一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于熱浸鍍鋅【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金及其制備方法。其特征在于：Al的含量控制在30wt.%，Zr的含量控制在0.5~1.5wt.%，B的含量控制在0.5~1.5wt.%，其余為Zn。本發(fā)明技術(shù)一方面通過控制Al含量在30wt.%，減緩Fe與Al之間的放熱反應(yīng)，有效減少底渣的產(chǎn)生，從而提高生產(chǎn)效率；另一方面，通過Zr與B元素的加入，細(xì)化鍍鋅合金中的共晶組織。從而，在生產(chǎn)成本不會(huì)大幅度增加的情況下提高鍍鋅合金的耐腐蝕性能，同時(shí)提高鍍層表面質(zhì)量。可以應(yīng)用于一些對(duì)耐腐蝕性能、外觀質(zhì)量要求比較高的零部件的熱浸鍍生產(chǎn)工藝中。
【專利說明】—種熱浸鍍用Zn-A卜Zr-B合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于熱浸鍍鋅【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱浸鍍鋅及鋅合金產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛用于家電、建筑、容器制造、車船等行業(yè)。近年來，全球鍍鋅鋼板的需求量不斷上升，產(chǎn)量的增長(zhǎng)也很迅速；但是，由于鋼鐵制品長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中極其容易發(fā)生腐蝕，造成鋼鐵產(chǎn)品的毀壞失效，給人類的生產(chǎn)、生活帶來很嚴(yán)重的影響，甚至危及到人民的生命；腐蝕是自然界中一種很普遍的現(xiàn)象，無法避免；據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球上每年因?yàn)楦g問題而報(bào)廢的金屬產(chǎn)品大約相當(dāng)于全球金屬年產(chǎn)量的1/3，為了延長(zhǎng)金屬制品的壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失，金屬的腐蝕防護(hù)工作就被擺在了一個(gè)重要的地位，耐腐蝕性優(yōu)良且成本低廉的熱鍍鋅鋼板開始普遍受到了青睞。
[0003]鋯是一種高熔點(diǎn)金屬元素，常作為強(qiáng)化元素或變質(zhì)劑添加到其他金屬或合金中。鋯具有極高的熔點(diǎn)和優(yōu)異的耐腐蝕性能，鋯的熔點(diǎn)比鈦更高，鋯合金的耐腐蝕性能比鈦合金更好，被廣泛用于航天、軍工、核反應(yīng)、原子能等領(lǐng)域；另外，在熔池中加入少量的Zr元素可以提高鋅液的流動(dòng)性，使鋼基表面得到凈化，提高基體與鋅液之間的浸潤(rùn)性，可以提高鍍層的表面質(zhì)量，但是Zr元素對(duì)界面反應(yīng)沒有明顯的影響。
[0004]鋅鋁合金鍍層具有良好的耐腐蝕性能，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛的研究，開發(fā)了多種合金鍍層；其中，Galvalume合金鍍層應(yīng)用最廣，它的成分為Zn-55%A1_1.6%Si，Galvalume合金鍍層擁有良好的耐腐蝕性能,耐腐蝕性大約是普通純Zn鍍層產(chǎn)品的數(shù)倍，不管是在室外、或是潮濕環(huán)境，或在`海洋性氣候等惡劣條件和環(huán)境里，Galvalume合金鍍層比普通鍍鋅的耐腐蝕性能更優(yōu)越，但是，Galvalume合金鍍層存在一些問題，比如:鍍層過厚、熔池中渣量過多，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量。因此，降低熔池中底渣的含量這一課題的研究，很有意義。
[0005]熔池中鋅渣產(chǎn)生的主要原因是過飽和鐵的存在和熔池中高的鋁含量，而過飽和鐵主要來源于鋼板熱浸鍍時(shí)的溶入，研究表明，通過有效降低鋅池中鋁含量的方法能減少鋅渣的形成，并且隨著鋁含量的降低，鋅池鍍液密度增大，可以使底渣轉(zhuǎn)化為浮渣，本發(fā)明通過控制Al含量在30wt.%，減緩Fe與Al之間的放熱反應(yīng)，一定程度上減少鋅渣的產(chǎn)生。
[0006]因此，控制鋁含量以減少渣量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)利用鋯和硼來改善熱浸鍍用合金組織和擴(kuò)展鋅鋁鋯合金系鍍層的應(yīng)用范圍，開發(fā)出滿足目前市場(chǎng)所需求的更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的且性能良好的新型合金鍍層產(chǎn)品，是十分必要且有意義的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于開發(fā)出一種新型熱浸鍍用鋅鋁鋯硼合金，降低Al含量至30wt.%，減少鋅池中的渣產(chǎn)量；同時(shí)將高熔點(diǎn)合金元素鋯與硼元素加入到熱浸鍍用鋅鋁合金中，通過細(xì)化鍍鋅合金中的共晶組織，在生產(chǎn)成本不會(huì)大幅度增加的情況下提升熱浸鍍用鋅鋁合金的耐腐蝕性能，提高鍍層表面質(zhì)量；Zr的添加能使熔池光亮且流動(dòng)性良好，使新型鍍鋅合金應(yīng)用于一些對(duì)耐腐蝕性、外觀質(zhì)量要求比較高的零部件的熱鍍鋅工藝中。
