CN117230335A - 一种基于细化zam合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法，首先将ZAM合金升温至660℃，待合金液完全熔化后，加入按比例配置好的Al‑10Ca中间合金以及需要补充的锌块、镁块；保温30min后浇铸，得到热浸镀所需的母合金；然后在460℃将合金块重熔，保温10min；把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷。采用本发明可以明显细化锌铝镁合金镀层中的Zn/Al/MgZn2三元共晶组织，使锌铝镁合金镀层的耐腐蚀性得到明显提高。
Description
技术领域
本发明属于热浸镀锌铝镁合金领域，具体涉及到一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法。
背景技术
钢铁作为现代工业中应用最为广泛地材料，在许多环境中(海水、土壤、大气等)极易发生腐蚀。据统计，每年因腐蚀而报废的钢铁材料占全球钢铁年产量的五分之一左右。钢铁腐蚀不仅造成严重的经济损失，甚至会威胁到人们的生命安全以及对环境的污染与破坏。因此，对于钢铁腐蚀与防护的研究刻不容缓。
目前，热浸镀锌工艺被认为是对钢铁保护最直接、最有效的方法之一，在汽车、航空、通讯、建筑等领域有着广泛地应用。随着经济社会的发展，人们对镀层质量要求的不断提高，传统的纯锌镀层已经不符合生产、使用的标准。对于新型高品质镀层的开发成为当下研究的热门。
为了改善热浸镀锌钢板的镀层厚度、表面质量、机械性能以及耐腐蚀性，往往采用微合金化的方法，也就是在锌浴中加入某些特定的合金元素。合金元素的加入会影响锌浴的熔点、粘度、表面张力等，进而改变了镀层中金属间化合物的生长行为，最终改变了镀层的性能。例如在热浸镀Zn-Al合金中加入Ti元素，不仅可以改善镀层的表面质量，还可以细化合金镀层组织。由于Ti的加入可以使合金镀层表面形成了一层致密的氧化膜，从而提高了合金镀层的耐蚀性。而在锌池中加入少量的Mg，可以提高锌浴的流动性，并且抑制镀层的过度生长。
童晨等人在研究Mg含量对Zn-6％Al镀层影响时，发现Mg含量在3％时，合金镀层三元共晶组织层片间距减小，组织均匀致密，镀层的耐蚀性能最佳。因此，通过微合金化的方法进一步细化Zn-6％Al-3％Mg合金镀层中的三元共晶组织，提升镀层的耐蚀性能成为了当下的研究之重。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法，包括，
按质量百分比称量Zn-6％Al-3％Mg合金、Zn锭、Mg锭和Al-10Ca中间合金，其中，质量百分比为：6.0wt.％Al，3wt.％Mg，0.03％～0.15wt.％Ca，余量为Zn；
将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块；
随炉升温，搅拌，将Al-10Ca中间合金、Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化；
待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂；
降炉温、保温，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金；
将母合金重熔、保温后，把预处理后钢板放入合金液中浸镀，取出后空冷，制得合金镀层。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：Ca元素的最佳含量为0.06～0.12wt.％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：Ca元素的最佳含量为0.09wt.％。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述随炉升温，搅拌，将Al-10Ca中间合金、Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化，其中，升温至660℃。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述降炉温、保温，其中，降炉温至440～460℃，保温时间为30～45min。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述降炉温至460℃，保温时间为30min。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述将母合金重熔、保温，其中，重熔温度为440～460℃，保温时间为10～20min。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述重熔温度为460℃，保温时间为10min。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述浸镀时间为3～6min。
作为本发明所述方法的一种优选方案，其中：所述浸镀时间为3min。
本发明有益效果：
本发明提供一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法，制备的锌铝镁合金镀层，镀层中的共晶组织明显细化；同时，镀层的耐腐蚀性得到了提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg合金镀层的显微组织照片；
图2是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.03％Ca合金镀层的显微组织照片；
图3是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.06％Ca合金镀层的显微组织照片；
图4是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.09％Ca合金镀层的显微组织照片；
图5是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.12％Ca合金镀层的显微组织照片；
图6是本发明制备的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.15％Ca合金镀层的显微组织照片。
图7是本发明中制得的合金镀层的性盐雾试验法评定的耐蚀性能对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
