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金属涂镀层产品及说明(Galvainfo)-1.3 合金化镀层与纯锌镀层的差别

时间: 2009-9-29 点击:20694

1.3合金化镀层与纯锌镀层的差别

引言

本文论述合金化镀层与纯锌镀层之间的差别。热镀锌钢板生产过程已经在2.1 中讲过,合金化热镀锌钢板生产工艺与热镀锌的最大不同点是:合金化生产的锌液中含有更低的铝(如0.11%0.14%),以及镀锌钢带在离开液面经过气刀吹扫后,需要迅速再次加热到935 - 1050°F (500 - 565°C),并保温几秒钟。纯锌层与钢基体通过扩散发生合金反应,最终达锌含量为90%,铁含量为10%的铁锌合金镀层。这是一个平均值,随着镀层厚度的变化,沿镀层表面到钢基体界面处,铁含量逐渐由镀层表面处的6%逐渐增加到23%。合金化镀层没有纯锌层,与电镀涂层相比,镀层表面的光泽性角度和光洁度较差。由于扩散过程是时间与温度的共同结果,最终铁含量的多少主要依据热循环过程来决定。钢基化学成分素也会影响合金化反应,但对热循环的影响较小。

合金化热镀锌镀层与热镀锌镀层在性能及特点的差别将在下文中进行讲解。

镀层组织

热镀锌镀层主要是纯锌和0.2%-0.5%铝(注我实验室研究表明,国内镀锌企业铝含量相对国外企业,普遍偏低)。铝元素主要以抑制层形式黏附于钢基表面,它的存在虽然对镀层腐蚀性并无影响,但却在钢带进行成型加工时提高了镀层与钢基表面之间的黏附性。参见2.4 “铝在连续热镀锌中的作用

合金化热镀锌镀层中含有912%的铁和少量的铝,铝在合金化镀层中比在热镀锌镀层中扩散的更均匀。合金化镀层中的铁是不均匀分布的,它与锌反应生成三种不同的锌-铁合金相。这几种相将在表一中列出,包括铁、铝的含量。 

% Fe

%Al

Zeta (z)  FeZn13

5.2 – 6.1

0.7

Delta (d)  FeZn10

7.0 – 11.5

3.7

Gamma (G)  Fe3Zn10

15.8 – 27.7

1.4

 

1中所列出的相在镀层中按照一定的顺序出现,含铁量最高的G相紧贴在钢基的表面。表层z相铁含量不少于5%或镀层表面保留少量的锌对获得较好镀层成形性和表面形貌均是非常重要的。抑制层中铝向镀层外扩散是造成合金化镀层中铝含量高于热镀锌镀层的原因(注我实验室的GDOES分析表明,铝含量的分布与合金化工艺参数存在对应关系,但铝含量分布对于合金化镀层性能并无影响)。

照片1为合金化镀层三种合金相的断面显微照片。  

                             1.合金化镀层G, dz断面图

 

合金化镀层硬度和脆性高,在进行弯曲和压制成型时,镀层裂纹和粉化总会达到一定的程度。每条生产线都要经过不断的实践来优化镀层成型性能,已达到最终使用目的和提高镀锌线的生产效率(注我实验室研究表明,镀层成型性能可通过合金化工艺进行调节,但利用工艺进行成型性调节的过程中,工艺参数对于焊接性能存在影响。因此,需要企业开发用户技术,加强与使用商沟通。)。

合金化热镀锌产品

带有锌液的钢带进入到距气刀1015英尺高的合金化炉中,在锌液凝固之前重新加热,随着钢带温度测升高,铁-锌之间开始扩散反应,并突破在铁锌界面由铝--铁所组成的合金抑制层。通过57秒钟的加热和10秒钟的保温,镀层表面因铁的扩散而变成灰暗(注:实验室研究表明,表面颜色与铁含量存在直接关系,不一定是灰暗)不光滑表面。

