鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金的製作方法

2023-05-23 12:52:46 1

專利名稱：鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是用於鋼材熱浸鍍的稀土鋁合金。
這裡所說的鋼材，指的是普通碳鋼和合金鋼，包括軋制鋼材類、管類、緊固件類和板金類產品。
鋼材表面鍍鋁後保持了鋼的強度，特別是不僅具有優越的耐蝕性，而且使其抗高溫氧化性能大為提高。因而鍍鋁鋼這種新型高效鋼材以其質優價廉的特點深受青睞，被廣泛應用於石油化工、電力、冶金、機械、能源及交通運輸等領域。
鋼鐵表面鍍鋁有多種方式，熱浸鍍鋁是被大規模工業化應用的一種。至今熱浸鍍鋁工藝已發展為兩大體系森吉米爾法和熔劑法。森吉米爾法即保護氣體法熱浸鍍鋁，工件經前處理後在還原爐的還原氣氛的保護下，直接送入熔融的鋁或鋁合金液中進行鍍覆。這種方法適合於鋼帶、鋼絲的連續化工業生產，所用設備很複雜。熔劑法因其工藝中使用專用的助鍍劑和熔融表面熔劑來增進鋁與鐵的結合而得名，前處理時在淨化的鋼表面上在室溫或高溫下浸塗助鍍劑，保護鍍件表面不被氧化，以後將鋼件浸入覆蓋有熔融表面熔劑的鋁液中時，鋼件表面的助鍍劑膜自行熔化脫除，並立刻被鋁液所潤溼，而後形成均勻連續的浸鋁層。熔劑法因其工藝簡單、設備價格和加工成本低而在我國得到廣泛應用。
用於熱浸鍍的鋁合金，要求適用於森吉米爾法和熔劑法兩種熱浸鍍工藝。現有技術採用的是純鋁、鋁矽合金、鋁鋅矽合金。矽在鋁合金中的作用是減小鋁鐵合金層的厚度，提高鍍層的韌性。為了進一步改善和提高鋼材熱浸鍍鋁合金的性能和質量，熱浸鍍稀土鋁合金應運而生。向鋁中添加稀土元素可以使鍍層的組織均勻、晶粒細化，具有增強抗氧化的作用。在強度不變的情況下，獲得更高的耐蝕性和耐熱性，並能長期保持鋁的銀白色外觀。鋁合金中加入稀土元素的缺陷是鋁合金在熔融狀態時組織不均勻，容易發生偏聚，熱浸鍍工件剛從稀土鋁合金液中提起時，殘留在工件表面的鋁合金液的滴落速度較慢，容易形成結瘤。
現有技術用於鋼材熱浸鍍的稀土鋁合金，主要添加的稀土元素是釔(Y)等，其缺點是由於稀土釔儲量少而價格高，更大的技術難題是製備所用中間合金較為困難，因而使含釔的稀土鋁合金難以得到規模化的工業應用。
本發明的目的是提供一種用於鋼材熱浸鍍的稀土鋁合金，其工藝製備容易實現，所獲得鍍層耐蝕性提高，綜合力學性能好，所用稀土元素相對儲量多，價格低，有利於規模化生產和廣泛應用。
本發明鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，含有以下按重量百分比的組分鈰(Ce)0.1-1.0％，矽(Si)0.5-5.0％，餘量為鋁(Al)，雜質總含量不超過常規要求。
本發明鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，較適宜的組分含量按重量百分比分別為鈰(Ce)0.35-0.6％，矽(Si)1.0-1.5％，餘量為鋁(Al)。
本發明鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，更為適宜的組分含量按重量百分比分別為鈰(Ce)0.35-0.45％，矽(Si)1.35-1.5％，餘量為鋁(Al)。
本發明鈰矽鋁合金標準分子式記為Al-1.5 Si-0.35Ce，這種稀土鋁合金的密度為2707kg/m3，熔點為636℃。
本發明鈰矽鋁稀土鋁合金中，也可以用稀土鑭(La)或稀土鑭鈰(LaCe)混合稀土來替換鈰(Ce)，其配比和用鈰時一樣，所獲得的含鑭或含鑭鈰的稀土鋁合金具有同樣的性能和使用效果。