(1)按比称量好Zn-6Al-3Mg合金块、Zn块、Mg块和Al-10Ca合金块，按质量百分比计，合金的成分为：Al6.0％、Mg3％、Ca0.03％、余量为Zn，相应的合金为Zn-6％Al-3％Mg-0.03％Ca。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块。
(3)随炉升温至660℃，搅拌，将Al-10Ca中间合金、需要补充的Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化。
(4)待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，将炉温降至460℃保温30min，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金。
(5)将母合金在460℃重熔，保温10min后，把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用；
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.03％Ca合金镀层的扫描电镜照片如图2所示，可以看出：镀层组织中共晶组织细化，合金层厚度也略微减小。
实施例2
(1)按比称量好Zn-6Al-3Mg合金块、Zn块、Mg块和Al-10Ca合金块，按质量百分比计，合金的成分为：Al6.0％、Mg3％、Ca0.06％、余量为Zn，相应的合金为Zn-6％Al-3％Mg-0.06％Ca。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块。
(3)随炉升温至660℃，搅拌，将Al-10Ca中间合金、需要补充的Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化。
(4)待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，将炉温降至460℃保温30min，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金。
(5)将母合金在460℃重熔，保温10min后，把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用；
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.06％Ca合金镀层的扫描电镜照片如图3所示，可以看出：合金层厚度继续减小，同时镀层组织中的共晶组织完全细化，镀层组织更加的致密。
实施例3
(1)按比称量好Zn-6Al-3Mg合金块、Zn块、Mg块和Al-10Ca合金块，按质量百分比计，合金的成分为：Al6.0％、Mg3％、Ca0.09％、余量为Zn，相应的合金为Zn-6％Al-3％Mg-0.09％Ca。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块。
(3)随炉升温至660℃，搅拌，将Al-10Ca中间合金、需要补充的Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化。
(4)待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，将炉温降至460℃保温30min，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金。
(5)将母合金在460℃重熔，保温10min后，把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用；
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.09％Ca合金镀层的扫描电镜照片如图4所示，可以看出：Fe-Al合金层厚度降至最低，镀层组织中共晶组织细化程度跟实施例3相近，镀层组织均匀致密。
实施例4
(1)按比称量好Zn-6Al-3Mg合金块、Zn块、Mg块和Al-10Ca合金块，按质量百分比计，合金的成分为：Al6.0％、Mg3％、Ca0.12％、余量为Zn，相应的合金为Zn-6％Al-3％Mg-0.12％Ca。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块。
(3)随炉升温至660℃，搅拌，将Al-10Ca中间合金、需要补充的Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化。
(4)待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，将炉温降至460℃保温30min，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金。
(5)将母合金在460℃重熔。保温10min后，把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用；
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.12％Ca合金镀层的扫描电镜照片如图5所示，可以看出：Fe-Al合金层厚度略有上升，镀层组织中的共晶组织尺寸也逐渐变大。
实施例5
(1)按比称量好Zn-6Al-3Mg合金块、Zn块、Mg块和Al-10Ca合金块，按质量百分比计，合金的成分为：Al6.0％、Mg3％、Ca0.15％、余量为Zn，相应的合金为Zn-6％Al-3％Mg-0.15％Ca。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块；
(3)随炉升温至660℃，搅拌，将Al-10Ca中间合金、需要补充的Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化。
(4)待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，将炉温降至460℃保温30min，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金。