[0008]本發(fā)明熱浸鍍用鋅鋁鋯硼合金采用的技術(shù)方案是:由Zn、Al、Zr、B四種元素組成，按質(zhì)量百分比計(jì)，其特征在于:A1的含量控制在30%，Zr的含量控制在0.5^1.5%，B的含量控制在0.5~1.5%，其余為Zn。
[0009]上述的熱浸鍍鋅鋁鋯硼合金的制備方法采用的技術(shù)方案為ax元素采用Al-1OZr中間合金加入，將熔煉爐溫設(shè)置在720 V，先熔煉Zn塊、Al塊，待Zn及Al塊融化完全后再加入Al-1OZr中間合金和A1-16B中間合金，全部融化后攪拌均勻，最后降溫到所需要的熱浸鍍溫度550°C，具體為:
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、A1-16B中間合金、Al-1OZr中間合金；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊、鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊、鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在合金熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)；
(5)待全部合金完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆注。
[0010]所述的步驟(1)中按比例稱量好Zn塊、Al塊、A1-16B中間合金、Al-1OZr中間合金指按質(zhì)量百分比計(jì)，Al塊占8.625`~22.875%，A1-16B中間合金占3.125~9.375%, Al-1OZr中間合金占5~15%，余量為Zn塊；Zn塊、Al塊均采用市購(gòu)鋁錠、鋅錠，A1-16B中間合金采用非自耗電弧熔煉爐熔煉而成。
[0011]所述步驟⑵和⑷中的鹽類覆蓋劑為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量百分含量30-50%CaCl2、20-40%KCL和質(zhì)量百分含量20%-30%NaCl的均勻混合的固態(tài)粉末，相比于常規(guī)的鹽類覆蓋劑，其具有更好的保溫效果。
[0012]所述步驟(5)中精煉和除渣采用的物質(zhì)為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量百分含量如下的混合物=MgCl2 18~28%，KCl 33~45%，NaCl 31~40%，BaCl2 2~4%，CaCl2 2~5%，CaF2 2~4%。
[0013]本發(fā)明中控制鋁含量在30wt.%，選擇合適的浸鍍溫度550°C，使合金熔池的流動(dòng)性增強(qiáng)，不僅降低鋅鋁的燒損以及氧化，而且使鍍層的厚度得到一定的控制，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上加入少量的鋯元素，使鋼材基體表面得到凈化，同時(shí)提高合金液的流動(dòng)性，并提高鋼材基體與合金液之間的浸潤(rùn)性，改善鍍層的表面質(zhì)量。
[0014]本發(fā)明熱浸鍍用鋅鋁鋯硼合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織鍍層合金的基體組織上主要分布著富Zn相,或分布著富Zn相和富Al相的混合相,或分布著富Zn相、富Al相和ZnAlZr中間合金相的混合相，該發(fā)明的技術(shù)原理來自于壓鑄鋅鋁合金的變質(zhì)處理，加入Zr元素可以減小鋅鋁合金的晶粒組織，加入B元素起細(xì)化鍍層合金共晶組織的作用，更為重要的是，加入Zr元素后形成了一定數(shù)量的ZnAlZr中間合金相，提高鍍層的耐腐蝕性能。
[0015]本發(fā)明技術(shù)的有益效果是:控制鋁含量在30wt.%，減緩Al與Fe之間的放熱反應(yīng)，減低鋅鋁液的燒損；加入少量的Zr元素，改善鍍鋅合金的顯微組織和結(jié)構(gòu)和提高合金液的流動(dòng)性，并形成一定數(shù)量的ZnAlZr中間合金相；通過在現(xiàn)有熱浸鍍鋅鋁鋯合金中加入適當(dāng)含量的硼細(xì)化鍍鋅合金的共晶組織，通過鋯和硼的聯(lián)合作用，使初晶相由原來的粗大富Zn相轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的富Zn相、富Al相、以及ZnAlZr中間合金相，初晶相的分布更加均勻，共晶組織也變得更加細(xì)小和致密，使用該鍍鋅合金將有利于提高熱浸鍍用鋅鋁鋯硼合金的耐腐蝕性能，為用戶生產(chǎn)出滿足性能要求的新型鋅鋁合金鍍層產(chǎn)品。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]表1為實(shí)施例1飛的鍍鋅合金的設(shè)計(jì)名義成分；
