热浸镀锌镀层界面结构与性能研究
热浸镀55%al-zn合金镀层钢板的镀层结构及防腐蚀机理
热浸镀55%al-zn合金镀层钢板的镀层结构及防腐蚀机理
热浸镀55%Al-Zn合金镀层钢板是一种防腐蚀涂层，在钢板表
面形成一层由铁和铝与锌的合金组成的镀层。
这种镀层的主要成分是55%的铝，43.5%的锌和1.5%的硅。
镀层结构主要包括两部分：外层由铝和锌组成的合金层，内层是与钢板形成的金属铁素体和铝铁亚相层。
防腐蚀机理主要是通过镀层中的锌和铝的化学反应和电化学原理来起作用。
首先，镀层中的铝会与空气中的氧气和水反应，形成一层致密的氧化物层（铝酸盐层），该氧化物层能够阻断氧气和水的进一步渗透。
其次，镀层中的锌具有更活泼的电位，与钢板发生电化学反应，形成锌离子和电子。
锌离子会与空气中的氯离子等有害物质反应，形成一层稳定的锌盐层（锌铝酸盐层），该锌盐层能够隔离氧气和水的进一步侵蚀。
此外，由于55%Al-Zn合金涂层具有较大的阳极保护电位差，
当涂层受到损伤时，涂层中的铝和锌会优先溶解，形成阳极电流，保护钢板不受腐蚀。
总的来说，热浸镀55%Al-Zn合金镀层钢板通过氧化物层和锌
盐层的形成，以及阳极保护机制，阻止了氧气、水和有害物质对钢板的进一步腐蚀，从而达到了良好的防腐蚀效果。
热浸镀锌铝的界面反应及熔池的热力学研究
热浸镀锌铝的界面反应及熔池的热力学研究热浸镀锌广泛应用于提高钢材的耐蚀性，Zn-55%Al、Zn-5%等锌铝镀层的耐蚀性能要优于单一的锌、铝镀层。
由于锌铝熔池中铝的存在，导致钢基与熔池之间发生激烈的放热反应，同时镀层金属间化合物层快速增厚、熔池中产生大量的锌铝渣。
为控制钢基与熔池之间的快速反应，在熔池中加入硅和铜等合金元素，针对铁、锌、铝和硅之间的相互反应，测定了相应的相关系，研究了合金元素对镀层的影响，明确热浸镀锌铝中的界面反应和熔池中锌铝渣的形成机理，以利于改善镀层的组织结构。
试验测定了Zn-Fe-Cu三元体系450°C、620°C和800°C等温截面，在该体系中未发现三元化合物。
450°C等温截面中存在8个三相区，试验结果表明铜在Γ和δ<sub>Fe</sub>相中的溶解度分别为17.9at.%and15.2at.%，而在液相和ζ相中的溶解度很低。
这个结论证明了在热浸镀锌熔池中加入的铜含量达到1.0at.%时，将促使Γ和δ<sub>Fe</sub>相的形成，同时抑制ζ相生长。
在该体系620°C和800°C等温截面中分别存在4个三相区和3个三相区。
620°C时γ和Γ相形成连续固溶体，该连续固溶体在本研究中被命名为γ/Γ相。
620°C等温截面中δ<sub>Fe</sub>和δ<sub>Cu</sub>相伸入相图内部，所形成的(γ/Γ+δ<sub>Fe</sub>+δ<sub>Cu</sub>)三相区成分范围狭小。
在Zn-Al-Ni三元体系600°C等温截面中存在8个三相区，在该体系中同样未发现三元化合物。
镍在液相中的溶解度非常低，最大值未超过0.8at.%。
共存在该体系中的二元相AlNi和NiZn伸入相图内部，可以清晰的判断三相区(NiZn+AlNi+Ni<sub>3</sub>Zn<sub>14</sub>)和（AlNi<sub>3</sub>+AlNi+NiZn）存在于该等温截面中，同时在本研究中确定了AlNi,Al<sub>3</sub>Ni<sub>5</sub>和AlNi<sub>3</sub>相的三相平衡关系。
