一种热浸镀含硅GALFAN合金镀层及热浸镀方法.pdf

本发明涉及热浸镀技术领域，特别涉及一种添加硅元素的Galfan合金镀层及其热浸镀方法。所述热浸镀Galfan合金镀层含有质量百分比为0.01%~0.1%的硅。热浸镀方法，包括熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤，对钢铁材料进行镀前处理的步骤和热浸镀的步骤，其特征在于：热浸镀的温度控制在480℃~500℃，浸镀时间为30s~180s。利用硅元素和稀土元素之间的协同作用，能够有效提高镀层的抗开裂性，有效提高Galfan合金的耐蚀性。

1.  一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层，其特征在于：所述热浸镀Galfan合金镀层含有质量百分比为0.01%~0.1%的硅。

2.  如权利要求1所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层，其特征在于：组分，按照重量百分比计算为：铝：4.5~5.5；镧铈混合稀土：0.01~0.1；硅：0.01~0.1；不可避免的杂质：≤0.5；锌：余量。

3.  如权利要求1所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，包括熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤，对钢铁材料进行镀前处理的步骤和热浸镀的步骤，其特征在于：热浸镀的温度控制在480℃~500℃，浸镀时间为30s~180s。

4.  如权利要求1所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，其特征在于熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤为：将含硅Galfan合金按照Zn-(4.5~5.5)%Al-(0.01%~0.1%)RE-(0.01%~0.1)Si进行配比，在混合覆盖剂覆盖下在中频感应镀锌炉中熔炼；熔炼合金时，Si以Al-30Si中间合金的形式加入到熔融的合金液中，加入时炉温设置为700℃，然后进行充分的搅拌，使得硅元素充分的溶解，避免硅元素偏析；待合金充分熔融后，用铝箔纸包裹着稀土加入到熔池底部，以减少稀土的烧损和氧化；待稀土熔化均匀之后，将中频感应镀锌炉降至480℃~500℃。

5.  如权利要求4所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，其特征在于：在熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤中，使用一种混合熔盐作为覆盖剂，用以除去熔池表面的杂质，该混合熔盐成分组成按照重量百分比计算为：46%~55%氯化钠、30%~38%氯化钾、5%~10%氯化锂、3%~6%氟铝酸钠和5.5%~8%氟化钾。

6.  如权利要求1所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，其特征在于对钢铁材料进行镀前处理的步骤为：采用质量分数为15%的NaOH溶液在70~80℃下对镀件进行碱洗1min~2min，以除去基体表面的油脂；水洗之后在室温下进行酸洗，酸溶液是质量分数为15%的HCl溶液，酸洗时间为2min~
4min，用以去除基体表面铁锈；水洗，进行助镀处理，助镀剂采用NH₄Cl+ZnCl₂+
SnCl₂混合助镀，作用是使镀件表面在镀前具有一定的活性，增强镀件基体与镀层的结合力；将助镀好的镀件放在鼓风干燥箱中干燥10min~15min。

7.  如权利要求1所述的一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，其特征在于热浸镀的步骤具体为：在进行浸镀之前，必须保证熔池温度在本发明所述480℃~500℃范围内，之后刮开混合熔盐覆盖剂，获得清洁的熔池表面，将烘干的镀件以不低于10cm/s的速度放入熔池中；浸镀时间为30s~180s，由于所用助镀剂为NH₄Cl、ZnCl₂、SnCl₂混合盐溶液，故镀件浸没到合金液之后，会使锌池表面发烟，污染锌池表面，故在取出镀件之前，还应进行一次熔池表面刮渣，以获得清洁表面，浸镀完成后，以不高于2 cm/s的速度取出镀件，放入水中迅速冷却。

