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國內外熱鍍鋅合金系列的發展與應用

2014-12-01 00:00:00 作者：ecorr_91 來源：《腐蝕防護之友》分享至：

帶鋼熱鍍鋅-鋁合金鍍層以其良好的耐腐蝕性、漂亮的外觀、優異的成型性等特點，近30年來取得了廣泛的發展。本文主要敘述熱鍍鋅合金系列的發展及發展中遇到的新問題，并推出一種新型的鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層產品來解決這一難題。

文/公茂進　北京勝冶科技有限公司　劉海鵬　霸州市勝冶金屬材料有限公司　李九嶺　武鋼冷軋總廠

鋼鐵在使用過程中易被腐蝕，熱鍍鋅可以有效地對其進行防護，延長其使用年限。為了提高鍍鋅層的耐腐蝕性，鋼鐵熱鍍材料已經由純鋅向鋅合金方向發展，例如，鋅鋁合金鍍層、鋁鋅硅合金鍍層等。中國帶鋼熱浸鍍層業比歐美發達國家晚起步半個世紀，直到最近10年來才得到突飛猛進的大發展，見表1。

表1　中國帶鋼熱鍍鋅線增長現狀

由表1可以看出，目前帶鋼熱浸鍍層產品在我國已經產生了嚴重的產能過剩局面，其總產量已經大于市場需求量的2～3倍，市場競爭十分激烈，而競爭的焦點是質量與成本。故每個企業都希望選擇一種耐蝕性好、生產成本低、受市場歡迎的優良品牌，以便在市場競爭中立于不敗之地。

品牌

熱鍍鋅板

熱鍍鋅自1742年在法國出現，到1836年工業化生產，至今已近300年歷史了。帶鋼熱鍍鋅產品是指鋅中鋁含量在0.16%～0.25% 的鋅鋁合金鍍層板，當鋅鍋中鋁含量大于0.10%時，進入鋅鍋中的帶鋼就會在表面優先形成Fe2Al5極薄合金層，對Zn-Fe擴散反應起一定的阻止作用，這樣就降低了Zn-Fe合金層的厚度，從而提高了鍍層的粘附力和韌性。這主要是使產品適應進一步彎曲、沖壓成型加工等苛刻的應用場合，例如制造家電、汽車等高級用途。

55%鋁-鋅硅合金鍍層板（Galvalume）

20世紀70年代美國伯利恒鋼鐵公司開發了一種耐大氣腐蝕性接近于鍍鋁層的鍍層產品[1]，商品名稱為Galvalume。此合金成分為55%Al、43.4%Zn、1.6%Si。此合金鍍層具有良好的抗腐蝕性[2]，在大氣腐蝕環境中耐腐蝕性比鍍純鋅層高2～6倍，與鍍鋁層想當。但由于該鍍層針狀富硅相的存在，且鍍層主要為粗大樹枝晶粒，易于在樹枝晶的間隙形成裂紋，所以該鍍層粘附性和焊接性不如熱鍍鋅板、成型性也較差，故只能適合建材行業應用。

鋅-5％鋁稀土合金鍍層板（Galfan）

1979年比利時國際鉛鋅組織購買了美國熱鍍鋅專家李禾研制的Galfan合金鍍層專利，在全球推廣了工業化生產。其配方成分為5%Al、0.1%Re，其余為鋅。 Galfan鍍層的顯著特點是不含脆性的中間合金層，因此其加工成型性優于普通鍍鋅板。但由于Galfan鍍層表面的龜裂紋影響美觀，故此品種目前在我國主要是應用于鋼絲鍍層、建筑行業熱鍍構件等[3]。

目前帶鋼熱浸鍍層產品大約10％應用于汽車制造，20％應用于家電制造，這兩個行業主要采用熱鍍鋅板。剩余70％的產品是進入建材行業，因為55％鋁-鋅硅合金鍍層（Galvalume）具有優良的耐蝕性故最受建筑行業的青睞。但是55%鋁-鋅硅鍍層工藝其鍍液溫度較高、出渣率也高，不利于控制生產成本。目前國內大部分企業把配方中的鋁含量從55％下降到20％～10％，這樣做的結果雖然降低了本企業生產成本，但是確大大降低了產品的耐蝕性，并使產品成為得不到市場認可的無標產品，阻礙了生產的進一步發展。經研究，解決這一難題的最好辦法，是大力推廣鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層（Super Dyma）這一新型品牌。

鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層（Super Dyma）

鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層（Super Dyma），是2000年由日本新日鐵公司開發應用的高耐腐蝕型產品。此合金的化學成分為：鋁12%、鎂3%、硅0.2%，其余為鋅，商品名為Super Dyma。

鍍層特性

在5%NaCl水溶液中對該鍍層的極化曲線測定發現，鍍層合金中提高Al和Mg含量可同時降低陽極電流密度和陰極電流密度，加Si之后可使降低幅度進一步加大，這表明作為陽極反應的鍍層溶