低碳钢表面热浸镀锌层的组织_李风
低碳钢表面热浸镀锌层的组织
李 风1 , 李殿凯 1 , 李明喜 1, 汪国华2 , 卜恒妹 2
(1.安 徽工业大学材料科学与工程学院 , 安徽 马鞍山 243002;2.安徽恒兴镀锌有限公司 , 安徽 马鞍山 243011)
摘 要 :利用传统的溶剂工艺在低碳钢表面热浸镀锌 。采用 X射线衍射仪和扫描电镜研究了低碳钢热浸镀 锌层的显微组织及相组成 。结果表明 , 热浸镀锌层的组织由基体向表面依次为 Γ(Fe5 Zn21 )相 、δ1 (FeZn7 )相 、ζ(FeZn13 )相和 η(Zn)相 ;镀层最表层出现异常的 Γ相 , 而 δ1 相合金层存在 η相 ;与基 体结合处的 Γ相呈白亮的线状 , 靠近表面则呈齿状 ;镀层不同部位的块状 δ1 相的致密度不同 , 远离 基体处比较疏松 ;棒状 ζ相分散在 η相中 。
钢铁材料的热浸镀锌处理 , 是使钢件表面镀一 层与基体结合力强 、耐腐蚀性好和装饰效果较好的 镀锌层 [ 1] 。由于 材料的宏观性能与其 微观结构密 切相关 , 而实际生产中锌 镀层的结构极 为复杂 [ 2] ,
因而对镀锌制品的微观结构尤其是镀层的相组成进 行深入 、细致的研究 , 为调整生产工艺 提供理论依 据 , 对促进新产品的开发与产量的扩大是极其有意 义的 。 本文采用 X射线衍射仪和扫描电子显微镜 研究了低碳钢 (Q235)热浸镀锌层的显微组织及相 组成 , 以进一步改进工艺和配方 , 提高镀层的性能 , 为新产品开发提供理论依据 。
表 1 Q235 钢的化学成分 (质量分数 , %) Table1 ChemicalcompositionofQ235 steel(wt%)
C
Mn
S
Si
P
0.14 ～ 0.22 0.30 ～ 0.65 ≤ 0.050 ≤ 0.30 ≤ 0.045
BH390钢热镀锌抑制层及其合金化镀层界面结构
η（ Fe2 Al5 ） θ（ FeAl3 ）
71. 0 － 72. 5 76. 5
Rhombic Monoclinic
VHN / MPa
11500 7600
Melting point / ℃
1173 1157
通过对锌液中铝含量为 0. 13 wt% ～ 0. 16 wt% 的 热镀锌镀层界面的 TEM 分 析 结 果 发 现，TEM 的 暗 场 图像显示（ 如 图 3a） ，底 层 的 结 晶 体 排 列 成 具 有 结 晶 学 取 向 的 晶 团 ，这 些 晶 团 在 它 们 的 边 界 上 有 明 显 的 分 界 线 ，这 些 分 界 线 的 网 络 明 显 地 勾 划 出 其 底 部 钢 基 体 的结构。其上层的晶 粒 因 与 Zn 液 接 触，而 具 有 明 显 的随机结晶取向和形貌。这说明大部分抑制层的结 晶 成 核 对 钢 基 体 有 强 烈 的 取 向 关 系 ，即 形 成 有 序 的 抑 制层结晶的晶团。