[发明专利]一种热浸镀锌稀土复合层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面热浸镀技术领域，特别涉及一种高耐蚀性的ZnO颗粒和碳纳米管复合强化的稀土热浸镀锌层，目的在于提高镀锌层的常温和高温强度、耐磨性，并降低生产成本。

背景技术

为了提高钢材的使用寿命，防止在各种自然环境条件下遭受腐蚀，使用表面涂覆镍或锌镀层的方法是非常有效的，可以采用的镀层方法有机械镀、化学镀、电镀和热浸镀，其中稀土热浸镀锌因成本低、工艺简单、效率高的优点广受关注，使用范围广；众所周知，镀锌层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力，为达到提高耐蚀能力的目的，已在镀锌液的改良方面进行了长期探索，主要研究结果有：

第一种途径是改变镀锌液中的合金组分，比如在锌液中加入RE、Al、Ti、Ni、Zr等元素，存在成本高、易偏析、分散度难控制、中间相形貌和尺寸控制难的问题； 

第二种途径是制备复合镀层，即在镀锌液中加入强化相；强化相的引入方法有以下几类：

a. 直接在锌液中加入颗粒；报道的颗粒有ZrO₂、Mg₂Si、Al₃Ti、Ce₂O₃等，存在颗粒尺寸大、界面反应多的问题；

b. 制备颗粒强化锌基复合材料粉体，文献报道用用高能球磨粉末冶金方法制备分散均匀的纳米CeO₂/Zn复合材料，作成中间体将纳米CeO₂带入热镀锌镀中，存在的不足之处是纳米复合材料粉体在基体中容易团聚，影响其效能发挥；

可以看出：任何外加的增强相都会因界面反应和分散问题影响到增强效果、镀锌表面质量及其性能。

再者，碳纳米管是性能独特的新型碳材料，是由石墨烯片层卷曲形成的无缝、中空管体，具有极高的强度、韧性和弹性模量，是一种理想的金属基（比如铝、镁基等）复合材料的增强体；目前作为增强相存在的主要问题是：传统复合材料制备方法往往难以将碳纳米管均匀分散到基体中，曾有文献报道了采用硫酸盐镀锌和氯化物体系作为基础镀液，再将碳管分散其中，即采用复合电沉积方法制备Zn/碳纳米管薄膜。

本发明提供一种制备热浸镀锌用锌基原位复合材料的原料配方和复合熔体的合成方法，特别注重颗粒相ZnO与基体Zn有晶格匹配关系，可以起到细晶目的；本发明的实验发现：碳纳米管在强化基体的作用之外，还对“盐-金属”间的原位反应过程中发挥催化效应，可促进原位反应，提高原位反应速率以及生成物产率，使得颗粒实际体积分数更接近理论体积分数，即提高强化相的收得率（实际体积分数/理论体积分数），本发明将碳纳米管与原位反应原料稀土碳酸盐一起加入锌液，在催化制备ZnO纳米颗粒的同时，与颗粒一起作为强化相混杂增强锌基复合材料通体；并可在热浸镀锌过程中起到表面活性物质，提高镀锌效率并改善镀层光滑度的作用，“碳纳米管的催化效应”以及“纳米颗粒与碳纳米管混杂强化锌基复合材料”的方法和材料在前期文献中未见报道。

本专利中进一步优化了复合镀液的设计和制备方法，为进一步促进原位反应速率和产率，在合成过程中使用了“底吹气耦合超声场”方法，即将底吹气搅拌熔体与超声场的功能相耦合，起到了改善合成动力学条件的目的，与锌熔体中加入纳米管，并选择“底吹气耦合超声场”方法促其分散。

关于将物理场应用到新材料制备的研究，现有文献报道的成果主要有以下几方面：

第一，选择不同类型的单一或复合电磁场，如电磁搅拌、脉冲磁场、高频磁场等；或选择不同功率的电场和超声场，应用到新型金属材料合成和凝固过程中；

第二，根据物理场之间的相互关联来设计耦合场，如专利ZL200810234978.9提供一种电磁场和超声耦合场制备铝基复合材料的方法；专利ZL200810234979.3提供一种组合电磁场下原位合成金属基复合材料的方法；专利201110037708.0提供一种电流与磁场复合作用下合成颗粒增强复合材料的方法；专利201110037689.1提供一种电场和超声耦合场制备金属基复合材料，等等，但是未见文献关于物理场和机械方法相耦合进而改善材料制备条件的报道，本发明根据实验结果，将超声场作用和底吹气作用共同作用于材料合成过程，起到改善合成条件的目的。

综合认为，本发明致力于改善现有钢丝热浸稀土镀锌层的组织和性能，综合利用“原位反应”、“混杂强化”、“底吹气耦合物理场”等新技术，通过实验优化过程参数，起到同步改善镀层耐蚀性、表面光滑度、镀层晶粒度、硬度、耐磨性以及使用寿命的目的。

发明内容