早在1990s,电磁感应合金化炉就在镀锌生产线中应用。它的特点是拥有3个或更多的区段,能够在几秒钟内将钢带从865°F (463°C) 1050(565°C)。紧接加热炉的是一个电子保温炉,主要用来优化镀层中的铁含量。老式的合金化热镀锌生产线采用火焰加热的方式,用这种方式要很好的控制合金反应的程度是比较困难的。电磁感应合金化不同于一般的热传递和辐射,扩散反应所需的热量是来自于钢带内部而不是后续工艺的外部。

将钢带表面的液态锌通过扩散反应转变为固态的锌-铁合金受到一系列因素的影响。按照其重要性依次为:加热时间、加热温度、镀层中的铝含量、镀锌温度、钢种、镀层质量和生产线的速度。这些可变因素并不是相互独立的,每一条生产线必须制定各自的工艺参数才能生产出合适的产品。例如:镀层中的铝含量较高时需要较高的加热温度和较长的保温时间;过高的温度和过低的铝含量将导致镀层中的

铁含量偏高镀层粉化严重;稳定的IF钢合金化反应速度比普碳钢板要快;含磷较高的钢板合金化速度比含磷较高的钢板要慢。 

2. 合金化热镀锌镀层合金化示意图

 

            图2 镀层合金化工艺过程

    运行中的钢带浸入锌液后,首先在铁锌界面上形成一层很薄的合金层。气刀将会刮掉钢带提升时所粘附的大量锌液,得到所需的镀层质量。钢带表面熔融态的锌将会在合金化炉和保温炉中通过铁-锌合金反应转换为合金层。

3. 合金化热镀锌锌-铁合金的转变过程

 

镀层的点焊性、涂装性、成形性和附着性

使用合金化板而不用热镀纯锌板的两个首要原因是:

·更好的点焊性能

·易于涂装和良好的镀层附着性能

锌铁合金镀层通常比纯锌镀层有着更好的点焊性能。随着这种镀层的高硬度高熔点,它有更高的电阻,在有着更长的电极寿命的情况下允许低电流得到较好的焊点,这一点合金化板和点焊性与冷轧板非常接近。

涂层和镀层表面的很好的结合力使得涂装后的合金化板的性能得到了提高。这种好的结合力的原因在图4中表现得很明显:涂层能够很好地被锌铁合金晶粒机械地锁定在镀层表面。这就是为什么合金化板能够不需底漆能够直接涂装的原因。与热镀纯锌产品相比,边缘暴露区、划伤或涂装的其它缺陷处涂层下合金化板的抗侧蚀能力。为了能够达到最大程度的防腐蚀往往在涂装用磷酸锌对合金化板进行处理。

 

热镀纯锌板硬度很低且易于划伤,合金化板很硬因此在操作时不易划伤。坚硬的锌铁合金镀层在成型时易于粉化而不像纯锌层易于划伤和剥落。

锌的良好的摩擦行为和延展性结合镀层和基体间的很好的附着力使得热镀锌板在成形时的附着性不会有任何改变。实际上,因为镀层较软需要很好的照看以防止由于被划而收起镀层剥落。

尽管合金化使得镀层较硬、相对易碎,但是在正确的生产和成形工艺下它仍然能够弯曲、延展和拉伸。许多由合金化板制造的部件需要深冲操作,当深冲时,由于受到成形操作时产生的很高的压应力合金化板典型地显示为粉化现象。通过合理地控制合金化生产工艺,结合合理的深冲装置设计和合适的深冲润滑剂的使用,能够将粉化减少到最小且达到较好的性能。

合金化镀层的粉化是受许多参数决定的,尤其受先前钢板生产时表面附着颗粒的影响。这种镀层的一个最重要的特征就是镀层厚度直接决定着粉化趋势。镀层的粉化量随着镀层厚度的增加而增加。正因为此,合金化板的镀层最大重量限定为A60(0.60oz/ft2)[ZF180(180g/)]。对于许多情况,A60镀层因为太厚而不能提供合适的抗粉化性能,并且实际上许多用户指定A40(0.40oz/ft2)[ZF120(120g/)]或镀层重量更小的板。大多数汽车用件的合金化板的镀层重量相当于A30[ZF90]镀层。当选择镀层重量时应考虑到A60镀层的粉化倾向。

