[发明专利]一种硅的热浸镀ZnAl4合金镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热浸镀技术领域，尤其是一种硅的热浸镀ZnAl₄合金镀层及其制备方法。

背景技术

热浸镀锌及锌合金产品已广泛应用于家电、建筑、容器制造、车船等行业。近年来，全球镀锌钢板的需求量不断上升，产量增长也非常迅速；但是由于钢铁制品长期暴露在外部环境中极易发生腐蚀，造成钢铁产品的毁坏失效，给人类生产、生活带来严重影响。而热浸镀锌作为一种经济、方便、有效的应用于各行各业金属构件的防腐蚀方法，纯锌镀层具有优良的牺牲防护作用，但镀层耐用期短；热浸镀铝层致密，耐用期长，但阴极保护能力差；锌铝合金镀层则兼顾了锌的阴极保护性和铝的耐久保护性，其镀层的各种性能较单一金属镀层性能优越，防护性能比同等厚度的纯锌镀层高出许多。

作为一种商业镀锌铝产品，Galfan(Zn-5%Al-RE)合金镀层显示了良好的耐蚀性能，并且热浸镀生产时的设备投资和镀层加工性能也要优于Galvalume (Zn-55%Al-1.6Si) 合金镀层[2,3]。压铸合金中广泛应用的ZnAl₄合金(Zn-4%Al)由于质量和性能优异，合金成分接近于Galfan，也被用于热浸镀锌铝。铝在热浸镀锌熔池中的作用，即便铝含量很低，也能通过快速形成Fe₂Al₅抑制层阻碍铁原子和锌原子通过液相通道的相互扩散，进而抑制铁锌中间化合物的生长。但随着热浸镀时间的延长，铁基体和锌铝液会发生剧烈的反应，一方面对基体造成侵蚀破坏，另一方面也对镀层质量造成影响。

已有相关文献报道锌池中加入适当的硅元素能有效阻止铁基和镀层之间界面上中间合金层的过渡生长，硅的加入能使镀层变薄和变均匀。硅的添加使得铁基体与镀层界面处形成含硅的细晶Fe₂Al₅抑制层；正是因为硅在Fe₂Al₅抑制层中的溶解，阻碍铁基体的快速溶解，进而减缓Fe₂Al₅抑制层的生长。

虽然硅在高铝合金镀层，如Galvalume (55Al-1.6Si-Zn)，以及中铝合金镀层(10Al-3Mg-Zn)中的作用机理已经展开相关研究，但硅在低铝合金熔池中的作用目前较少研究。热浸镀时间延长后抑制层易破裂失稳。

因此，利用ZnAl₄合金作为熔池主体，控制不同含量的硅加入到不同温度下浸镀时得到合金镀层，以得到合理的锌铝硅元素配比，改善镀层质量和减小镀层对基体造成的侵蚀破坏。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种硅的热浸镀ZnAl₄合金镀层及其制备方法。在Zn-Al合金成分固定的条件下熔池中加入Fe元素并控制Si元素加入量及温度控制，利用扩散通道理论，阻碍在扩散层中形成液相通道，形成致密的Fe₂Al₅相并抑制合金层生长，能显著改善合金的显微组织和镀层性能。

为了控制合金层厚度并增加合金层致密度，通过加入硅元素和铁元素控制扩散通道如图7所示，path2为最佳扩散通道，即增加0.15%Si-2%Fe，使扩散通道切割两相区(FeAl₃和液相)，跨过三相区(FeAl₃、Fe₂Al₅和液相)，然后经由单相区(Fe₂Al₅)进入单相区(α-Fe)，既可阻挡Al、Fe直接反应，又让硅原子在合金层富集恰好的填补了Fe₂Al₅空位，稳定Fe₂Al₅相。为了控制好合金厚度在熔池中加入0.15%Si和2%Fe，镀层合金层厚度明显降低，并且合金层稳定存在没有出现大量的白色液相。如图8所示温度提高后，合金抑制层厚度和生长速率反而明显降低合金抑制层的生长主要受扩散反应控制，硅和铁的加入对镀层合金层生长产生了明显影响。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种硅的热浸镀ZnAl₄合金镀层，各组分按质量百分数计算：Zn的含量控制在94%，Al的含量控制在3.7~3.85%，Si的含量控制在0.15~0.3%，Fe的含量控制在2%。其中，Si元素采用硅铝中间合金、Fe元素采用铁硅中间合金的形式加入锌池。