圖1為實(shí)施例1飛的合金的掃描電子顯微鏡的BSE圖片；
圖2為華中科技大學(xué)電化學(xué)工作站配套使用的corrtest電化學(xué)測(cè)試軟件界面；
圖3為實(shí)施例1飛中的熱浸鍍用鋅鋁鋯硼合金的電化學(xué)腐蝕速率；使用華中科技大學(xué)電化學(xué)腐蝕工作站測(cè)得腐蝕數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Zr和B元素的加入能提高鍍鋅合金的耐腐蝕性能，當(dāng)加入的Zr和B含量都達(dá)到1.5wt.%時(shí),相比于單獨(dú)加入0.5wt.%Zr的鍍鋅合金，電化學(xué)耐腐蝕性能提高4到5倍。
[0017]【具體實(shí)施方式】
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0018]實(shí)施例1
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，合金的成分為:A130%, Zr 0.5%,余量為 Zn ；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將`按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將合金熔液隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(5)隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0019]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%Al-0.5%Zr合金的掃描電鏡照片如圖1中
(I)所示,可以看出，該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,在基體上分布著樹枝狀的富Al相以及富Zn枝晶相，晶粒比較粗大。
[0020]實(shí)施例2
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金，按質(zhì)量百分比計(jì)，合金的成分為:A130%, Zr 1%，余量為 Zn ；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將合金熔液隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(5)隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0021]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%Al_l%Zr合金的掃描電鏡照片如圖1中(2)所示,可以看出，該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,共晶組織比實(shí)施例1中合金組織更加致密；在基體上分布著枝晶狀的富Al初晶相和富Zn初晶相，晶粒較實(shí)施例1中的鍍鋅合金變得細(xì)小。
[0022]實(shí)施例3
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金、A1-16B中間合金；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)；
(5)待完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0023]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%Al-l%Zr_0.5%B合金的掃描電鏡照片如圖1中(3)所示,該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,在基體上分布著樹枝狀的富Zn初晶相、富Al初晶相以及少量的ZnAlZr中間合金相，其中，ZnAlZr中間合金相主要分布在樹枝狀富Zn相和富Al相的中心，可以看出，隨著硼元素的加入，共晶組織變得更加致密，初晶相也變得更加細(xì)小。
[0024]實(shí)施例4`
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金、A1-16B中間合金；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)；
(5)待完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0025]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%Al-l%B_l%Zr合金的掃描電鏡照片如圖1中
