热浸镀铝锌硅合金工艺

1职工培训教材2006年6月目录一．热浸镀铝锌硅合金的特点及其应用二．热浸镀铝锌硅合金的化学成分、组织及形成机理三．热浸镀铝锌硅合金的工艺特点和要求21．热浸镀铝锌硅合金的特点及其应用热浸镀铝锌硅合金是在热浸镀锌和热浸镀铝两种钢铁防腐方法的基础上综合两者的优点发展起来的，因而有必要从镀锌和镀铝的特点谈起。问：与热浸镀铝相比热浸镀锌有什么特点？有化合物层是热浸镀工艺共同的特点，由于镀层金属不是直接与钢基接触，不像电镀一样镀层与钢基之间的结合力是原子之间的吸引力，而是形成化合物结合在一起的。化合物的特点是硬度高，塑性差，因而这层化合物的存在使镀层产品在加工折弯变性时的加工性能以及后期的防腐性能受到很大的影响。在热浸镀锌、镀铝、镀铝锌合金这三种镀层中，热浸镀锌的化合物层是最薄的，也是最容易控制其厚度的，在加入微量的铝之后可以更薄，因而其加工性能是最好的。当然，镀层产品的抗腐蚀性能主要取决于镀层。一般分两种情况讨论，即在镀层完好的情况下和在使用中经常出现的镀层划伤的情况下研究其防腐性能。在镀层完好的情况下，镀锌层的防腐性能不是很好，因为其腐蚀后的产物是很疏松的，不能形成致密的氧化膜保护层防止内部的组织进一步腐蚀掉，但也基本能满足各种用途的需要，特别是在进行钝化处理以后，镀锌层的防腐性能得到了大幅度的提高。镀锌层的防腐能力在镀层被划伤，钢基裸露出来之后的牺牲防腐作用中表现出其独有的优越性。镀层被划伤之后镀层对钢基的物理保护作用消失，就必须靠电化学保护作用。由于镀层金属与钢基的电极电位不同，在潮湿的环境之中会形成原电池，镀层一般失去电子作为阳极被氧化，而钢基得到电子，作为阴极被保护。由于锌的氧化物不是很致密，所以这种牺牲防腐作用较强，能一直保护钢基，直至镀锌层全部被腐蚀掉。正是热镀锌这种较好的工艺性能和镀锌板这种较强的阴极保护性能以及经济性能，使其在工业、农业和建筑业等各个领域得到广泛应用，成为当今用途最为广泛的镀层产品。问：热浸镀铝层的结构和防腐性能有什么特点？3热浸镀铝工艺是在20世纪50年代随着汽车工业的发展，人们寻求具有一定耐温状态下抗腐蚀的材料开始发展起来的。与热浸镀锌层相似，热浸镀铝层也分为外层和内层两部分。外层是纯铝结晶层，内层是Fe－Al原子相互扩散化合形成的Fe－Al化合物层。见图1。图1热浸镀铝层组织结构由于Al的原子半径与Fe相似，Al的活动能力强，液态的Al与固态的Fe之间的扩散和化合作用很强烈，因而其化合物层是最厚的，也是最难控制的。这就使其加工性能受到影响，在进行拉伸和深冲压时，往往会造成镀层龟裂甚至脱落。镀铝层的防腐蚀性能在镀层没有划伤的情况下充分体现出来。一方面由于Al表面能形成致密的32OAl保护模，使其在非常恶劣的情况下也不致进一步腐蚀，因而其抗腐蚀作用非常强。另一方面。镀铝层的抗高温氧化性能也很强，在温度低于450℃时，镀铝钢板保持着光亮的外观，500℃以上开始氧化和变色，铝和铁相互扩散，增厚其难熔而又致密的铁铝合金层，其耐热性与409不锈钢相当。一旦镀层被划破，钢基裸露在环境介质中，镀铝层的保护作用就大大减弱。虽然镀铝层像镀锌层一样有一定的阴极保护作用，但铝表面形成的致密氧化物使镀层的牺牲保护作用减弱，钢基反而先于镀层被腐蚀掉。如图2所示。图2镀铝层被划伤后的牺牲防腐原理4镀铝板这种耐高温氧化性好，而耐电化学腐蚀差和加工性能差的特点使其用途和发展受到一定的限制，镀铝硅板主要用作汽车的排气管和消音器，镀纯铝板用于建筑的屋顶和外墙。问：热浸镀铝锌硅镀层的结构及防腐性能有什么特点？镀锌层和镀铝层各有其优点和缺点，而镀55％Al－Zn－Si镀层可以说综合了两者的优点，而且又克服了两者的缺点，这是因为其特殊的镀层组织结构决定的。热浸镀55％Al－Zn－Si合金镀层的组织如图3所示，同样分为外层和内层两大部分。图3热浸镀铝锌硅层组织结构由于其Al的重量比和体积比都大于Zn，所以其结构更接近与镀铝层，但比镀锌层和镀铝层都更为复杂。