解反應和陰極反應的溶解氧還原反應均受到抑制，從而就提高了該合金鍍層的耐腐蝕性。

鍍層中各元素的影響

Al的影響：A1是帶鋼熱鍍鋅系列最常用的合金元素，它的加入可以提高鍍層的粘附力。還可以降低鐵含量，從而提高鋅液的流動性，減小鍍層厚度，降低鋅耗節約了生產成本；Al的加入還可以起到提高鍍層光亮度的作用；但是Al含量提高會增加表渣，給鍍鋅操作帶來困難。

Mg的影響：加入Mg可以提高鍍層的耐腐蝕性、降低鋅耗，還可以使鍍層組織結構均勻，起到強化晶界的作用。有些文獻中還表明：在鹽霧試驗中，鍍層內加Mg能促進ZnCl2-4Zn（OH）2的生成，此生成物能控制液體中溶解氧的擴散，還可抑制晶間腐蝕，使顆粒細化，鍍層光亮。但當加入的Mg含量較高時鍍層便會出現裂紋或出現脫層現象，并易引起鍍層發黑，因此要適當控制Mg的添加量。

Si的影響：Si主要聚集在鍍層內部，尤其在鋼基體與鍍層的界面上濃度最高。Si占據著Fe2A15結構中Al原子快速擴散的空位，阻礙Al的擴散，從而導致合金層生長緩慢，故對合金層生長有強烈的抑制作用，由此可降低鍍層的厚度；Si的加入還可以降低鍍液的黏度，提高鍍液的流動性。

國內產品防腐性測試案例

在加工工序中防腐性測試

在板坯加工工序，一般鍍層材料會在折彎處生銹，而鋁鎂硅板在折彎處鍍層不被破壞，因此折彎處的防腐性不會下降。同時在板坯加工的沖孔、剪切等工序，一般的材料在切口處易生銹，而Super Dyma在切口處仍具有防腐性能。原理如下：切割端面部分基底（基材）外露，初期會產生紅銹，但隨后切割端口周圍的鍍膜開始溶解，形成以氫氧化鋅（Zn（OH）2）堿性氯化鋅（ZnCl2?4Zn（OH）2）以及氫氧化鎂（Mg（OH）2）等為主要成分的致密的保護膜這一過程持續數月后切割端口部分將被完全覆蓋，恢復了保護性能。該保護膜導電性能較弱，可以抑制端口部分的腐蝕反應，并且鍍膜中所含的硅還有促進上述保護膜形成的作用。

鹽霧腐蝕對比實驗

經對Super Dyma 板與熱鍍鋅板耐鹽霧腐蝕性對比實驗，證明比傳統熱鍍鋅板有更優越良的耐蝕性。

實驗依據：GB/T 20854-2007 《金屬和合金腐蝕循環暴漏在鹽霧“干”和“濕”條件下的加速實驗》

實驗條件：鹽霧兩小時，35℃±2℃，50g/L±5g/L氯化鈉溶液，干燥4小時，60℃±2℃，＜30%RH；潮濕2小時， 50℃±2℃，＞95%RH，以上過程為一次循環。

試片尺寸：75×150mm。

實驗分五組進行，耐蝕性看試片表面出現5%紅銹面積時經過的循環次數取均值。實驗結果，見右上表2。

上述測試數據表明，Super Dyma 板的耐腐蝕性能是傳統熱鍍鋅層的3～5倍。

結論

熱鍍鋅板生產歷史悠久，可廣泛應用與汽車、家電、建材各個領域；鋅-5％鋁鍍層板（galfan）的耐腐蝕性比熱鍍鋅板好，目前在中國內主要是應用于鋼絲熱鍍行業；55％鋁-鋅硅合金鍍層板（Galvalume）的耐腐蝕性比熱鍍鋅板、鋅-5％鋁鍍層板（galfan）都好，但生產成本較高；把正宗的55％鋁-鋅硅合金鍍層板（Galvalume）的鋁含量由55％下降到 10～20％，耐腐蝕性還不如熱鍍鋅版，此產品無標、無牌不被市場認可；鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層（Super Dyma），是國際品牌產品。此合金熔點低，其生產工藝與熱鍍鋅相當，鍍液工作溫度為450～460℃；此合金出渣率低，與目前各企業追求的無標無牌產品鋅-10～20％鋁-硅鍍層相當，出渣率僅為10～12％；此合金耐腐蝕性能好，與國際名牌產品55％鋁-鋅硅合金鍍層板（Galvalume）相當。

總之，生產建材板時，選擇國際名牌產品鋅-12％鋁-鎂硅合金鍍層（Super Dyma）可以降低生產成本，提高市場競爭力。

參考文獻

[1] Amadeh A, pahlevani B, Heshmati Manesh S.Effect of rare earth metal addition on surface morphology and corrosion resistance of hot-dipped zinc coatings[J]. corrosion science，2002，44：2321～2331.

[2] 陳斌錯，郝曉東，張啟富。熱浸鍍鋅鋁硅鍍層鋅花不均缺陷形成原因分析[J]，中國腐蝕與防護學報，2011，21（2）101～104

[3] 陳冬，張曉東，劉廷香。鋼絲熱鍍Galfan合金的關鍵技術和有關理論問題[J]，河北冶金，1993，（1）：45～53.

[4] 李九嶺。熱鍍鋅實用數據手冊[M]，冶金工業出版社，2012

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