(5)将母合金在460℃重熔。保温10min后，把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用。
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg-0.15％Ca合金镀层的扫描电镜照片如图6所示，可以看出：Fe-Al合金层厚度停止变化，厚度尺寸与实施例4相近。
而镀层组织中的共晶组织尺寸相较于实施例4有所增加。
对比例1
(1)按质量百分比称量Zn-6％Al-3％Mg合金。
(2)将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入Zn-6％Al-3％Mg合金块。
(3)随炉升温至460℃，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂(由KCl、NaCl、Na3AlF6按照质量比4:5:1的混合物)，保温30min后，浇铸到金属型模具中，得到了ZAM母合金。
(4)将母合金在460℃重熔；保温10min后，把前处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷，其中，Q235钢板的预处理工艺为：
将Q235钢板放入15％NaOH水溶液中，在60℃下碱洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；然后放入10％盐酸溶液中，在室温下酸洗5min，取出后用水冲洗，并吹干；最后放入助镀剂(NH4Cl+ZnCl2+SnCl2+KCI混合水溶液，其浓度分别为170g/L、230g/L、50g/L、100g/L)中，在80℃下浸泡10min。取出后，放入干燥箱中备用。
通过上述步骤得到的热浸镀Zn-6％Al-3％Mg合金镀层的扫描电镜照片如图1所示，可以看出：镀层组织中共晶组织较为粗大，合金层厚度较大。
本发明实验采用中性盐雾试验法来评定镀层的耐蚀性能：
首先配置好5wt.％NaCl溶液并加入到盐雾箱中；
使用无水乙醇洗刷试样的表面，并用吹风机吹干；
用游标卡尺测量试样的尺寸，得出表面积S；
接着用电子天平称量试样的重量；
待所有测量完毕后，将试样放入盐雾箱，同时盐雾箱的温度需要控制在35±2℃，pH＝6.5～7.2。
试样与水平方向呈65±5°，腐蚀时间为30天。
每隔6天将试样取出，用水冲洗3min，并放在100℃的干燥箱中干燥30min后称重，得出的变化曲线如图7所示。
本研究采用增重法衡量样品的腐蚀速率，以此来评价Ca元素对镀层耐蚀性能的影响，其计算公式为：
V＝(W2-W1)·S-1·T-1
式中，V：镀锌板的腐蚀速率，单位g·m-2·h-1；
W1：腐蚀前试样的重量，g；
W2：腐蚀后试样的重量，g；
S：试样暴露面积，m2；
T：腐蚀周期，h。
将称量得到的镀层腐蚀前后的质量带入到计算公式中，得到不同Ca含量镀层的腐蚀速率，如下表1所示。
表1
结果表明：随着Ca元素的加入，Zn-6％Al-3％Mg合金镀层的腐蚀速率不断降低；而镀层的腐蚀速率越低，耐蚀性能就越高。
当Ca含量为0.09％时，腐蚀速率降至最低，达到0.4444g·m-2·h-1。因此Zn-6％Al-3％Mg-0.09％Ca的合金镀层耐蚀性能最佳。
综上，本发明提供一种通过加入微量钙元素细化ZAM合金镀层共晶组织及提高镀层耐蚀性的方法，首先将ZAM合金升温至660℃，待合金液完全熔化后，加入按比例配置好的Al-10Ca中间合金以及需要补充的锌块、镁块；保温30min后浇铸，得到热浸镀所需的母合金。然后在460℃将合金块重熔，保温10min；把预处理后的Q235钢板放入合金液中浸镀3min，取出后空冷；采用本发明可以明显细化锌铝镁合金镀层中的Zn/Al/MgZn2三元共晶组织，使锌铝镁合金镀层的耐腐蚀性得到明显提高。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的范围当中。
Claims (10)
1.一种基于细化ZAM合金镀层共晶组织提高镀层耐蚀性的方法，其特征在于：包括，
按质量百分比称量Zn-6％Al-3％Mg合金、Zn锭、Mg锭和Al-10Ca中间合金，其中，质量百分比为：6.0wt.％Al，3wt.％Mg，0.03％～0.15wt.％Ca，余量为Zn；
将石墨坩埚放入中频感应炉内，放入称量好的Zn-6％Al-3％Mg合金块；
随炉升温，搅拌，将Al-10Ca中间合金、Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化；
待其完全熔化后，搅拌，刮渣，在合金液表面加上一层覆盖剂；
降炉温、保温，浇铸到金属型模具中，得到含钙元素的母合金；
将母合金重熔、保温后，把预处理后钢板放入合金液中浸镀，取出后空冷，制得合金镀层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：Ca元素的最佳含量为0.06～0.12wt.％。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：Ca元素的最佳含量为0.09wt.％。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述随炉升温，搅拌，将Al-10Ca中间合金、Zn块、Mg块按压至合金液底部熔化，其中，升温至660℃。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述降炉温、保温，其中，降炉温至440～460℃，保温时间为30～45min。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述降炉温至460℃，保温时间为30min。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述将母合金重熔、保温，其中，重熔温度为440～460℃，保温时间为10～20min。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述重熔温度为460℃，保温时间为10min。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述浸镀时间为3～6min。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述浸镀时间为3min。
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