當由專業冶煉廠生產本發明稀土鋁合金時，可以用工業純鋁錠，鋁鈰合金錠和鋁矽中間合金錠作原料，坩堝冶煉，主要工藝步驟如下將符合要求的工業純鋁錠(優選85鋁或AOO)和不含雜質的鋁矽(Al-10wt％ Si)中間合金錠按一定的比例合理地堆放在坩堝內，按坩堝的升溫速度升溫至750℃，保溫至鋁和中間合金全部熔化後，再按本發明稀土鋁合金的成分和配比要求，按比例加入餘量的不含雜質的鋁鈰(Al-10％Ce)合金錠，待添加的鋁、鋁矽合金、鋁鈰合金熔化後，充分攪拌，經精煉後靜止5小時，即可澆注成鈰矽鋁合金錠。
冶煉中，實驗室化驗合金成分採用比色法。檢驗指標為鈰(Ce)0.1-1.0wt％，矽(Si)0.5-5.0wt％，餘量為鋁，雜質總含量不超過常規要求。鋁合金中有關元素的物理性質見表1。
表1有關元素物理性質


圖1為以腐蝕失重和氧化增重為評定指標時，不同稀土及矽含量對鍍層性能影響的直觀分析趨勢圖，其中(1)當以腐蝕失重/耐蝕性為指標時。
(2)當以氧化增重/耐熱性為指標時。
圖2為本發明所參用的鋁鈰合金的鋁-鈰相圖。
圖3為本發明所參用的鋁矽合金的鋁-矽相圖。
圖4為Q235鋼熱浸鍍稀土鋁鍍層截面組織圖。
圖5為熱浸鍍稀土鋁鍍層的結構示意圖。
以下結合附圖詳細說明本發明的鈰矽鋁合金的組分、性能、組織、鍍層結構、應用及其效果。
向鋁中添加稀土元素鈰使鋁合金有如下特性(1)降低鋁的表面張力，提高浸潤性，這是熱浸鍍鋁合金需要的性能；(2)改善鋁的流動性，這也是熱浸鍍鋁合金需要的性能；(3)減少熔融鋁液中氧化物夾雜量及氫含量；(4)改善鋁合金鍍層的綜合力學性能。第(3)和(4)可以顯著改善和提高熱浸鍍鋁鋼材的質量。
對本發明鈰矽鋁稀土鋁合金而言，不同稀土元素鈰及矽含量，對鋁合金性能有明顯影響，如圖1之(1)所示，評定耐蝕性時，以腐蝕失重量為評定指標，隨鋁中鈰含量的增加，以添加0.5wt％ Ce的腐蝕失重小。添加矽也可以提高耐蝕性，但其含量不宜超過2.5wt％。可以認為，當以耐蝕性為目的時，稀土鈰含量是影響耐蝕性的主要因素，以控制稀土鈰含量在0.3wt％Ce為宜。
當評定本發明鈰矽鋁稀土鋁合金抗氧化性和耐熱性時，由圖1之(2)可見，若以氧化增重為評定指標，當矽含量為2.5wt％時，其氧化增重最小，而稀土鈰的添加則以不超過0.5wt％為宜。當鋁中稀土含量大於0.5wt％時，其氧化增重增加較大。所以，當以耐熱為目的時，矽是影響合金耐熱性的主要因素，控制矽含量在2.5wt％Si為宜。
本發明鈰矽鋁稀土鋁合金中，鋁和稀土元素鈰形成共晶型狀態。圖2為其鋁-鈰相圖。由圖可見，鋁-鈰共晶溫度為910K(637℃)，共晶成為12％Ce，共晶溫度時Ce在鋁中的固溶度為0.05％Ce，可見固態時Ce在鋁中的溶解度很小。當冷卻速度加大時，如105-106K/s，可獲得含Ce量達9％的過飽和固溶體。但在熔融的液態時，鋁和鈰都完全互熔。本發明鈰矽鋁稀土鋁合金的密度為2707kg/m3，溶點為636℃。
圖3是本發明所參用的鋁矽鋁合金中鋁和矽形成共晶型狀態圖，其共晶溫度為860K(578℃)，共晶成分為12.6％Si，共晶溫度時Si在鋁中的固溶度為1.65％Si。
圖4是Q235鋼熱浸鍍稀土鋁鍍層的典型截面組織圖。圖5是熱浸鍍稀土鋁合金鍍層結構示意圖。由圖4可見，鋼熱浸鍍鋁後，其組織由表層501、過渡層502及基體503三部分組成，它們分別與圖5中的表面層601、過渡層602及基體603對應一致。
圖5中604為氧化物層，其厚度約為50。605為表面層與過渡層之間形成的高鋁金屬間化合物，其厚度約為10Im。圖4中表面層501的組分以α-Al為主，並含有少量H-FeAlSi及FeAlCe相，與圖5中601相對應。圖4中過渡層502為白色鋸齒狀結構，其組成以Fe2Al5相為主，與圖5中602相對應。基體503為普通碳素鋼，與圖5中603相對應。
