一種鋼結構件熱浸鍍鋁的方法

2023-06-23 21:37:36 1

專利名稱：一種鋼結構件熱浸鍍鋁的方法
技術領域：
本發明涉及金屬表面鍍層技術領域，特別涉及一種鋼結構件的熱浸鍍方法。
背景技術：
鏽蝕是鋼鐵材料損耗的重要方式，每年由於鏽蝕而損失的鋼鐵材料多達數千萬噸，而目前在金屬表面熱浸鍍防腐層是提高金屬抗腐蝕性能、減少金屬腐蝕消耗的最有效辦法；針對不同用途的鋼鐵材料，由於使用環境、材料結構和性能等方面的不同，目前採用的熱浸鍍金屬塗層材料主要包括 系、稀土系、Zn-Al系、Al系、稀土 Al系等；近年來， 熱浸鍍鋁在成本、環保及鍍層性能和壽命等方面具有明顯的優勢，收到越來越多的關注。在高鋁含量的熱浸鍍合金中，feilvalume合金採用55%A1_1. 6%Si-Zn合金鍍層被認為是現有技術中合金元素匹配最好、鍍層綜合性能最優良的合金，它兼備了鍍鋅層的耐腐蝕性和鍍鋁層的抗高溫性等多種優異性能，所以取得了廣泛的應用；現有的熱浸鍍鋁還存在高鋁合金潤溼性差和流動性差的不足，所以鍍層的均勻性及鍍層的質量和性能有待提高；中國專利申請號:200910044817. 8和200910134953. 6提出採用Mg2Si提高鍍層的耐腐蝕性能，並分別引入Ti、B及稀土 La或Ce細化晶粒；中國專利申請號20091(^62758. 1也提出利用Mg2Si、TiO2, CeO2等顆粒提高鍍層性能，由此可見，在鋁鍍層內引入增強顆粒是提高鍍層性能的有效途徑；但現有技術中確存在著兩點明顯的不足一是，現有技術只提出了利用增強顆粒提高鍍層性能的方案，但對於熱浸鍍過程鍍層內形成顆粒相的尺寸及形貌及對鍍層晶粒的影響才是影響鍍層質量的最關鍵因素，研究證明，對熱勁鍍層而言，增強顆粒只有控制在30-40nm以下，才具有顯著的提高鍍層抗蝕性能、鍍層緻密度等質量的作用，特別是對於鋼結構件的熱浸鍍鋁，熱浸鍍時間長，現有技術中對鍍層金屬液析出相和增強顆粒的尺寸和形成條件無法控制，因此，增強顆粒對鍍層性能的影響也無法控制和有效提高； 二是，在熔體內或鍍層中引入增強顆粒，熔體的流動性變差，因此，要進一步優化熱浸鍍合金的成分，一方面控制顆粒相儘可能在鍍層形成即凝固過程中形成，另一方面要通過引入合金元素降低熱浸鍍合金液的表面張力和提高其流動性，從而提高熔體的可熱浸鍍性能。綜上所述，對鋼結構件的熱浸鍍鋁，在鍍層內引入納米級別的顆粒是提高鍍層性能的可行途徑，但需要對熱浸鍍合金組成進行優化，控制顆粒相在凝固過程中析出，並通過外場手段將顆粒和析出相控制在納米尺度，同時，引入合金元素，降低熔體的粘度和表面張力，提高金屬的可熱浸鍍性，從而提高鍍層的性能和表面質量。

發明內容
本發明的目的是發明一種用於鋼結構件熱浸鍍鋁的多元鋁合金，且在熱浸鍍過程對熔體施加脈衝電場的熱浸鍍方法，通過優化多元合金的成分，在鍍層形成過程即鍍層金屬的凝固過程析出顆粒相，並通過外加的脈衝電場將顆粒相控制在可提高材料性能的最佳尺度，解決現有技術無法控制鍍層內析出相和顆粒的析出和長大問題；同時，優化的熱浸鍍鋁多元合金中引入降低熔體粘度和表面張力的元素，提高鋁合金的可熱浸鍍性能，從而提高鍍層的性能和表面質量。實現本發明目的的方案設想是
