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        1. 貴州乾朗金屬材料有限公司

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          熱鍍鋅合金研究最新進(jìn)展

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          鍍層厚度適宜,外觀(guān)更光亮、平滑,并有較好的耐腐蝕性能和粘附性[2]。

          對于含Si量高的過(guò)圣德林鋼材熱鍍鋅,鋅浴中加入上述合金對抑制Fe-Zn反應的作用并不顯著(zhù)。對此,廣大熱鍍鋅工作者一直努力尋求解決方法,圍繞進(jìn)一步改進(jìn)Zn-Ni合金成分以及探索新的合金元素組成進(jìn)行了研究,取得了一些研究成果及工業(yè)應用。本文綜述了國外最新的有關(guān)熱浸鋅合金浴研究及工業(yè)應用情況。

           

          1  Zn-Ni-Bi合金浴

          鋅浴中加Bi可提高鋅浴流動(dòng)性,降低鋅液的表面張力,使鍍件浸鍍后提升過(guò)程中表面的液態(tài)鋅能夠更好地回流。同時(shí),Bi對鍍層的結構、附著(zhù)性、鈍化及耐白銹性和涂裝性等均無(wú)不利影響。Bi可以降低鋅渣的生成量。但它并不能抑制活性鋼的異常生長(cháng)。Bi在鋅浴中的作用與鉛相似,但卻沒(méi)有鉛的毒性。由于國外對鉛的使用限制得越來(lái)越嚴格,使Zn-Bi合金得到了越來(lái)越廣泛的應用。此種Zn-Bi合金鍍層的商品名為“Galva Flow”。

          Zn-Bi合金浴的特性,使熱鍍鋅研究工作者自然地想到研究Ni和Bi聯(lián)合作用的效果。Cominco公司的Pedersen[3]通過(guò)對比實(shí)驗研究了鋅鎳合金浴中加Bi的作用,結果表明,鋅鎳合金浴中添加Bi并沒(méi)有明顯的效果。但Fratesi等人[4,5]總結了不同工廠(chǎng)的實(shí)驗結果認為,含Ni0.04%、Bi0.1%左右的鋅浴成分效果較單純鋅鎳浴更佳,鋅浴中的Ni可以有效抑制圣德林鋼的Fe-Zn反應,鋅浴中的Bi使鍍浴的流動(dòng)性更好,但對控制鋼材熱鍍鋅活性沒(méi)有明顯作用。他們還發(fā)現,這種鋅浴在過(guò)圣德林鋼熱鍍鋅時(shí),Ni和Bi的聯(lián)合作用可以起到抑制這類(lèi)鋼材的活性。

           

          2 Zn-Sn-Ni-Bi(Galveco)合金浴[6,7]

          以往對含Sn鋅浴的研究認為,鋅浴中僅含Sn時(shí),鍍層不會(huì )出現鋅花,此時(shí)Sn對鍍層的形貌及厚度均無(wú)影響[8]。而當鋅浴中同時(shí)含Pb和Sn或同時(shí)含Sb和Sn時(shí),會(huì )有鋅花出現[9]。

          1997年Uminco公司在intergalva會(huì )議上介紹了在Zn-Ni合金浴中添加5%或者2.5%的Sn可以極大地降低活性鋼甚至高硅鋼和含磷鋼中鋅鐵中間相的生長(cháng)速率。不過(guò),過(guò)高的Sn量會(huì )引起鋅鍋的嚴重腐蝕。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究,比利時(shí)的Umico公司推出Zn-Sn-Ni-Bi合金浴,效果較好。不僅能夠解決低硅鋼的活性問(wèn)題,而且能夠有效解決高硅鋼鍍層超厚問(wèn)題,彌補了Zn-Ni合金不能解決高硅鋼活性問(wèn)題的不足。

          典型的合金浴的成分為:1.2%Sn,0.05%Ni,0.1~0.35%Bi。Beguin等人[6]認為,由于Zn-Fe合金層中不含Si和Bi,在熱鍍鋅過(guò)程中隨著(zhù)Zn-Fe合金層的生長(cháng),Sn和Bi將被排到Zn-Fe合金層生長(cháng)界面上,形成一個(gè)連續阻擋層阻擋Fe與鋅的互擴散,從而抑制Fe/Zn合金層的生長(cháng)。

          由于Sn和Bi可以降低鋅溶液的粘度,在低于460℃時(shí),錫的影響力要超過(guò)鉛,鉍也有相似的影響。故該合金浴有好的流動(dòng)性。同時(shí)合金浴中的Sn和Bi可降低表面張力,因此鋅浴浸潤性較好。