其中间化合物层除了与镀铝层一样具有Al－Fe扩散形成的Al－Fe化合物层以外，由于加入了一定数量的Si，Si优先在钢基表面上形成Fe－Si的化合物层，使Al－Fe化合物层变得很薄，从而改善了其加工性能。如图4所示。图4镀铝锌硅层被划伤后的牺牲防腐原理5这样表面镀层也很复杂，又恰到好处。大量的铝先形成了极细的富铝的树枝状晶体，体积约占80％，在整个镀层中形成了微细的网络骨架，在其剩下的只有约20％的晶间空隙内是富锌的共晶组织。这两种特性各有千秋的组织的有机组合，就使得镀层具有良好的综合性能。富铝的树枝状网络奠定了镀层具有镀铝较良好的耐蚀性能和耐热氧化性能。晶间的富锌的组织又使镀层在划伤后的环境介质中与镀锌板一样具有阳极保护作用，而且腐蚀所产生的产物膜，被富铝相的网络所滞留，填充在其枝晶间的网隙处，在镀层表面形成有一定保护作用的保护模，使腐蚀速度减慢，使其耐腐蚀性能比相同厚度的镀锌层有很大的提高。问：热浸镀铝锌硅产品的性能有什么特点及使用用途？热浸镀铝锌硅镀层具有一系列和镀锌层所不具备的优点，其用途越来越广，可以说镀锌板可以使用的场合，镀铝锌硅板都可以使用，而大部分使用镀铝板的场合，也可以用镀铝锌硅板来代替。a.代替镀锌板用于耐蚀性要求较高的场合。镀铝锌硅板的耐大气腐蚀性和耐潮湿气体腐蚀性都比镀锌板优良，可以全方位的用作各种内外建筑材料及零部件。b.代替镀锌板用于加工性能要求较高的场合。其加工性能与镀锌板一样，具有良好的弯曲成型性、优良的单向延展性和焊接性，可以冷弯、冲压和焊接成各种形状的零部件。c.代替镀铝钢板用于耐热抗氧化性要求较高的场合。镀铝锌硅钢板可以用于镀锌板无法使用，只有使用镀铝板的高温环境下，如家用电器的烤箱、烘干和冷却器，汽车尾管、消音器、散热罩板等处。d.代替镀锌板和镀铝板用于彩涂印花基板。镀铝锌硅的镀层晶花小，与镀铝板和小锌花、零锌花镀锌板一样，对涂料的黏附力强，可以用作彩涂基板和印花基板。e.良好的经济性比镀锌和镀铝板的生产成本均低。镀铝锌板不但节约了大量的价格较高的铝，与镀锌板相比，同样的重量、同样的厚度、宽度的钢卷展开长度约长5％，使生产成本降低，价格提高，企业经济效益增加。问：比较镀锌板、镀铝板和镀铝锌板的性能各有什么特点？镀锌板、镀铝板和镀铝锌板各自的性能特点可用下表来概括：6表1镀锌板、镀铝板和镀铝锌板的性能特点区别耐大气腐蚀性抗高温氧化性加工性能可焊性涂装性切口保护性阳极保护作用镀锌钢板（GI）较好较好较好较好较好较好较强镀铝钢板优良优良较差较差较好较差较差镀铝锌硅钢板（GL）优良优良较好较好较好较好较强72．热浸镀铝锌硅合金的化学成分、组织及形成机理在钢板表面热浸镀铝锌硅合金是复杂的物理化学过程，在此过程中发生液态的铝锌硅与固态的铁之间的吸附、漫流、浸润、溶解以及各种元素原子之间的物理扩散和化学作用等现象。问：铝液和纯铁固体铁之间会发生怎样的物理扩散和化学作用？在55％Al－43.5Zn－1.6％Si的熔液中，由于Al的活泼性高于Zn，且Al的重量比（55％）和体积比（80％）都大于Zn，所以热镀过程中的主要物理扩散和化学作用几乎都是在Fe和Al之间发生的。如图5所示，根据物理化学原理和大量实践表明，当固态的Fe与熔融状态的Al接触时，在接触面上同时发生Fe、Al原子的相互扩散，同时在液体Al和固体Fe中形成扩散层。在铝液中首先形成的是铁铝化合物中铁最低的金属晶间化合物3FeAl。与此同时，在Fe表面上形成的是Al在Fe中的固溶体（图b）。随着Al向Fe中扩散浓度的增加，使在界面的铁基中产生化合物52AlFe（图c）。52AlFe的晶体结构较特殊，是一种斜方形图652AlFe晶格示意图图5Fe、Al原子相互扩散化合反应8的晶体结构，具有非常明显的结晶趋向，极易沿c轴以很快的速度生长，形成柱状结晶，见图6。正是52AlFe结构和结晶的特殊性，导致了镀铝时合金层较厚、生长较快的缺陷。这层硬而脆的合金层在较小的变性下，镀层内部就会产生裂纹甚至剥离，使金属基板失去其保护作用。