熱鍍鋅鍍層的形成機(jī)理

熱浸鍍鋅是一個(gè)冶金反應(yīng)過程。從微觀角度看，熱浸鍍鋅過程是兩個(gè)動(dòng)態(tài)平衡：熱平衡和鋅鐵交換平衡。當(dāng)把鋼鐵工件浸入450℃左右的熔融鋅液時(shí)，常溫下的工件吸收鋅液熱量，達(dá)到200℃以上時(shí)，鋅和鐵的相互作用逐漸明顯，鋅滲入鐵工件表面。

隨著工件溫度逐漸接近鋅液溫度，工件表面形成含有不同鋅鐵比例的合金層，構(gòu)成鋅鍍層的分層結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間延長，鍍層中不同的合金層呈現(xiàn)不同的成長速率。從宏觀角度看，上述過程表現(xiàn)為工件浸入鋅液，鋅液面出現(xiàn)沸騰，當(dāng)鋅鐵反應(yīng)逐漸平衡，鋅液面逐漸平靜。工件被提出鋅液面，工件溫度逐漸降低至200℃以下時(shí)，鋅鐵反應(yīng)停止，熱鍍鋅鍍層形成，厚度確定。

熱鍍鋅鍍層厚度要求

影響鋅鍍層厚度的因素主要有：基體金屬成分、鋼材的表面粗糙度、鋼材中的活性元素硅和磷含量及分布狀態(tài)、鋼材的內(nèi)應(yīng)力、工件幾何尺寸、熱浸鍍鋅工藝。

現(xiàn)行的國際和中國熱鍍鋅標(biāo)準(zhǔn)都根據(jù)鋼材厚度劃分區(qū)段，鋅鍍層平局厚度以及局部厚度應(yīng)達(dá)到相應(yīng)厚度，以確定鋅鍍層的防腐蝕性能。鋼材厚度不同的工件，達(dá)成熱平衡和鋅鐵交換平衡所需的時(shí)間不同，形成的鍍層厚度也不同。標(biāo)準(zhǔn)中的鍍層平均厚度是基于上述鍍鋅機(jī)理的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值，局部厚度是考慮到鋅鍍層厚度分布的不均勻性以及對(duì)鍍層防腐蝕性要求所需要的經(jīng)驗(yàn)值。

因此，ISO標(biāo)準(zhǔn)、美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)、日本JIS標(biāo)準(zhǔn)和中國標(biāo)準(zhǔn)在鋅鍍層厚度要求上略有不同，大同小異。

接下來講解幾種不同的熱鍍鋅及鍍層特點(diǎn)。

熱鍍純鋅鍍層鋼板(GI板)

目前生產(chǎn)GI板所用鋅液中添加了0．2%的Al元素。添加AI的作用是改善鋅液流動(dòng)性，鋁與鐵元素通過優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)形成鐵鋁合金相層，抑制鋅與鋼板基體的反應(yīng)，從而提高鍍層附著力，同時(shí)鋅液中少量鋁的加入在鋅液表面形成鋁的氧化物膜，阻止了鋅液表面鋅的氧化反應(yīng)，減少了鋅耗。而在鍍層表面鋁能夠首先與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成一層氧化鋁保護(hù)膜，阻止鍍層表面氧化，增加表面光亮度。

GI板是典型的利用犧牲陽極(鋅)的陰極保護(hù)機(jī)理來保護(hù)鋼基體不被腐蝕， 且GI板是*普通、應(yīng)用*廣泛的鍍層鋼板，在建筑、家電、汽車、交通、農(nóng)業(yè)等各行業(yè)大量應(yīng)用。

由圖1a、 1b可知，GI板鍍層表面為平臺(tái)與均勻凹坑組成，形貌的形成主要是鍍鋅后經(jīng)過一定粗糙度的光整輥使鍍層表面形成粗糙度大約1μm的表面。由圖1c可知，GI 板是由*表層純鋅層、鋼基板及中間一層薄薄的抑制層即鐵鋁合金相層FeAl3或Fe2Al5相組成，鐵鋁合金相阻止了鐵往鋅層的擴(kuò)散，避免鍍層形成相對(duì)較脆的鋅鐵合金相，從而保證鍍層的附著力。

熱鍍鋅合金化鍍層鋼板(GA板)

GA板是在鍍鋅后通過500～550℃熱處理，讓鋼基體中的鐵與鋅相互擴(kuò)散，形成鋅鐵合金相層的鍍層鋼板，鍍層表面鐵含量約10%( 質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

GA板需要在鍍鋅后進(jìn)行熱處理使鋅鐵相互擴(kuò)散，從而形成鋅鐵合金相，因此為減少合金化時(shí)間，減薄抑制層的阻擋效果，鋅液中Al含量會(huì)比GI板鋅液中Al含量要低， 一般在0．13%左右。鍍層中的鐵元素提高了鍍層整體腐蝕電位和可焊性，但是鋅鐵合金相層的形成增加了鍍層的脆性，變形過程中鍍層容易產(chǎn)生粉化或剝落現(xiàn)象，影響成型模具使用壽命。