(4)所示,該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,在基體上分布著顆粒狀的富Zn初晶相、富Al初晶相以及ZnAlZr中間合金相,可以看出，隨著硼元素含量的增加,共晶組織比實(shí)施例3的組織更加致密，初晶相更加細(xì)小。
[0026]實(shí)施例5
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金、A1-16B中間合金；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)；(5)待完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0027]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%A1-1%B_1.5%Zr合金的掃描電鏡照片如圖1中(5)所示,該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,在基體上分布著小顆粒狀的富Zn初晶相、富Al初晶相以及ZnAlZr中間合金相，可以看出，隨著硼元素含量的增加，共晶組織比實(shí)施例3的組織更加致密，初晶相更加細(xì)小。
[0028]實(shí)施例6
(1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、Al-1OZr中間合金、A1-16B中間合金；
(2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊以及鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ；
(3)待鋁塊及鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻；
(4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)；
(5)待完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣；
(6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆鑄。
[0029]通過上述步驟得到的熱浸鍍用Zn-30%A1_1.5%B_1.5%Zr合金的掃描電鏡照片如圖1中(6)所示,該合金的基體組織為Zn/Al/ZnAlZr三元共晶組織,在基體上分布著樹枝狀的富Al初晶相、富Zn初晶相以及`ZnAlZr中間合金相，可以看出，隨著鋯和硼元素含量的增加，ZnAlZr中間相顆粒增多，共晶組織比實(shí)施例3的組織更加致密，初晶相更加細(xì)小。
[0030]表1
【權(quán)利要求】
1.一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金，由Zn、Al、Zr、B四種元素組成,按質(zhì)量百分比計(jì),其特征在于:A1的含量控制在30%，Zr的含量控制在0.5^1.5%，B的含量控制在0.5^1.5%，其余為Zn。
2.如權(quán)利要求1所述的一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金的制備方法，其特征在于制備步驟如下: (1)按比例稱量好Zn塊、Al塊、A1-16B中間合金、Al-1OZr中間合金； (2)預(yù)熱石墨坩堝至暗紅色，將按比例稱量好的鋁塊、鋅塊置于坩堝中，并在鋁塊和鋅塊表面撒上鹽類覆蓋劑，然后升溫至720V ； (3)待鋁塊、鋅塊完全熔化后加入Al-1OZr中間合金，待Al-1OZr中間合金熔化后攪拌均勻； (4)將A1-16B中間合金壓入合金液中，并在合金熔液表面撒上鹽類覆蓋劑，以覆蓋熔液表面為準(zhǔn)； (5)待全部合金完全熔化后，將合金液攪拌均勻并隨爐降溫至650°C進(jìn)行精煉和除渣； (6)合金液隨爐冷卻至550°C進(jìn)行撈渣和澆注。
3.如權(quán)利要求2所述的一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)和(4)中的鹽類覆蓋劑為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量百分含量30-50%CaCl2、20-40%KCL和質(zhì)量百分含量20%-30%NaCl的均勻混合的固態(tài)粉末，相比于常規(guī)的鹽類覆蓋劑，其具有更好的保溫效果。
4.如權(quán)利要求2所述的一種熱浸鍍用Zn-Al-Zr-B合金的制備方法，其特征在于:所述步驟(5)中精煉和除渣采用的物質(zhì)為經(jīng)過脫水處理的質(zhì)量百分含量如下的混合物:MgCl218~28%，KCl 33~45%，NaCl 31~40%，BaCl22~4%，CaCl22~5%，CaF2 2~4%。
【文檔編號(hào)】C23C2/06GK103498122SQ201310412081
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】王建華, 潘修河, 涂浩, 蘇旭平, 彭浩平, 劉亞 申請(qǐng)人:常州大學(xué)