从图 3（a）中还可以看出抑制层由 两个基本的化合物层构成：（1） 与钢基体表面接触的 是一层晶粒粗大、结 构 粗 糙 的 粒 状 等 轴 的 晶 体，其 直 径为 300 ～ 500 nm，厚 度 约 为 300 nm，衍 射 花 样 分 析 结果为 Fe2 Al5 金属间化合物（ 图 3b） ，如图 3（ a） 钢基 体界面上部明场图像所示。（2） 在靠近镀层一侧的 是一层颜色较暗 的、结 构 致 密 而 细 小 的 密 集 晶 体，其 直径为 60 ～ 100 nm，厚 度 约 为 300 nm。衍 射 花 样 分 析结果 为 FeAl3 金 属 间 化 合 物 （ 图 3c ） ，如 图 3 （ a ） Fe2 Al5 金属间化合物上部暗场图像所示。
热浸镀锌铝镁镀层组织结构与耐蚀机理研究
热浸镀锌铝镁镀层组织结构与耐蚀机理研究热浸镀是一种经济而有效的钢铁材料表面处理方法,热镀锌产品对钢铁的减蚀延寿、节能节材起到十分重要的作用。
随着科学技术的发展和人类社会的进步,随着锌资源的不断消耗,耐蚀性能更高、经济性能更好的新型合金镀层、复合镀层成为研究和开发的重点。
镀层中加入适量的镁元素具有许多显著优点,热浸镀Zn-Al-Mg合金镀层由于具有良好的耐蚀性和耐损伤性而成为研究的热点。
本论文主要利用钢铁研究总院自主研发制造的模拟机,模拟热浸镀连续生产线上的生产工艺条件,按照优化后的加工工艺,制备出一定成分的锌铝镁镀层钢板。
通过制备得到的Zn11A13Mg0.2Si镀层钢板和其他钢铁厂商业化生产线上生产的纯锌(GI)、铝锌硅(GL)、Zn6Al3Mg等成分的不同镀层钢板进行对比试验和参照,利用扫描电子显微镜及附带能谱仪确定Zn11Al3Mg0.2Si镀层的表面和截面的微观组织形貌与成分；采用腐蚀盐雾试验和全浸试验来对比研究锌铝镁镀层与各类镀层的耐蚀性能；利用X射线衍射仪对Zn11Al3Mg0.2Si镀层表面、切边产生的腐蚀产物进行XRD检测,分析其物相组成成分。
并通过研究对比拉伸变形前后电化学腐蚀特性和杯突、折弯变形前后锌铝镁镀层钢板的耐蚀性,分析了Zn11Al3Mg0.2Si镀层的耐蚀机理。
论文取得以下主要结果：Zn11Al3Mg0.2Si镀层的耐腐蚀特性与其微观形貌有着不可分割的联系,热浸镀锌铝镁合金镀层比普通镀锌层具有更稳定细致的组织结构,更致密的腐蚀产物,这些有益的特征保证了该镀层优异的耐蚀性,并且在恶劣环境下具有更良好的耐蚀性。
拉伸变形与杯突变形对Zn11Al3Mg0.2Si层腐蚀性能的影响较大,变形使镀层表面产生不同程度的裂纹,镀层耐蚀性下降明显；形变改变了镀层的电化学腐蚀特性。
Zn11Al3Mg0.2Si镀层钢板的切边部分同样表现出了优良的耐蚀性,大大优于纯锌(GI)镀层,镁元素的存在是锌铝镁合金镀层切边防腐能力提高的主要原因。
热镀锌铝镁镀层的组织结构及应用浅析
热镀锌铝镁镀层的组织结构及应用浅析热镀锌铝镁镀层的组织结构及应用浅析摘要：本文介绍了国内外锌铝镁镀层的发展、应用情况，锌铝镁镀层的在应用中具有耐腐蚀性好、自愈性的优点，相对于纯锌镀层具有更好耐蚀性能。
对热镀锌铝镁镀层的组织和耐蚀原理进行探究，镀层中的铝、镁更易形成化合物，减小镀层腐蚀面积，有效抑制腐蚀进度。