          研究發(fā)現,采用Zn-Sn-Ni-Bi合金浴可降低鋅渣量,鋅浴中Sn和Bi的含量越高,產(chǎn)生的鋅渣越少。對鋅灰的產(chǎn)生量則影響不大。

          由于該合金浴對鍍件Fe-Zn反應的抑制作用,以及鋅浴良好的流動(dòng)性及浸潤性,采用該合金浴獲得的鍍層外觀(guān)光亮平滑,并伴有鋅花的出現。

          戶(hù)外腐蝕的暴露試驗表明:該合金浴所獲鍍層與Zn-Ni浴鍍層有相似的腐蝕速率。對鍍層的可涂裝性能基本沒(méi)有影響。

          一些鍍鋅者該合金浴鍍層容易產(chǎn)生白銹,估計是由于其合金浴中殘留有Pb,當鋅浴中含鉛低時(shí),這個(gè)問(wèn)題將不會(huì )出現。

          采用該合金浴可明顯降低活性鋼鍍鋅時(shí)的鋅耗。對非活性鋼,能獲得與常規鋅鉛合金相同厚度的鍍層,但是鍍層略厚于鋅鎳合金浴所獲鍍層。Umico公司對不同鋅浴中所獲鍍件平均鍍層厚度進(jìn)行了類(lèi)比,結果見(jiàn)表1。

           

          表1 不同鋅浴所獲鍍層厚度對比

           鋼材成分

           

          鋅浴成分

          Si+2.5P<0.05%

          0.05<Si+2.5P

          <0.15%

          0.15<Si+2.5P

          <0.25%

          Si+2.5P>0.25%

          Zn-Pb

          60-80

          >300

          120-250

          >250

          Zn-Ni(Bi)

          50-70

          120-280

          100-200

          140至>250

          Zn-Sn-Ni-Bi

          55-80

          60-100

          80-150

          100-200

           

          由于該合金鋅浴流動(dòng)性好,鋅浴是在較低溫度下(440℃)操作更適宜。溫度降低會(huì )使能耗降低約2%。

          與普通Zn-Pb浴比較,Zn-Sn-Ni-Bi合金浴每噸增加成本6~12%,而Zn-Ni(Bi)浴增加3~8%。不過(guò),考慮該合金浴的使用成本,應結合其鋅耗的降低情況,以找出使用何種合金最適宜。

           在鋅價(jià)較低,非活性鋼工件多的情況下,采用普通鋅鉛合金浴是最適宜的。如果有大于10%活性鋼工件,則Zn-Ni合金和Zn-Ni-Bi合金是最適合的。若活性鋼鍍鋅占總量的35%,采用Zn-Sn-Ni-Bi合金則是最實(shí)用。若鋅價(jià)增高,合金浴使用成本反而會(huì )更加低。

          對于有變形或開(kāi)裂傾向的工件,在Zn-Sn-Ni-Bi合金浴中,這種傾向將更明顯,甚至造成工件破壞。這是由于該合金浴較好的流動(dòng)性及潤濕性,使鋅浴向工件的熱傳導加快,引起工件各部分溫差加大,熱應力增大。這個(gè)問(wèn)題是在高硅鋼方管熱鍍鋅時(shí)發(fā)現開(kāi)裂情況后提出的。分析其原因是由于嚴重的冷變形產(chǎn)生較大的殘余應力,加上高硅含量及熱鍍鋅溫度下的時(shí)效引發(fā)出裂紋,Zn-Sn-Ni-Bi合金浴則由于其熱傳導速率增大誘使熱應力的增大,促進(jìn)了這種問(wèn)題的出現。

          使用一種特殊的傳感器來(lái)檢測在鋼的浸鍍過(guò)程當中的溫度梯度,發(fā)現在相同的熱鍍鋅參數下,工件在Zn-Sn-Ni-Bi合金浴的溫度梯度幾乎是鋅鎳合金浴的3倍。尤其當Bi含量達到0.15%時(shí),工件溫度梯度達到最大。

          當Zn-Sn-Ni-Bi合金浴中含0.1%Bi時(shí),工件浸入鋅浴中產(chǎn)生的溫度梯度高于在鋅鎳合金浴時(shí)的50%。這可通過(guò)調整熱鍍鋅參數來(lái)進(jìn)行補償。例如降低鋅浴的溫度、提高預熱溫度、改變溶劑成分以及加快浸鍍速度等方式來(lái)彌補。

