热镀锌合金几种不同热镀锌及锌合金镀层的特点

2022-02-11 04:19

热镀锌层的形成机理

热浸镀锌是一种冶金反应过程。从微观角度看，热镀锌过程是两个动态平衡:热平衡和锌铁交换平衡。当钢铁工件浸入450℃左右的熔融锌溶液中时，常温下的工件吸收锌溶液的热量，当温度达到200℃以上时，锌与铁的相互作用逐渐明显，锌渗入铁工件表面。

当工件的温度接近熔融锌的温度时，在工件的表面上形成具有不同锌和铁比例的合金层，这构成了锌涂层的层状结构。随着时间的延长，涂层中不同的合金层表现出不同的生长速率。从宏观上看，上述过程表明工件浸入锌液中，锌液表面沸腾。当锌铁反应逐渐平衡时，锌液面逐渐平静下来。当工件吊出锌液面，工件温度逐渐降至200℃以下时，锌铁反应停止，形成热浸镀锌层并确定厚度。

热镀锌层的厚度要求

影响镀锌层厚度的主要因素有:母材成分、钢的表面粗糙度、钢中活性元素硅和磷的含量和分布、钢的内应力、工件的几何尺寸和热镀锌工艺。

现行的国际和中国热镀锌标准是按照钢材的厚度进行分段，镀锌层的等厚和局部厚度要达到相应的厚度才能确定镀锌层的防腐性能。不同钢厚的工件达到热平衡和锌铁交换平衡需要的时间不同，镀层厚度也不同。标准中的镀层平均厚度是基于上述镀锌机理的工业化生产的经验值，局部厚度是考虑锌镀层厚度分布不均匀性和镀层耐蚀性要求所需的经验值。

因此，ISO标准、美国ASTM标准、日本JIS标准和中国标准对镀锌层厚度的要求略有不同。

接下来，将解释热浸镀锌和涂层的几种不同特性。

热浸镀锌钢板

目前生产GI板所用的锌液中加入0.2%的Al元素。添加AI的作用是改善锌液的流动性。铝与铁优先反应形成铁铝合金相层，抑制锌与钢板基体的反应，从而提高涂层的附着力。同时，在熔融锌中加入少量的铝，在熔融锌表面形成氧化铝膜，阻止了锌在熔融锌表面的氧化反应，降低了锌的消耗。在涂层表面，铝可以先与氧气反应形成氧化铝保护膜，防止涂层表面氧化，增加表面亮度。

GI板是一种典型的利用牺牲阳极保护钢基体不受腐蚀的阴极保护机制，而GI板是应用最广泛、最普遍的电镀钢板，广泛应用于建筑、家电、汽车、交通、农业等行业。

从图1a和1b可以看出，GI板的涂层表面由平台和均匀的凹坑组成，形貌的形成主要是镀锌后涂层表面具有约1μm的粗糙度。从图1c可以看出，GI板由最外层的纯锌层、钢基体和中间的薄抑制层，即Fe-al合金相层FeAl3或Fe2Al5组成，阻止了铁向锌层的扩散，防止了涂层中形成相对脆性的Zn-Fe合金相，从而保证了涂层的附着力。

热浸镀锌合金涂层钢板

GA板是镀锌后在500 ~ 550℃热处理形成锌铁合金相层的镀层钢板，镀层表面的铁含量约为10%。

GA板在镀锌后需要经过热处理，使锌和铁相互扩散，从而形成锌铁合金相。因此，为了减少合金化时间，降低抑制层的阻挡作用，锌液中的al含量会低于GI板中的al含量，一般在0.13%左右。涂层中的铁提高了涂层的整体腐蚀电位和焊接性，但Zn-Fe合金相层的形成增加了涂层的脆性，涂层在变形过程中容易粉化或剥落，影响成形模具的使用寿命。

锌铁合金相层的形成过程增加了涂层的表面粗糙度，降低了颜色，使涂层表面变灰变暗，更大的粗糙度增加了涂层的可涂覆性。同时，硬度和表面粗糙度更大的涂层表面具有更好的砂岩抗冲击性能。因此，与GI板相比，GA板具有更好的耐腐蚀性、焊接性能、涂层性能和抗砂冲击性能，但其成型性相对较差，不如GI板光亮。

GA板作为汽车面板，主要用于日系车和韩系车。GA板的生产控制对锌铁合金相镀层要求严格，因此工艺控制要求高，在国内已经能够成熟生产。

如图2a所示，GA板的镀层表面由粗大的Zn-Fe合金相δ1p和少量ξ相组成。如图2b所示，最外层是靠近衬底的相对疏松的柱状晶体δ1p和较致密的δ1k层。在涂层和基底之间的界面处有约1μm厚的г相层。

热镀锌钢板

一般热浸镀铝锌涂层包括含5%铝的Galfan 和含55%铝的Galvalume 。目前，连续带钢热浸镀铝锌镀层一般指含al 55.0%、Zn 43.4%、si 1.6%的Galvalume钢板。

由于GL板涂层中铝含量高，涂层具有铝的耐蚀性和高温抗氧化性，锌的存在使涂层具有阴极保护性能。目前，GL板在建筑、汽车、家电、农业等行业普遍用作彩涂板，也直接用于消音器、排气管、冰箱背板、电子微波炉、热交换器等。

GL涂层表面锌花直径一般为1 ~ 3±1 ~ 3毫米。由于影响锌花尺寸的因素很多，随着锌溶液中合金元素含量的不同或镀后冷却速度的不同，镀层上的锌花也会发生较大范围的变化。一般来说，锌花的大小在0.2 ~ 5.0 mm的较大范围内也是允许的。

从图3可以看出，GL涂层由两层组成，外层为铝锌合金层，由树枝状富铝固溶体和枝晶间富锌相组成。内层为铝锌铁金属间化合物层，位于铝锌合金层和钢基体之间。与GI涂层类似，GL涂层的Al-Zn-Fe金属间化合物层内层可以阻止铁进入Al-Zn合金层，增加涂层附着力，而硅的加入限制了脆性Al-Zn-Fe金属间化合物层的生长。

热浸镀锌铝镁涂层钢板

锌铝镁板起源于日本。由于岛国的海洋性气候以及多次台风和地震，要求钢材具有高强度和高耐腐蚀性。同时，日本资源枯竭，原材料供需紧张。因此，开发了ZnAlMg板，不仅提高了耐腐蚀性，还有效利用资源，降低成本，保护环境。

由于不同企业开发的ZnAlMg板材中铝和镁的成分不同，所以组成比例不同的ZnAlMg板材很多。例如日新钢铁开发的ZAM产品、新日铁的SuperDyma板产品、蒂森的ZnMgEcoprotect产品、奥地利钢铁协会的CORRender 产品

ZAM板涂层由外层和外层与基体结合处的合金层组成，涂层外层由富铝相和Zn/Al/Zn2Mg三元共晶相组成，如图4a和图4b所示。与GI涂层相比，ZnAlMg涂层的耐蚀性大大提高，例如ZAM板涂层的耐蚀性甚至可以达到GI涂层的16倍。

在ZnAlMg涂层中，分布在晶界和枝晶间隙的Mg2Zn11或MgZn2对提高179的耐蚀性起着关键作用，适用于建筑材料。由于其外表面硬度高，还能抵抗成型过程中的表面磨损，有利于成为一种环保、节约资源的涂层钢产品。

参考

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