关键字：热镀锌铝镁；耐蚀性能；镀层1.引言在日常的生活和工作中，热浸镀是钢铁耐蚀防护的一种主要方法，但随着技术水平的进步和对耐蚀性要求的提高，传统的热镀锌已经不能满足实际的需要，在锌液中添加铝、镁、稀土、镍、钛、锰、铋等合金镀层以及特殊性能的镀层，也受到了不同程度的重视，这些镀层的耐蚀性要比传统热镀锌有很大的提高，但生产工艺较为复杂，且生产和研究成本较高，在国内的运用还不是特别广泛，因此，研究生产成本与传统热镀锌相当、耐蚀性较高的新镀层是非常有必要的，也是该领域发展的方向之一。
2.热镀锌铝镁的发展及应用2.1国外热镀锌铝镁发展情况近年来，日本、欧美国家针对锌铝镁合金镀层方面进行的大量的研究，并取得了大量的成果。
关于锌铝镁的初次尝试是在20世纪60年代左右，由美国一公司进行的，但是第一批大型试验生产线是在日本建立，因此国外锌铝镁合金镀层方面的发展较早，时间较长，也较为成熟。
为了进一步研究新型镀层锌铝镁体系的合金镀层腐蚀机理和耐蚀性，提高镀锌层的防护作用，开发新型的合金镀层，各国学者专家对此类镀层进行了各种各样的研究，并取得了多方面的进展。
2.2国内热镀锌铝镁研究进程我国对于合金镀层的应用多数为锌铁、铝锌和铝硅等合金镀层，锌铝镁镀层的应用较为少见，对于同时加入多种合金元素领域涉及并不广泛。
近年来，我国对新型镀层的开发与研究逐渐发展起来，但还的落后于发达国家，且在实际生产中的应用少有厂家推广。
所以，在开发新型镀层方面需要科研人员不断的探索，从新型镀层和各种耐蚀机理两方面着手，为我国新型镀层的开发、研究及应用奠定坚实的基础。
Bi、Ti、Mn对热浸镀锌镀层组织与性能的影响
Bi、Ti、Mn对热浸镀锌镀层组织与性能的影响为了开发性能优异的热浸镀合金,本研究通过在锌液中添加微量Al、Bi、Ti、Mn元素,并对Q235钢进行热浸镀后获得了Zn-xBi(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5wt%)、Zn-0.5%Al-xTi(x=0,0.03,0.05,0.07,0.10,0.12wt%)、Zn-5%Al-xTi(x=0,0.03,0.05,0.07,0.10,0.12wt%)和Zn-0.5%Al-xMn(x=0,0.05,0.12,0.18,0.25wt%)合金镀层,探讨了Bi、Ti、Mn对合金镀层组织、厚度、硬度和耐蚀性的影响规律,得到了以下主要研究结果。
在锌浴中添加微量的Bi能细化晶粒,减少锌渣产生。
随Bi含量提高,锌液流动性增加,镀层表面质量改善,厚度减小,抑制Sandelin效应,但晶粒尺寸增大,硬度降低,耐腐蚀性能变差。
当Bi含量为0.1%-0.3%时,镀层硬度下降速率较小;当铋含量在0.3%-0.5%时,镀层硬度变化速率较大。
添加Ti可提高镀液的流动性,减少热浸镀锌灰、浮渣和锌瘤,改善镀层表面质量,细化晶粒,减小镀层厚度,有效抑制Sandelin效应。
当Al含量一定时,随着Ti含量增加,Zn-0.5%Al-xTi合金镀层的光洁度先升高后降低,晶粒尺寸先减小后增大,显微硬度先增大后减小,镀层厚度先减小后增大,腐蚀速率呈现出先增加后减小再增加的变化规律;随着Ti含量增加,Zn-5%Al-xTi合金镀层的光洁度先升高后降低,晶粒尺寸先减小后增大,显微硬度先增大后减小,镀层厚度逐渐降低,耐蚀性先增加后降低。
当Ti含量一定时,随着Al含量的提高,镀层光亮度提高,厚度增加,晶粒尺寸增大,耐蚀性显著提高。