           

          3  Zn-Sn-V(Ni)合金浴[10]

          在1997年Intergalva會(huì )議上Cominco公司介紹了Zn-V-Ti合金的研究結果,發(fā)現鋅浴中含0.04%V及0.05%Ti可有效控制(Si+2.5P)值高達1%的鋼材的鐵鋅反應。但這種合金浴最主要的缺點(diǎn)是鋅浴含Ti造成傳統氯化銨助劑不適用,而導致鋅灰很多。隨后Cominco和Uminco開(kāi)展聯(lián)合工作以確定是否V和Sn一起加入鋅浴可起到既能控制較低Sn含量時(shí)的鐵鋅反應、又不會(huì )對鐵鋅鍋的使用壽命產(chǎn)生不利影響的作用。初步的試驗表明,鋅浴含1%Sn和0.05%V可以控制(Si+2.5P)高達0.5%的鋼鐵的鐵鋅反應。為了減少V的用量,在鋅浴中又加入Ni,與V一起使用。Uminco和Cominco于1997六月聯(lián)合申請了一項Zn-Sn-V-Ni基系列鍍鋅合金的實(shí)用專(zhuān)利。從那時(shí)起,Uminco就致力于Zn-Sn-Ni合金的商業(yè)化,而Cominco則致力于含V和低Sn合金的發(fā)展。

           經(jīng)過(guò)實(shí)驗研究發(fā)現,0.8%Sn+0.08%V或1%Sn+0.05%V的鋅浴成分可以有效控制(Si+2.5P)值高達0.5%的鋼材的活性。在Zn-1.2%Sn-0.02%V合金浴中加入0.055%的Ni可以控制(Si+2.5P)值高達0.4%的鋼材的活性。

          觀(guān)察含0.3%Si鋼在Zn-1%Sn-0.05%V合金浴中所獲鍍層組織微觀(guān)形貌發(fā)現,與低硅鋼典型組織形貌一致,表明Fe-Zn異常反應受到充分抑制。鍍層外觀(guān)平滑光亮,有鋅花。

          對合金鍍層作附著(zhù)性及耐蝕性試驗均表明,合金鍍層與純鋅層的附著(zhù)性及耐蝕性基本一致。

          鋅鍋腐蝕試驗結果發(fā)明:在普通鍍鋅溫度(450℃)下,Zn-Sn-V-Ni合金浴中鋼材的失重量可與Zn-Pb浴相當。

           

          4 Al-Sn-Bi合金浴

          Kim等人[11]研究了鋅浴中Bi和Al的聯(lián)合作用。研究發(fā)現,當鋅浴中含0.1%Bi和0.025~0.05%Al時(shí),可獲得平滑均勻并有良好良好光澤的鍍層,同時(shí)可減少鋅灰及鋅渣,鋅耗也可降低。但不能抑制高硅鋼熱鍍鋅時(shí)的Fe-Zn異常反應。

          Fratresi等人[12]對Al-Sn-Bi合金浴進(jìn)行了研究,結果表明:加入0.035%鋁和0.45%錫能有效抑制高硅鋼的活性。對于過(guò)圣德林鋼,這種合金鍍層厚度比Zn-Pb浴鍍層減少量可達65%,比Zn-Ni浴可減少30%。對高磷鋼熱鍍鋅,該合金浴更為有效,比Zn-Pb浴鍍層和Zn-Ni浴鍍層厚度可減少90%。這些鋼鍍層組織類(lèi)似于亞圣德林鋼,且鍍層表面光亮平滑。

              Al-Sn-Bi合金鍍層在工業(yè)和城市環(huán)境中,有良好的耐腐性,然而在海邊環(huán)境中稍差。與純鋅層及鋅鎳鍍層相比,該合金鍍層能保持較長(cháng)時(shí)間的光亮。但鍍層的白銹形成主要取決于儲存環(huán)境有關(guān),受合金浴成分影響不大。

              鋅鍋腐蝕試驗表明:使用Al-Sn-Bi合金浴在初始階段會(huì )加速鍋的損耗,但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,鋅鍋腐蝕速度將與普通鋅鉛浴相當。因而,工業(yè)鋅鍋的使用壽命并無(wú)明顯變化。

              鋅浴中加入0.035%鋁和0.45%錫,可提高鍍層質(zhì)量、減少鋅耗。但使用常規助劑容易在此合金浴中失效。

           

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