这就是镀纯铝层加工性能不好的原因。在Al扩散到钢基内，在钢板表面形成化合物的同时，钢板上的铁原子也扩散到Al内形成化合物，这些化合物在镀浴的冲刷下，不断熔解脱落到镀浴中，形成渣相。镀Al－Zn－Si合金的另一个特点就是渣子较多。问：镀Al－Zn－Si合金中Zn含量是如何确定的镀锌板的耐腐蚀性比镀铝板较差，而镀铝板的加工性又比镀锌板差。为了获得兼有耐腐蚀性和良好的加工性能的镀层，人们做了大量的试验。通过对不同Al－Zn比例的研究，将Zn含量从0％逐渐提高到100％，浸镀温度从720℃逐渐下降到450℃，发现锌含量与热镀Al－Zn合金中Al－Fe化合物层的强度、显微硬度和厚度的关系如7图所示，从中可以看出55％Al、45％Zn的合金有良好的综合性能。进一步的研究发现其生产工艺性和使用性能也是最好的，所以确定GL产品的成分主要为55％Al，45％Zn。图7锌含量与化合物层的强度、显微硬度和厚度的关系问：镀Al－Zn－Si合金中Si有什么作用？铝液和Fe固体之间激烈的扩散和化合作用，一方面使镀层内部的化合物层厚度增加，另一方面又使镀浴中的渣相增多，这样无论是生产工艺，还是产品质量都有很坏的影响。试验表明，在Al液中加Si，可使Al－Fe之间的扩散和化合作用大幅度收到抑制，有效的防止化合物层过渡的生长。9就原子尺寸来看，Fe、Si、Al、Zn的原子直径分别为0.254nm、0.268nm、0.275nm和0.283nm，显然Si原子直径和Fe最为接近，形成Fe－Si固溶体的能量最低，相互之间的扩散最容易，其次是Fe－Al。Fe－Zn则因原子之间的尺寸已超过临界范围的15％，故Zn原子溶入Fe基体内时会引起较高的晶格变形能，因而在这三个元素中，是最困难的。所以钢板进入Al－Zn－Si镀浴之后，最先进行扩散和化合的是在Fe－Si两个元素原子之间进行，形成Fe－Si化合物，这种Fe－Si化合物会使Al－Fe之间的扩散形成障碍。当然，由于Al％比Si％高许多，Al－Fe之间的扩散还是会大量进行的。一旦52AlFe化合物形成，则决定于Al或Fe穿越52AlFe化合物层，达到生长前沿的传递速度。由于52AlFe晶格中有30％左右的空位，Al或Fe原子可以方便的通过这些空位进行扩散，所以在没有其他元素作用时，扩散速度是很快的。但是有了Si以后，Si可以占据这些空位，就使Al或Fe穿过52AlFe化合物层的速度变得很慢，因而也可以抑制化合物层的长大。硅含量对镀纯铝层的总厚度和化合物层的厚度影响曲线如图8，从中可以看出，在2％Si的范围内，含Si量对抑制化合物层厚度的作用最大，因而一般将Si控制在1.2％～2.0％左右。图8硅含量与化合物层厚度和镀层总厚度的关系问：为什么有时在镀Al－Zn－Si合金中加Re？与镀锌相比，镀55％Al－Zn合金熔液与钢板的浸润性差多了，直接影响到镀层的附着力、连续性，易产生针状漏镀的缺陷，进而影响到GL产品的耐腐蚀性能。在这方面主要可能的原因有：（1）熔液温度高而且含铝量高，铝极易被氧化，使合金的粘度和张力有所提高；（2）镀层组织是在一定温度范围内有先后顺序地凝固，组织较粗大、疏松、有孔隙。试验表明，在55％Al－Zn合金熔液中加入0.05～0.10％的Re就可以使镀层表面10质量有明显的改观，使漏镀缺陷大为减少。其作用有两个方面，一是稀土金属比铝更易氧化，在55％Al－Zn合金熔液中加入稀土可优先于Al的氧化，而抑制32OAl的产生，降低表面张力，并可在钢带进入镀浴时，减少氧化铝膜被钢带带入熔液中的倾向，不致使熔液和钢带之间被氧化铝膜隔开，浸润性受到影响。另一个作用是稀土能使镀层表面组织中的枝晶富铝相得到细化，当Re在0.1～0.2％时，晶粒细化很明显，但当Re超过0.3％以后，晶粒细化作用开始下降。113．热浸镀铝锌硅合金的工艺特点和要求与GI、GA等镀锌产品相比，GL产品工艺更为复杂，要求更高，也更难控制，主要表现在极易造成漏镀缺陷、熔炼工艺要求高、产渣量大易在辊