热浸镀Zn-55%Al-1.6%Si合金镀层组织结构和性能

攀 钢 技 术 21 热浸镀 i 合金镀层 组织结构和性能 赵同新 （攀钢 集团 研究院 有限公司 ） 摘 要 ：研究了热浸镀 55%i 合金镀层 的组织结构、成型性能和耐腐蚀能力。结果表明，其外层组织由富铝相的枝晶构成主体骨架，富锌相分布于枝晶间，硅在局部偏析呈细长条状。镀液中硅抑制了脆性相的金属间化合层的长大。此种镀铝锌层具有较好的防腐蚀特性和较差的弯曲塑性成型性能。 关键 词 ： 镀锌铝 ;微观组织 ;防腐 ;成型性能 引 言 镀铝锌层产品具有工艺和性能上的优势，它同时兼有镀锌层牺 牲性防护和镀铝层的隔离性防护，比镀锌层的综合耐蚀性好，又比镀铝层的抗缝隙腐蚀性能高，还具有镀锌层所没有的耐高温抗氧化性，同时它的热浸镀温度比镀纯铝低而且浸镀层结合性能更好 1目前该产品已广泛引应用于建筑、汽车、家电及包装等行业。 和镀锌类似，根据工艺的不同，镀铝锌主要分为机械镀锌铝、电镀锌铝和热浸镀锌铝三大类，三种表面处理工艺各有优势。目前国内应用最多的是热浸镀方式，一般又分为连续热镀锌铝和批量热镀锌铝两种不同的工艺。现代连续热镀锌铝通常采用的是技术比较成熟的美钢联法或者改良森吉米尔法 5。 根据 锌铝成分比例以及添加其他元素的不同，目 前 比 较 成 熟的 热 浸镀 锌 铝 商 业 产品 包 括层 (即 层 )、 层 ( 即 、 i 镀层 ( 即 i 等 6。 笔者 对热浸镀 i 镀铝锌板镀层组织结构、耐腐蚀及弯曲成型性能进行了测试分析。 试 验材料和方法 试 验材料：选用钢基为 不同镀层厚度的热浸镀 i 镀铝锌板作为测试分析对象。 试 验方法： 1） 采用 射线荧光仪测量表面镀层重量（单位： g/镀层中 量（质量百分比）。 2） 按照国标 232属材料弯曲试验方法 )对镀铝锌板进行不同弯曲角度的弯曲试验。 3） 耐腐蚀试验，分别选用变形前和弯曲变形后的两种镀铝锌板，置 于 5%液中，在室温下浸泡 480 h。 4） 用 描电镜和能谱仪分别对镀铝锌板变形前后表面形态、横截面镀层组织结构、耐腐蚀试验后的组织形态进行了测试分析。其中横截面组织结构试样的制备是经热镶嵌、磨制、 抛光、2%硝酸酒精浸蚀后制得。 2 结果和讨论 镀层组织结构 镀层表面结构 镀铝锌板表面形态见图 1(a)，对应的 (b)、图 1(c)。从图 中可以看出， 布于表面锌花组织的骨架，构成富铝的枝晶结构主体； 素的特征 X 射线强度差别不大，但仍能看出，在富铝枝晶间隙中， 素的特征 X 射线强度相对较强，表明富锌相位于富铝枝晶间。对镀铝锌表面进行了微区成分分析（图 2 及对应的成分（表 1），也证明了富铝和富锌相如图 1的分布状况。可知枝晶间富锌相的相对 含量并不比其他位置突出，这是受制于能谱仪精度限制， 22 2010 年第 33 卷第 4 期 表现不出其分布情况的原因；由于 固溶度较小，呈细长条状偏析析出分布于枝晶间。 图 1 镀铝 锌 板表面元素分布能谱面扫描形貌 图 2 表面微区成分 表 1 表面微区能谱成分 % 谱图 O i 镀层组织结构 镀铝锌板横截面组织结构见图 3，从右到左依次为钢基、中间合金化合层、锌铝层，各区成分见表 2，从钢基到中间合金化合层，铝和硅含量逐渐升高，在中间层硅含量达到最高，到锌铝层锌铝含量继续升高，而硅含量反而出现下降趋势。在靠近中间层的钢基中测出 素，钢基到中间层才出现锌含量逐渐升高的情况，这是因为在连续热镀锌铝时，锌锅中 应比 反应活跃，先与钢基反应生成 相）和 相）金属间化合物析出在钢基表面并向钢基扩散 7随后随着 结晶析出形成金属化合中间层 相 )，最后 表面结晶形成最后的锌铝合金层，这时 含量就很少了，只是在某些部位可能形成长条状偏析。对镀层进行元素线分析 (图 4)也说明了这一情况，特别值得注意 的 是 线分布规律，从钢基开始到中间层，量逐渐增高，中间层到锌铝镀层之间达到最高。 图 3 镀层横截面形貌与微区成分 （ a） （ b） （ c） （ d） 攀 钢 技 术 23 图 4 镀层横截面线扫描图像 镀层厚度的影响 通过对镀层中不同 量以及不同镀层重量的对比测 试结果见表 3 和图 5 所示，可以得到，随着镀层中 素百分比含量的增加，合金化中间层将会变窄。