鋁液中加入稀土可以細化晶粒，但在一定的條件下，只有加入適量的稀土才有最好的細化晶粒的效果。例如鈰含量為0.35-0.6wt％。鋁液中加入矽能保證鍍層與基體間有良好的結合性，並對鍍鋁界面過渡層的生長有一定的限制作用，可以顯著減薄過渡層的厚度，並能有效地降低過渡層的界面脆性，稀土鈰與矽的協同作用使鍍層的網狀結構均勻，從而提高鍍層的綜合力學性能，並使鍍層整體抗彎折能力增強。
本發明鈰(Ce)0.35wt％矽(Si)1.5wt％鋁(Al)稀土鋁合金是為熱浸鍍稀土鋁合金而設計的，包括適用於森吉米爾法熱浸鍍鋁和熔劑法熱浸鍍鋁。推薦使用專業冶煉廠配製的產品。在使用中允許鈰、矽、鋁的含量在一定範圍變化，即鈰(Ce)0.1-1.0wt％，矽(Si)0.5-5.0wt％，餘量為鋁(Al)。使用的坩堝按其升溫速度升溫至750℃，保溫至全部稀土鋁合金熔化，並充分攪拌，精煉後靜止5小時，取樣化驗合金成分合格後，再降溫至710℃進行熱浸鍍稀土鋁合金工藝。
熱浸鍍稀土鋁合金一定時間後，由於鋁與鐵反應形成鋁鐵合金，在合金液中鐵(Fe)的含量要增大，但最高不允許超過3wt％。
化驗合金成分採用比色法。當檢驗指標超出允許範圍時應予以相應處理。
低於或超出允許範圍時，可以用專業冶煉廠生產的鋁矽(Al-10wt％ Si)中間合金，鋁鈰(Al-10wt％ Ce)中間合金，及Aoo鋁錠予以調整。補充添加後，應充分攪動均勻，進行精煉，等再次化驗符合標準後，方可繼續進行熱浸鍍。
本發明鈰矽鋁稀土鋁合金最典型的熱浸鍍應用是用於高速公路波形梁鋼護欄(JT/T281-1995)及熱浸鍍鋁鋼板和鋼帶(JISG3314-90)等熱浸鍍鋁工藝中。收到滿意的效果。
使用本發明鈰矽鋁稀土鋁合金的鋼材熱浸鍍實踐表明，熱浸鍍稀土鋁層中，稀土鈰含量在0.3wt％時，析出相FeAl3在表面層中是網狀分布，鈰超過0.3wt％，則稀土化合物呈塊狀，且偏聚程度加大。所以稀土鈰控制鍍層網狀結構的形成，而矽可以顯著減薄過渡層的厚度。稀土鈰與矽的協同作用使鍍層網狀結構均勻。從而使應用本發明稀土鋁合金的鍍層不僅其耐蝕性較純鋁鍍層提高30％，而且可以進行形變加工，這是純鋁鍍層無法比擬的。
權利要求
1．鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，其特徵是含有以下比例的組份，按重量百分比為鈰0.1-1.0％，矽0.5-5.0％，餘量為鋁，雜質總含量不超過常規要求。
2．按照權利要求1提出的鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，其特徵是其組分按重量百分比分別為鈰0.35-0.6％，矽1.0-1.5％，餘量為鋁。
3．按照權利要求1或2的鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，其特徵在於其組份按重量百分比分別為鈰0.35-0.4 5％，矽1.35-1.5％，餘量為鋁。
4．按照權利要求1的鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金，其特徵是以稀土鑭替換稀土鈰，其配比與鈰相同，即按重量百分比鑭為0.1-1.0％。
全文摘要
本發明提供一種鋼材熱浸鍍用稀土鋁合金,其成分和按重量百分比為:鈰(Ce)0.1—1.0%,矽(Si)0.5—5.0%,餘量為鋁(Al)。本發明鈰矽鋁合金製備容易,成本低,綜合力學性能優良。將其用於熔劑法或保護氣體法熱浸鍍時,鍍液的組織均勻、浸潤性好,所得鍍層均勻光潔,不僅耐蝕性和抗氧化性提高,而且可以進行形變加工。因此,本發明鈰矽鋁合金是一種適合於廣泛工業應用的熱浸鍍材料。
文檔編號C22C21/00GK1301878SQ99127120
公開日2001年7月4日 申請日期1999年12月28日 優先權日1999年12月28日
發明者夏原, 崔瑞意 申請人:中國科學院力學研究所