Zn-5%Al-0.10%Ti合金镀层表面质量好,镀层厚度适中,晶粒尺寸小,硬度高,耐蚀性好,综合性能最优。
添加适量Mn可提高镀浴流动性,减少锌渣,细化晶粒,有效抑制Fe-Zn反应,减少镀层厚度,抑制Sandelin效应,提高镀层耐蚀性。
热浸镀铝锌镀层电化学腐蚀行为的的研究
摘要热浸镀Al-Zn合金镀层已广泛应用于钢铁制品的一种防腐保护。
从国内外目前主要采用的钢铁制品的铝锌合金镀层产品看，55%Al-Zn-Si体系的合金镀层被证明具有良好的防腐蚀性能，特别是美国伯利恒钢铁公司开发的已商品化的55%Al-43.4%Zn-1.6%Si合金镀层防腐效果尤佳。
本论文在分析文献的基础上，在前期摸索国外商品热浸镀55%Al-Zn-Si镀层的结构和制备工艺的基础上，采用自制的热浸镀装置和工艺，对Q235钢的热浸镀铝镀层和55%Al-Zn合金镀层进行了表征和电化学腐蚀性能、机理等方面的研究，并着重从钢的表面处理方式、热浸镀工艺（预热温度、浸镀温度及冷却方式等）及添加稀土元素等因素研究了镀层形貌、组成与其耐蚀性能的影响关系。
主要结论如下：1. 采用自制的热浸镀装置和工艺可以制备出合适的铝镀层及与国外商品热浸镀55%Al-Zn-Si合金镀层成分相似的产品；2、自制的热浸镀铝锌合金镀层产品的组成、结构及形貌对其腐蚀性能有一定的影响；3、通过电化学手段对自制的55%Al-Zn-Si镀层在3.5%NaCl腐蚀介质中的腐蚀演变规律的研究表明，55%Al-Zn-Si镀层在腐蚀过程中，表面形成的致密氧化铝保护层及Al自身的高耐腐蚀可以有效提高235钢基体的耐腐蚀性能，说明镀层的保护效果明显。
4、Q235钢的前处理方式不同，对热浸镀铝镀层的形貌和耐蚀性性能有极大的影响。
在长期浸泡腐蚀实验中，冷水漂洗的钢基热浸镀铝锌镀层要比热水漂洗的钢基热浸镀铝锌镀层具有更好的耐蚀性能。
5、预热温度为640℃和650℃，浸镀温度为640℃时，镀层具有较高的耐蚀性能和较长的腐蚀寿命，过高或过低的预热温度对镀层的耐蚀性能均有不良的影响；水冷方式制备的铝锌合金镀层的耐蚀性能要明显好于空冷方式制备镀层的耐蚀性能。
6、在热浸镀工艺过程中加入一定量的稀土能有效改善热浸镀产品的结构、形貌及其腐蚀性能。
适量添加稀土，能明显抑制镀层的针孔，使镀层表面更加平整光亮，耐腐蚀性能更好。
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热浸镀锌镀层界面结构与性能研究
电力铁塔是高压输电线路的承重结构,其防护镀层在服役过程中会受静态和动态力以及大气腐蚀的共同作用而发生裂纹、撕裂或脱落,使钢铁基体失去保护而遭受腐蚀,甚至导致铁塔的断裂倒塌,直接影响供电系统的稳定性,威胁人们的生产和生命财产安全。
表面热浸镀锌是铁塔常用的防腐蚀保护方法。
镀液的成分、纯净度、Sandelin效应以及在静动态力作用下镀层的电化学性能和力学行为都将影响对铁塔的防护效果。
尽管热浸镀锌是一项传统的表面防护技术,但人们对镀层的研究还远非深入。
例如对镀层各子层的腐蚀性能的研究尚不深入;Sandelin效应的产生机理仍存在较大的分歧,缺乏完整和统一的认识;镀层的疲劳、蠕变和阻尼方面也鲜有研究。