合金中间层的厚度主要与镀液成分、浸镀温度和浸镀时间有关，在这些条件相同的情况下，镀液中适量的硅能够抑制 金层的生长 , 并因此增强镀层的附着力 7， 表面锌铝表 2 镀层横截面微区成分表 % 谱图 O i n 1 9 10 镀层 厚度主要与浸镀工艺过程有关，如浸镀温度、浸镀时间以及气刀控制等，仅在气刀控制镀层厚度的情况下，表面锌铝层的厚度不会对合金中间层产生影响。另外，镀层中 量对镀层的腐蚀性能和力学性能也有很大的影响。 表 3 不同样品的硅含量和镀层重量 样品编 号 镀层 镀层重 量 /(gm 2) 11# 57 33# 58 12# 51 46# 54 16# 9 26# 5 弯曲成型性能 镀铝锌板弯曲试验表明，当弯曲角度达到 90时，在镀层表面已经产生众多微裂纹，其形貌如图6 所示。裂纹起裂于镀层表面，并沿着粗大的富铝骨架的间隙开始扩展，进一步弯曲到 180时，有的裂纹扩展深度甚至到达钢基结合面，在钢基基底上面分布着破碎的合金中间层，如图 7 所示，往上是由于各个相的塑性不同产生的裂开台阶，上表面为裂开的锌铝镀层。 由此可以知道镀铝锌板在弯曲成型时，由于外表面受拉应力最大，且表面为粗大富铝树枝晶，易于在枝晶间萌生裂纹源，随变形量的进一步增加，裂纹扩展并最终导致镀层表面的开裂；镀层在不同厚度处形成不同的 溶相，这些相对于成型时表现出来的力学性能也有差别，进而形成不同层次的开裂台阶； 间合金化合层塑性较差，表现为脆性相。上面提到镀液中 够有效阻止中间合金化合层厚度长大，提高镀层的附着力，但如果 量控制不当 ，镀层中会出现呈细长条状分布于枝晶间的 出相，割断了镀层的连续性，这对镀铝锌板的弯曲成型将产生不利的影响 。 有文献表明 4： 热浸镀前后的拉伸试验对比表明，其屈服强度、抗拉强度和伸长率基本相差不大，各种力学指标主要取决于钢基材料。 综上所述，热浸镀 i 型（ 在弯曲角度超过 90时，镀层表面会发生不同程度的微裂，这将会影响到板的使用寿命。 24 2010 年第 33 卷第 4 期 图 5 镀层中间化合层的二次电子图像 图 6 弯曲时产生的裂纹形貌 图 7 镀层不同断 层的形貌 表 4 不同断层微区能谱成分 % 谱图 O i n 1 耐腐蚀性能 通过对腐蚀后的试样表面的扫描电镜观察，可以看出表面的富铝骨架结构相对保存的比较好，如图 8、 图 9 所示，骨架间富锌部位最易受到腐蚀，腐蚀的产物有些滞留于原骨架间，有些形成钝化膜覆盖在试样表面。 对弯曲试样的观察发现，在表面受到比较严重（ 11#） （ 33#） （ 16#） （ 12#） （ 46#） （ 26#） 攀 钢 技 术 25 的腐蚀后，其中间化合层仍然保持较完整的形态，见 图 10，说明中间化合层脆性相比表面更耐腐蚀，为钢基体最后一道坚实的保护层。 图 8 腐蚀后表面形貌 图 9 腐蚀后 分布规律 图 10 弯曲开裂后受腐蚀的形貌 相对于镀锌板在腐蚀过程中会产生疏松易溶的 H)， 加入首先在表面形成一层 护性钝化薄膜，从而延迟 牺牲阳极保护的电腐蚀性反应；随后，当镀层受到腐蚀时，枝晶间富 牺牲阳极腐蚀开始进行 由于腐蚀电位较低，首先受到侵蚀； 腐蚀产物主要为 H)2， 始受腐蚀后也会生成不溶性的 H)3，均有较好的化学稳定性 10；有研究表明 11, 热浸镀 55%金镀层的初始腐 蚀电位与热镀锌的初始腐蚀电位极为相近 , 而其腐蚀速率仅为热镀锌的 1/41/6；此种腐蚀产物被富枝状晶网络结构所滞留，填充于枝晶的间隙，形成一道致密的屏障，作为阻挡层继续对钢基起保护作用。 孟荣祥等 12研究了 添加量热镀锌铝板的影响，证明过量的 量（ 大于 2%）导致 析出相出现，加大镀层电化学的不均匀性，降低耐腐蚀能力。 根据日本科研人员在日本各地所作的试验报道 5，在重工业环境下，热镀锌钢板 8 年后表面全部都变成红锈，而热浸镀 55%镀铝钢板10 年后也无显著红锈，仅有点状的 腐蚀生成物，钢基体几乎没有受到腐蚀。由于这种独特的防腐蚀机理，决定了镀铝锌板相比镀锌板更具耐腐蚀优势。 3 结论 1） 镀铝锌层的内层为金属化合中间层，表现为脆性相，随着 素的增加将可以抑制这一脆性相的增长；外层为富铝枝晶构成，富锌相填充于枝晶间隙； 细长条状偏析于枝晶间 。 2） 镀铝锌板的结构决定了它的弯曲成型性能不佳。弯曲时，在枝晶间及 析处萌生裂纹源。 3