本發明的熱浸鍍鋁中同時引入Mg和Si，在熱浸鍍鋁的鍍層形成過程即凝固過程中析出Mg2Si顆粒，Mg和Si的添加量以控制Mg2Si顆粒只在凝固過程中形成和析出為原則，並在熱浸鍍過程中對熔體施加脈衝電場，利用脈衝電場控制Mg2Si顆粒的尺寸。本發明的熱浸鍍鋁中同時引入Ni，Bi，V和稀土 Y，這些元素在合適的添加範圍內協同作用可以有效降低合金的粘度和表面張力，以彌補由於合金凝固過程熔體內析出 Mg2Si顆粒導致的粘度劇增和潤溼性下降導致的鋁合金可熱浸鍍性能下降，從而提高鋁合金的熱浸鍍性能；另外，由於本發明的熱浸鍍鋁合金中含有多種合金元素，特別是Mg和Si 的引入，鋁合金的晶界析出物較多，稀土 Y具有非常強的淨化晶界析出物和細化晶粒的作用，從而提高鍍層的性能。由於本發明中引入Ife2Si顆粒，為使Mg2Si顆粒的尺寸得到控制，必須施加外場以控制顆粒的尺寸在納米尺度，本發明的脈衝電場，在熔體內產生的電瞬態放電效應不僅可以有效細化凝固過程中的析出物，而且還具有顯著的細化晶粒作用；本發明中引入Y、Ni、 Bi、V都具有細化晶粒的作用，但對於鋼結構件的熱浸鍍鋁，由於凝固時間長，單一依靠加入的元素細化鋁合金鍍層的晶粒難以滿足高性能鍍層的要求，因此必須利用脈衝電場作用細化鍍層的晶粒。如上所述，在熱浸鍍鋁合金方面，本發明的創造性在於引入Mg和Si，在鍍層形成過程析出Mg2Si顆粒，並通過外場控制顆粒在納米尺度；合金中引入稀土 Y、Ni、Bi和V協同作用，降低合金的粘度和表面張力，提高合金的熱浸鍍性；另外，由於本發明中引入Mg2Si 顆粒，而且對鋼結構件熱浸鍍時間長，必須引入外場細化凝固過程析出的Mg2S顆粒和對鍍層晶粒進一步細化，達到提高鍍層綜合性能的目的。基於上述思路和原理，實現本發明的技術方案是
一種鋼結構件熱浸鍍鋁多元合金及脈衝電場下熱浸鍍方法，其特徵在於對鋼結構件熱浸鍍鋁採用採用一種由Al -Mg-Si-Si為主要組元的多元合金，所述的熱浸鍍鋁多元合金的組成為(質量分數 ％) :A1 75-85%, Mg 3-5%, Si 3_5%，稀土 Y 0. 01-0. 02%, Ni 0. 04-0. 10%, Bi 0. 04-0. 10%, V 0. 04-0. 10%，餘量為Si和不可避免的雜質；採用本發明的鋼結構件熱浸鍍鋁多元合金的熱浸鍍方法，與現有技術的區別在於在熱浸鍍過程對熔池施加脈衝電場， 所述脈衝電場的參數範圍脈衝寬度為80-100 ms，作用頻率為1-2 Hz，通入熔體的脈衝電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2。另外，具體實施本發明的熱浸鍍方法與目前鋼結構件熱浸鍍鋁的方法基本相同， 其區別在於採用的熱浸鍍合金成分控制不同和在熱浸鍍過程對合金熔池施加脈衝電場，設備方面，脈衝電場設備可採用工業規模的商業化設備，熔池內脈衝電場的引入可以靈活的採用固定電極或移動電極引入，為防止鋁業汙染，一般採用石墨電極，電極可以固定在用於熱浸鍍的鋁鍋的側壁和鍋底上，也可以在不影響鋼結構件放入和弔取操作的前提下，從熔池上部插入；因此，實施該發明的工藝簡單，操作靈活，現有的工藝裝備成熟，成本低，值得推廣。本發明的鋼結構件熱浸鍍鋁多元合金的成分範圍是按照如下原則確定的 (1) Al含量範圍確定高鋁合金的抗腐蝕性能隨鋁含量提高而提高，相現對於目前熱浸鍍鋁廣泛採用的 feilvalume合金(55%Al-1.6%Si-Zn)而言，本發明中鋁元素的含量(質量分數％)提高到 75-85%，有利於提高鍍層的抗腐蝕性能；但是，合金中鋁含量再提高，對鋼材的潤溼性明顯下降，容易出現漏鍍和鍍層不均勻、不連續的現象，本發明中採用將合金中鋁元素的含量 (質量分數％)提高到75-85%，在Mg、Si、Ni、Bi、Y等元素協同作用和脈衝電場振蕩作用下， 合金的熱浸鍍效果理想，不僅提高了抗腐蝕性能，而且鍍層均勻，光滑，具有非常好的鍍層質量。(2) Mg和Si的含量範圍確定