通常,无论是热浸镀纯锌还是合金化板的基板的性能并无大异。两种镀层的成形行为(如破裂等)一般是由金属镀层的不同特性决定的。这种镀层厚度的重大差异能够改变冲压参数,如模具类型、模具间隙、压向量和润滑剂种类等。

腐蚀性能

热镀锌产品的耐腐蚀性能和使用寿命与其镀层的厚度成线性关系,也就是镀层越厚使用寿命越长。更多信息见GalvlnfoNote3.1-锌是如何保护钢板的。

合金化钢板镀层的耐腐蚀性能比相应热镀锌钢板镀层的耐腐蚀性能要复杂得多。几乎所有的合金化板在应用前都要进行涂装,原因是如果没有涂装镀层中的10%的铁就会产生红色的腐蚀产物。红色是镀层中铁的腐蚀并不意味着基体发生腐蚀,这种由铁而引起的变色只是起到了表面装饰的作用。

尽管如此,许多用户并不能接受这种着色,因此要求绝大多数合金化板在应用前都要进行涂装。正因为此,对于绝大多数合金化板的耐腐蚀性的研究都在涂装后进行。既然涂装对合金化板的使用寿命有直接的影响,那么合金化板的耐腐蚀性能通常不能与热浸镀纯锌板的耐腐蚀性能相比较。合金化镀层的重要性往往在剪切边缘或是划伤处能够显现出来,例如:钢基体和合金镀层直接暴露在腐蚀环境中。由于这种不连续,更厚的镀层能够改善涂装薄膜的抗侧蚀能力,例如厚的合金化镀层能够减缓涂装的退化如沿边缘向内的腐蚀和涂装的脱落。为了使用寿命的最大化,最好使用合金化镀层在粉化可允许的范围内最厚。

腐蚀速率的比较

·纯锌镀层(热镀锌)能够对像剪切或划伤引起的基体裸露起到很好的阴极保护作用。

·当作为电极保护任何裸露钢基体时合金化镀层比纯锌镀层的电活性大约低10%,因为它含有大约10%的铁。实际上,合金化镀层的腐蚀速率要比纯锌镀层的小只是由于镀层中的铁在表面形成腐蚀产物使合金化产品有了红色腐蚀产物的形象。

·热浸镀纯锌层对裸露钢基作为阴极时它越活泼消耗得越快,电化学活泼性稍差的合金化镀层的阴极保护会相对较差因此在腐蚀过程中它不会消耗得过快。有趣的是,在过去的20年间汽车用合金化板的镀层厚度大约为A30涂装后作为汽车外用面板的耐腐蚀性能和G50的热镀纯锌镀层的耐腐蚀性表现的一样。

·应用的需求和对腐蚀性能的要求决定了哪一种镀层是最好的。当选择特定使用环境的产品时还应考虑到其它的一些如焊接性和每一产品生产商用漆商店的涂装能力等参数。

产品的选择

当选择到底是用热镀锌板不是用合金化板时,首先要回答下面的问题。

·最终应用和环境对于腐蚀性能的要求?镀层厚度是首先要考虑的因素。

·有没有点焊?若有点焊合金化板会好些。

·这种产品是不是用不着喷涂?用不着喷涂的大多数情况下热镀锌板更适合。

·是否会有冲压过程?若有冲压过程刚在选择合金化板前要先进行粉化实验看能否满足粉化要求。

在应用的过程中会遇到很多问题,所以在选择产品前应深入考虑在生产过程中每一步骤和对最终使用的具体要求来选择生产商推荐的正确的产品。

 

参考文献

1) 1)  J. P. Landriault, F.W. Harrison: CIM Bulletin, August 1987, pp. 71-78

 

        注:本文由先进金属材料涂镀国家工程实验室翻译组翻译。

            翻译组成员:郝晓东、李亚东、刘昕、李黎等。

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