一种热浸镀含硅Galfan合金镀层及热浸镀方法
技术领域
本发明涉及热浸镀技术领域，特别涉及一种添加硅元素的Galfan合金镀层及其热浸镀方法。
背景技术
现代工业和科学技术的发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，材料表面处理是提提高材料表面性能的一种重要手段；工业上应用最多的钢铁材料，在大气环境中会受到程度不同的腐蚀，为了保证钢铁产品的耐腐蚀性能，延长使用寿命，必须寻求经济而有效的钢铁防护方法。
热浸镀锌作为一种有效的钢铁表面防护工艺被广泛应用于钢铁构件的防护上，热浸镀锌是将表面经清洗、活化后的钢铁浸于液态锌中，通过铁锌之间的反应扩散在钢铁表面生成铁锌金属间化合物层的过程；目前世界各国除大量生产热浸镀锌钢板、钢管和钢丝这些半成品镀锌产品外，对许多成品构件如输电铁塔、线路金具、高速公路防护栏、路灯杆、桥梁及建筑钢结构，都已规定采用热浸镀锌防护。
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纯锌或纯铝镀层的性能优越，防腐蚀性能更是比同等厚度的纯锌镀层高出许多。
Galfan合金是20世纪70年代比利时冶金研究中心在国际铅锌组织的支持下研制开发的镀层合金，其成分为Zn-5wt.％Al-RE。该合金具有较强的耐腐蚀性能，其镀层产品的耐蚀性能约是普通镀锌层的2－3倍，无论是在户外、在潮湿环境、或在海洋气候等恶劣环境中，该合金镀层钢丝的抗腐蚀性能均比普通镀锌层、电镀锌优越，因此热浸镀Galfan合金镀层产品被广泛研究和使用。
但Galfan镀层产品在实际应用中通常会弯曲、打结，由此引发的镀层开裂会严重影响镀层的耐蚀性，从而影响产品的使用寿命。因此利用硅元素和稀土元素之间的协同作用，提高镀层的抗开裂性，有效提高Galfan合金的耐蚀性成为镀锌工作者的追求。
发明内容
本发明的目的是降低镀层开裂性，提高Galfan合金镀层耐蚀性，提供一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层以及该镀层的热浸镀方法。
一种含硅的热浸镀Galfan合金镀层，其特征在于：所述热浸镀Galfan合金镀层含有质量百分比为0.01%~0.1%的硅。
进一步地，所述热浸镀Galfan合金镀层的组分，按照重量百分比计算为：铝：4.5~5.5；镧铈混合稀土：0.01~0.1；硅：0.01~0.1；不可避免的杂质：≤0.5；锌：余量。
图1为热浸镀含硅0.03%的Galfan合金镀层照片，从图中可以看出，镀层表面光洁，无漏镀、气泡等缺陷。
为了控制合金层的厚度，本发明中在Galfan合金中添加0.01%~0.1%的硅，图2为添加0.03%硅的Galfan合金镀层SEM照片，图中铁基体与外层凝固组织之间的一条黑线即为铁铝抑制层，从图中可以看出该抑制层厚度均匀，厚度范围在500nm~1500nm之间，外围凝固组织为伴有少量块状富锌相的致密的锌铝共晶组织。
本发明还提供上述的含硅的热浸镀Galfan合金镀层的热浸镀方法，包括熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤，对钢铁材料进行镀前处理的步骤和热浸镀的步骤，其特征在于：热浸镀的温度控制在480℃~500℃，浸镀时间为30s~180s。
进一步的，在熔炼含硅的热浸镀Galfan合金镀层的步骤中，使用一种混合熔盐作为覆盖剂，用以除去熔池表面的杂质，该混合熔盐成分组成按照重量百分比计算为：46%~55%氯化钠、30%~38%氯化钾、5%~10%氯化锂、3%~6%氟铝酸钠和5.5%~8%氟化钾。
本发明的最佳浸镀温度为480℃~500℃，相比于传统镀锌温度430℃~460℃提高了20℃~60℃，在此温度范围下锌池流动性更好，可获得表面光洁度更高的镀层，图3中(a)和(b)分别为430℃和480℃浸镀出的样品宏观照片。
因本发明浸镀温度较高，故表面不可避免的会造成铝和锌的微量烧损，熔池表面生成一层氧化物，使得镀件从熔池中取出时会有氧化物的残留，严重影响镀件的外观质量；为解决该问题，本发明使用一种混合熔盐作为覆盖剂，用以除去熔池表面的杂质，该混合熔盐成分组成(质量百分数)为：46%~55%氯化钠、30%~38%氯化钾、5%~10%氯化锂、3%~6%氟铝酸钠和5.5%~8%氟化钾，使用该覆盖剂后，可以减少表面铝锌的烧损，使熔池表面光亮，图4(a)和(b)分别为使用普通氯化钠和氯化钾混合熔盐作为覆盖剂的熔池和本发明所述混合熔盐作为覆盖剂的熔池表面宏观照片，由图可以看出，本发明所述混合熔盐作为覆盖剂覆盖到熔池表面后，熔池表面光亮无污，浸镀出的镀件外观效果如图1所示。