针对以上问题,本工作通过在镀液中添加微量的Mn来提高镀层的抗腐蚀性及减弱Sandelin效应;从镀层的结构入手,研究Mn对镀层氧化膜的干涉现象及Sandelin效应的影响机理;采用电化学法分析Mn对镀层表面膜及各子层抗腐蚀性的影响;研究了镀层的断裂和蠕变性能以及镀层对镀件阻尼性能的影响;提出了新的镀液净化处理技术。
主要研究结果如下:1.发现镀层表面的富Mn氧化层对可见光具有干涉作用,使镀层呈现不同的色彩。
Mn能使镀层ζ子层的厚度变薄且细小致密;Mn的添加能增加子δ层的厚度。
镀液中的Mn可以取代镀层中ζ-FeZn<sub>13</sub>相的部分Fe原子形成ζ-（Fe,Mn）Zn<sub>13</sub>相,而不会取代δ-FeZn<sub>10</sub>子层中的Fe,并据此提出了含Si活性钢热浸镀时Sandelin效应的作用机理。
Mn可减弱含Si 活性钢的Sandelin效应,因为在ζ-（Fe,Mn）Zn<sub>13</sub>子层中会优先形
成Mn-Si化合物,从而降低了Fe-Si化合物对热浸镀反应的不良影响。
2.着重从镀层界面结构的角度,探讨了Mn元素对镀层各子层腐蚀行为的影响。
Mn的添加能显著提高镀锌层的表面富Mn氧化层的抗腐蚀性能。
通过逐层剥离各子层的方法,发现Mn不仅能够降低η子层的腐蚀电流,而且也能提高ζ子层的腐蚀电位,主要是因为含Mn镀层形成的腐蚀产物较致密,能阻碍腐蚀反应的继续进行。
镀层的电化学剥离曲线显示含Mn镀层的整体抗腐蚀性能要优于纯Zn镀层。
在镀层的溶解过程中,在纯Zn镀层的ζ子层中只选择腐蚀周围的Zn相,导致部分FeZn<sub>13</sub>相颗粒未经腐蚀即脱落,未起到阻碍腐蚀作用;而含Mn 镀层ζ子层的大部分（Fe,Mn）Zn13颗粒能有效阻碍腐蚀的进行。
3.揭示了在应力作用下裂纹在镀层内部各子层的产生和扩展机理。
镀层裂纹首先在δ子层中产生并沿垂直基体的方向扩展;向下扩展到钢基体后停止,向上在ζ子层中裂纹沿着FeZn<sub>13</sub>/Zn的相界面扩展;最后裂纹在η子层沿晶界扩展直至镀层发生完全断裂,在镀层的表面出现大量的Ⅰ型裂纹;拉应力继续增大时,镀层FeZn<sub>10</sub>/Fe界面在剪切力的作用下开裂,使δ子层与钢基体分离形成Ⅱ型裂纹。
在镀件处于弹性变形范围内的低应变疲劳时,镀层不会出现裂纹;镀层裂纹仅与镀件的塑性变形有关。
4.研究了镀层对镀件阻尼性能的影响,在相同的应变、频率和温度条件下,镀件的阻尼性能明显大于钢基体的阻尼性能,这主要是由于镀层的引入产生较多的可动位错使位错阻尼增加,以及镀层/基体界面所产生的界面阻尼。
镀件阻尼性能的提高可以使铁塔在风载振动时起到减振的作用。
按照镀件阻尼随应变量的变化规律,其阻尼应变谱可分为4个阶段,每个阶
段对应不同的阻尼机理。
5.采用压痕法表征了镀层η子层的压痕蠕变,其蠕变应力指数随Mn含量的增加而变大,数值大小在14-46之间;η子层蠕变机制主要为位错滑移和孪晶,Mn的添加能提高η子层的抗蠕变性能,其主要原因是Mn的添加所形成的弥散ZnMn<sub>13</sub>相颗粒抑制位错的滑移,减少η子层孪晶的形成。
6.提出了多孔吹头喷吹法净化镀液中锌渣的低成本技术原型。
制备了多孔材料吹头,并设计了多孔吹头喷吹净化装置,使喷吹出的气体形成细小的气泡。
经企业近一年的生产实践表明,该方法对于去除镀液内部的悬浮渣,效果显著。