本發明中Mg和Si含量的控制範圍為(質量分數％) 3-5%，Mg和Si可以降低鋁合金的熔點和粘度，添加量高於該範圍後，熔體內會析出一定數量的Mg2Si,會使合金的熱浸鍍性顯著下降，因此，Mg和Si含量應控制在熱浸鍍溫度下，熔體內不析出Mg2Si顆粒為限度，其控制範圍為3-5% ；其中Mg和Si的最佳相對比例(質量分數比)控制在Mg: Si=2:1-3:2的範圍；由於Mg和Si的燒損情況不同，因此，其含量允許有一定程度的過剩。(3)稀土 Y含量範圍的確定
稀土元素Y的作用包括降低合金的粘度和表面張力，從而提高合金的熱浸鍍性；熔體淨化作用，特別是淨化鍍層的晶界；細化晶粒的作用；稀土 Y添加量在<0.1%的範圍內， 具有顯著的淨化和細晶作用，其添加量再增加，會增加熔池的渣量，本發明中將稀土加入量控制在0. 01-0. 02%範圍，在其它元素協同作用及外場的輔助作用下，獲得理想的熱浸鍍效果。(4) Ni、Bi和V含量範圍的確定
添加Ni、Bi和V元素的目的是降低鋁合金熔體的粘度和表面張力，同時，這些元素具有細化晶粒的作用，添加量0. 1%以後，不僅會增加成本，還會引起鍍層晶界間的析出物增加，影響抗腐蝕性能，因此，Ni、Bi和V元素的添加量在0. 04-0. 10%是比較理想的。(5)餘量Si和不可避免的雜質
本發明的熱浸鍍鋁多元合金中的其餘元素為Si和不可避免的雜質，Zn量增加可以降低熱浸鍍的溫度，因此本發明的熱浸鍍合金中餘量Si的範圍一般應大於5% ；所述雜質元素含量應小於0. 06%。採用本發明的另一重要特徵是在熱浸鍍過程中對熔池施加脈衝電場，所述脈衝電場的電流參數範圍是根據如下原則確定的
(1)關於脈衝寬度和作用頻率
結合目前脈衝電場技術條件和脈衝電場對熱浸鍍合金凝固過程的作用規律，脈衝電場的脈衝寬度確定在SO-IOOms，脈衝電場的作用頻率為1-2HZ。(2)關於脈衝電流的峰值強度
通入熔體的脈衝電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2，視熔池容鋁量和電源容量確定。與現有技術相比本發明的主要優點如下
(1)、本發明與現有熱浸鍍鋁或熱浸鍍鋁合金相比，具有如下突出特徵耐腐蝕性能優良，在鹽霧腐蝕環境中，抗腐蝕性能比目前廣泛採用的Galvalume合金鍍層提高20%左右； 浸鍍性能優良，表面光滑，平整無漏鍍、結瘤等缺陷，克服了現有技術採用高鋁合金鍍層由於熱浸鍍性能差導致的漏鍍、鍍層不均勻等表面缺陷。(2)、本發明採用多元素協同作用提高了高鋁合金的熱浸鍍性能，在輔以脈衝電場衝擊振蕩作用下，改變了新相析出的熱力學和動力學，控制鍍層內顆粒在凝固過程中析出， 並細化析出相顆粒尺寸在30-40nm以下，克服了現有技術中無法控制顆粒的析出時機和顆粒長大導致的熱浸鍍性能差，鍍層不光滑、漏鍍等問題。(3)、與現有技術採用低鋁的鋁鋅熱浸鍍和採用中鋁含量的(ialvalume合金相比， 鋁含量增加，不僅提高了鍍層的抗腐蝕性能，而且降低了合金中鋅含量，鋅與鋁相比，價格高而且易揮發和氧化損耗大，所以，提高鋁含量、降低鋅含量，可以降低鍍層成本，按目前的鋁、鋅價格相比，節約成本在20%以上；另外，鋁在熱浸鍍溫度690-750°C範圍內，鋁幾乎不揮發，因此，有利於現場操作環境的無害化。(4)、本發明中由於鍍層內引入了 Ife2Si顆粒，因此熱浸鍍過程必須施加外場控制顆粒尺寸在有益範圍之內，本發明採用脈衝電場，利用脈衝充放電技術，在瞬間達到很高的振蕩強度，這種瞬態電振蕩不僅有效細化了析出相顆粒，對晶粒細化的效果也非常顯著，與不施加外場相比，Mg2Si顆粒相尺寸由IOOnm以上級別，細化到30-40nm以下，鍍層鋁的晶粒平均尺寸由微米級別(0. 2-0. 5 μ m)細化到納米級別(50nm以下)，這些有益作用直接引起鍍層抗腐蝕性能、鍍層緊密度和抗剝落性能的提高。(5)、採用本發明，可以利用現有的成熟的冶金設備，不需要開發研究新的工藝裝備，設備投資少，工藝簡單，成本低，值得推廣。