鋅鐵合金相層的形成過程使鍍層表面粗糙度增加，使色澤降低，涂層表面發(fā)灰變暗，更大的粗糙度增加了鍍層的可涂裝性。同時(shí)，硬度和表面粗糙度更大的鍍層表面具有更好的耐砂石沖擊性能。因此，GA板相比GI板具有更好的耐腐蝕性能、焊接性能、涂裝性能以及耐砂石沖擊性能，但是成型性能相對(duì)變差，且沒有GI板光亮。

GA板用作汽車面板，主要用于日韓系汽車，生產(chǎn)GA板對(duì)于鍍層鋅鐵合金相層的生產(chǎn)控制要求嚴(yán)格，因此工藝控制要求較高，國內(nèi)已經(jīng)能夠成熟生產(chǎn)。

GA板鍍層表面是由粗糙的鋅鐵合金相δ1p和少量ξ相組成，所示*表層為相對(duì)疏松的柱狀晶δ1p和靠近基體的更為致密的δ1k層，在鍍層與基體交界處存在約1μm厚的Г相層。

熱鍍鋁鋅鍍層鋼板(GL板)

熱鍍鋁鋅鍍層一般包括含有5%Al的Galfan即GF鍍層和含有55%Al的Galvalume即GL鍍層，目前連續(xù)板帶熱鍍鋁鋅鍍層一般指含有55．0%Al、43．4% Zn、1．6%Si的Galvalume鋼板即GL板。

由于GL板鍍層中鋁含量較高，使得鍍層具有鋁的耐蝕性和抗高溫氧化性能，鋅的存在使鍍層有陰極保護(hù)性能。目前GL板一般用作彩涂板板用在建筑、汽車、家電、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，同時(shí)直接應(yīng)用于消聲器、排氣管、冰箱背板、電子微波爐、熱交換器等。

GL鍍層表面鋅花直徑一般在1～3mm，由于鋅花尺寸影響因素較多，隨著鋅液中合金元素含量的不同或是鍍后冷卻速率的不同，鍍層鋅花也會(huì)有較大范圍變化，一般而言鋅花尺寸在0．2～5．0mm的更大范圍內(nèi)也是允許的。

由圖3可知，GL鍍層是由兩層組成，外層是鋁鋅合金層，由樹枝狀晶的富鋁固溶體和枝晶間的富鋅相組成。內(nèi)層是鋁鋅鐵金屬間化合物層，它位于鋁鋅合金層和鋼基體之間，與GI鍍層結(jié)構(gòu)類似，GL鍍層的內(nèi)層鋁鋅鐵金屬間化合物層起到避免鐵元素進(jìn)入鋁鋅合金層、 增加鍍層附著力的作用，而硅的加入限制了脆性鋁鋅鐵金屬間化合物層的生長。

熱鍍鋅鋁鎂鍍層鋼板( ZnAlMg 板)

ZnAlMg板起源于日本，由于島國海洋性氣候，多臺(tái)風(fēng)地震，因此要求鋼材高強(qiáng)度高耐蝕，同時(shí)日本資源潰乏，生產(chǎn)原料供需緊張，因此開發(fā)了ZnAlMg板，即提高耐蝕性，又有效利用了資源降低成本，保護(hù)環(huán)境。

由于不同企業(yè)開發(fā)的ZnAlMg板中鋁和鎂的成分不同，出現(xiàn)了很多不同成分配比的ZnAlMg板，比如日新制鋼開發(fā)出ZAM(Zn-6%Al -3%Mg)產(chǎn)品、新日鐵的SuperDyma板(Zn-11%Al-3%Mg)產(chǎn)品、蒂森的ZnMgEcoprotect( Zn-1%Al -1%Mg)產(chǎn)品、奧鋼聯(lián)的Corrender( Zn - 2%Al -2%Mg)產(chǎn)品、阿賽樂米塔爾的Magnelis( Zn- 3．7%Al-3．0%Mg)產(chǎn)品等。

ZAM板鍍層是外層和外層與基板交界處合金層組成，鍍層外層由富鋁相、Zn/Al/Zn2Mg三元共晶相組成，ZnAlMg鍍層的耐蝕性較GI鍍層大幅提高，如ZAM板鍍層耐蝕性甚至可達(dá)GI鍍層耐蝕性的16倍。

ZnAlMg鍍層中對(duì)提高耐蝕179性起關(guān)鍵作用的是Mg2Zn11或MgZn2分布于結(jié)晶邊界和樹枝狀結(jié)晶間隙，耐切邊腐蝕性好，加工性較好，適用于建筑材料。由于其外表面硬度大，還可以抵抗成形過程中出現(xiàn)的表面磨損，有利于作為環(huán)保及節(jié)約資源的涂鍍層鋼鐵制品。