本发明实验证明，在折弯抗裂性测试实验中，加硅Galfan合金镀层抗裂性能优于Galfan合金，在弯曲角度为135°时，加硅Galfan合金镀层几乎没有出现宏观上的裂纹，如图5示，继续增大折弯角度，当弯曲角度为150°时，出现裂纹，裂纹最大宽度达到61μm，如图6示；而Galfan合金镀层在弯曲角度150°时，裂纹宽度已经最大为214μm，几乎完全裂开，如图7所示。
本发明实验证明：在氯化钠溶液腐蚀试验中，加硅Galfan合金耐蚀性明显优于普通Galfan合金耐蚀性；图8为加硅G   alfan合金镀层与相同浸镀时间的普通Galfan合金镀层在10wt.% 氯化钠溶液中的电化学腐蚀实验结果，所述加硅Galfan合金镀层的组分以质量分数计算，铝含量5%，硅含量0.03%，稀土0.06%，余量为锌；根据CorrTest系统测得的恒电流极化数据结果(图8)，再用CorrTest系统中的电化学参数拟合系统得到表1中的结果，重复实验3次，所得结果均表明本发明所述镀层耐蚀性优于Galfan合金镀层；表1表明在相同腐蚀条件下，Galfan合金镀层的腐蚀电流密度为4.99×10^-5 A/cm²，而本发明所述镀层的腐蚀电流密度仅为2.81×10^-6A/cm²，本发明所述镀层耐腐蚀性更佳；另外，本发明所述镀层的自腐蚀电位比Galfan合金高、腐蚀速率低于Galfan合金镀层，计算出的极化电阻也比普通Galfan合金镀层的大，证明本发明所述镀层耐蚀性明显优于Galfan合金镀层。
附图说明
图1是热浸镀含硅Galfan合金镀层宏观照片。
图2是含硅Galfan合金镀层SEM照片。
图3是430℃和480℃浸镀出的样品宏观照片。
图4是使用普通氯化钠+氯化钾混合熔盐作为覆盖剂的熔池与本发明所述混合熔盐作为覆盖剂的熔池表面宏观照片。
图5是含0.03%硅的Galfan合金镀层折弯135°表层形貌照片。
图6是含0.03%硅的Galfan合金镀层折弯150°表层形貌照片。
图7是普通Galfan合金镀层折弯150°表层形貌照片。
图8是加硅Galfan合金镀层与相同浸镀时间的普通Galfan合金镀层在10wt.% 氯化钠溶液中的电化学腐蚀实验结果示意图。
表1是电化学实验各项参数及拟合得到的参数。
具体实施方式
本发明的具体实施方案是：
第一步：
将含硅Galfan合金按照Zn-(4.5~5.5)%Al-(0.01%~0.1%)RE-(0.01%~0.1)Si进行配比，在上述混合覆盖剂覆盖下在中频感应镀锌炉中熔炼；熔炼合金时，Si以Al-30Si中间合金的形式加入到熔融的合金液中，加入时炉温设置为700℃，然后进行充分的搅拌，使得硅元素充分的溶解，避免硅元素偏析；待合金充分熔融后，用铝箔纸包裹着稀土加入到熔池底部，以减少稀土的烧损和氧化；待稀土熔化均匀之后，将中频感应镀锌炉降至480℃~500℃。
第二步：
对钢铁材料进行镀前处理，为保证实验精度，对钢铁材料进行如下预处理：采用质量分数为15%的NaOH溶液在70~80℃下对镀件进行碱洗1min~2min，以除去基体表面的油脂；水洗之后在室温下进行酸洗，酸溶液是质量分数为15%的HCl溶液，酸洗时间为2min~4min，用以去除基体表面铁锈；水洗，进行助镀处理，助镀剂采用NH₄Cl+ZnCl₂+SnCl₂混合助镀，作用是使镀件表面在镀前具有一定的活性，增强镀件基体与镀层的结合力；将助镀好的镀件放在鼓风干燥箱中干燥10min~15min。
第三步：
进行热浸镀；在进行浸镀之前，必须保证熔池温度在本发明所述480℃~500℃范围内，之后刮开混合熔盐覆盖剂，获得清洁的熔池表面，将烘干的镀件以不低于10cm/s的速度放入熔池中；浸镀时间为30s~180s，由于所用助镀剂为NH₄Cl、ZnCl₂、SnCl₂混合盐溶液，故镀件浸没到合金液之后，会使锌池表面发烟，污染锌池表面，故在取出镀件之前，还应进行一次熔池表面刮渣，以获得清洁表面，浸镀完成后，以不高于2 cm/s的速度取出镀件，放入水中迅速冷却。
表1