具體實施例方式為驗證採用本發明的效果，對20號鋼材質的鋼結構件進行了以下一系列的熱浸鍍鋁對比試驗
系列1 完全採用本發明，即同時採用本發明的熱浸鍍鋁多元合金並採用在熱浸鍍過程中施加脈衝電場的方法；(備註表1中編號第1-4組)。系列2 只採用本發明的熱浸鍍鋁多元合金，熱浸鍍過程不施加脈衝電場；(備註 表1中編號第5-8組)。系列3 現有的熱浸鍍鋁合金，採用(ialvalume合金；(備註表1中編號第9組)。系列4 選取現有技術(中國專利申請號200910044817. 8)中採用Ife2Si顆粒提高鍍層性能的合金進行熱浸鍍試驗；(備註表1中編號第10-11組，為對比說明施加脈衝電場的作用，對現有技術的合金也進行了施加脈衝電場的試驗)。通過比較鍍層的外觀質量、鍍層厚度、鍍層硬度、鹽霧腐蝕失重試驗來評價鍍層性能；評價結果見表2 ；備註表1與表2中的編號一致。除採用的合金成分區別和是否在熱浸鍍過程施加脈衝電場外，所進行的對比試驗採用的方法和裝置完全相同，即傳統的熱浸鍍鋁方法，無需過多說明。表1熱浸鍍方案(合金液成分和條件)
權利要求
1.一種鋼結構件熱浸鍍鋁的方法，其特徵在於在熱浸鍍鋁過程中對熱浸鍍合金熔池施加脈衝電場，所述脈衝電場的電流參數為脈衝寬度為80-100 ms，作用頻率為1-2 Hz，通入熔體的脈衝電流峰值密度為0. 1-10 A/cm2。
2.如權利要求1所述的一種鋼結構件熱浸鍍鋁的方法，其特徵在於採用熱浸鍍多元鋁合金替換現有的熱浸鍍鋁合金對鋼結構件進行熱浸鍍，同時在熱浸鍍鋁過程中對熱浸鍍合金熔池施加脈衝電場，所述熱浸鍍多元鋁合金組成為(質量分數％) =Al 75-85%，Mg 3-5%, Si 3-5%，稀土 Y 0. 01-0. 02%, Ni 0. 04-0. 10%, Bi 0. 04-0. 10%, V 0. 04-0. 10%，餘量為 Zn和不可避免的雜質。
全文摘要
本發明涉及金屬表面鍍層技術領域，特別涉及一種鋼結構件的熱浸鍍方法。採用的熱浸鍍合金組成為(質量分數%)Al75-85%，Mg3-5%，Si3-5%，稀土Y0.01-0.02%，Ni0.04-0.10%，Bi0.04-0.10%，V0.04-0.10%，餘量為Zn和不可避免的雜質；熱浸鍍過程對熔池施加脈衝電場，所述脈衝電場的參數範圍脈衝寬度為80-100ms，作用頻率為1-2Hz，通入熔體的脈衝電流峰值密度為0.1-10A/cm2。本發明利用稀土Y及Ni、Bi、V協同作用提高鋁的流動性和潤溼性，並利用在脈衝電場作用下析出的納米Si與Mg2Si相提高鍍層的強度和耐蝕性能，脈衝電場還具有晶粒細化，提高鍍層緻密度的作用。採用本發明不僅提高了鍍層質量，節約了金屬消耗，並且實施該發明的工藝簡單，現有的工藝裝備成熟，成本低，值得推廣。
文檔編號C23C2/12GK102268625SQ20111022112
公開日2011年12月7日 申請日期2011年8月3日 優先權日2011年8月3日
發明者李桂榮, 王宏明 申請人:江蘇大學