2023-04-07 中国矿业大学 含Mg2Zn11-Zn三叶形共晶组织的锌镁铜合金
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