一种高耐蚀钢基板（带）镀层Al-Zn-Si-RE合金
在当前国内外市场上，由于家电、建材、汽车等领域内对热镀锌或锌合金钢基板（带）需求量越来越大，大部分厂商仍在生产传统的热镀锌（含Al 0.1～0.2%，为生成锌花，还含有Sb、Pb等元素）钢基板（带）。这种产品存在诸多缺陷，抗腐蚀性能差，使用寿命短，机械加工性能不佳，镀层在拉伸应变过程中易损伤，特别是在高温条件下，不仅抗蚀抗蚀性能变得更差，而且镀层与基体结合处易脆化，易氧化生成鳞皮，其他还有抗疲劳性能差，在弯曲数次后产生龟裂，出现镀层脱皮现象，无法与热镀Al-Zn-Si合金镀层比，更无法与高耐蚀热镀Al-Zn-Si-RE合金镀层相比。
Al-Zn-Si-RE合金热浸镀覆基本原理
钢基板（带）在Al-Zn-Si-RE合金液镀覆时，实际上是液固两相物体之间的元素扩散和化学反应过程。从Al、Fe、Si的原子直径看，Fe与 Si原子相接近，其次是Al和Fe的原子相近，而Zn与Fe的原子直径相差较远。理论上讲原子直径越相近，二者形成固溶体能量越低，相互扩散越容易。而Zn原子溶入Fe基本要较高的晶格变形能，在三者之中是困难的。当固体钢基板（带）进入锌锅Al-Zn-Si-RE合金液后，首先是Fe 与Si之间扩散和化合，形成Fe-Si化合物，在一定程度上抑制了Fe和Al之间扩散和化合。但是Al的化学活泼性比Zn高，更比Si高，其百分含量也高于Zn，更高于Si，达几十倍。故固态的Fe与熔融状态的Al相接触时，在界面上也激烈地发生，Fe、Al原子相互扩散和化合，形成扩散层，形成Fe2Al5化合物，这种化合物晶格内有大量空位，成为Fe和Al穿过的通道，从而进行扩散和化合又形成新的扩散层，新的化合物，这个过程一边使镀层增厚，一边却在合金液冲刷下，少部分脱落，沉入锌锅底部。因合金液中有Si元素存在，Si元素占据Fe2Al5晶格中通道，使Fe和Al通过时速度减缓，阻止了化合物层过度增长。
由于合金中加入稀土RE元素，既缩小合金结晶温度区间隔，又使粗晶细小，流动阻力减小，合金流动性变好。同时又因合金中加入稀土RE元素，合金液表面张力降低，使合金液与固体钢基板（带）浸润性好，有利于镀覆过程中合金元素扩散和化合作用。
由于合金中加入稀土RE元素，稀土对氢有很大亲和力，能在合金液中与氢生成稳定弥散稀土氢化物，降低了合金液中含气量，合金液粘度变小，镀层不易形成漏镀。
Al-Zn-Si-RE热镀合金基本特性
热浸镀Al-Zn-Si-RE镀层具有镀Zn层或镀Al-Zn-Si合金层无法具备的优良特性。可以讲，在大多数场合，可以取代镀Zn层，更可以替代镀Al-Zn-Si层，其用途将越来越广泛。由于合金层加入稀土RE元素，使镀层比镀Zn层或镀Al-Zn-Si层具有更复杂的显微组织镀层。稀土RE的加入，使富Al相树枝晶距离缩短，又使富Zn相共晶组织细化，它们相互交织在一起，促使镀层具有好的综合性能。既具有Al的耐蚀性能，又具有Zn的阴极保护作用，特别是稀土RE的加入，使杂质铁相组织，如针状FeAl3转变为近似圆状或点状，使击穿电位值提高，使合金具有更高的耐蚀性。
Al-Zn-Si-RE合金镀层在高温315℃下经168小时，具有抗氧化、抗生成鳞皮的能力，表面不褪色，不发生基体金属脆化现象，热反射能力是镀Zn钢板的2倍以上。镀层弯曲180°时，不龟裂、不脱皮，使用寿命是热镀Zn层的5～6倍，与国内外同类型产品相比，镀层合金锌花细小、光亮、平滑，镀层与钢基体结合力强，更具有良好的冷弯成形性能、焊接性能与力学性能。热镀镀Al-Zn-Si-RE合金钢基板（带），镀层（双面）重：60～80g/m2，抗拉强度≥175Mpa，延伸率≥18%。
特别是加入稀土RE元素后，沉浸辊使用寿命延长，加上其它优良的综合性能，深受客户欢迎。
Al-Zn-Si-RE合金的生产工艺
热镀Al-Zn-Si-RE合金生产工艺新颖、独特，故具有镀Zn或镀Al-Zn-Si合金不具备的优良性能，是本公司专利产品。
目前对Al-Zn-Si合金生产方法：一种是将Al与Al-Si中间合金、纯Zn在各自熔炉内熔化成金属液体，而后进行对参，一边对其混合金属液进行强力的机械搅拌，最后浇注成锭；另一种是将Al与Al-Si中间合金及Zn金属放置同一炉内采用通常的工艺熔制成合金。这两种工艺会产生以下的缺陷：1、不能达到充分合金化。2、成份不均匀，有偏析。3、合金重熔后粘度大，流动性差。4、含气量高。5、氧化夹渣含量高。6、底渣生成量高。7、沉没辊使用寿命短。其主要原因：合金生产工艺不过关、不成熟，无论是浇锭取样，还是从重熔合金液中取样进行光谱分析，各点打出的分析数据存在很大差异，特别是合金重熔后金属液搁置时间一久，就出现富Al相与富Zn相分层现象，无法避免形成元素偏析，同时由于工艺操作不当，易造成Al、Zn氧化，含气量高，合金液粘度大，在热镀过程中出现漏镀，会使热镀Al-Zn-Si钢基板（带）在运输贮存过程中产生白锈、黑斑等缺陷。
本公司对Al-Zn-Si-RE合金进行过合金元素均匀性检测，一炉合金重8吨，浇合金锭10只，每浇一只锭同时取分析样一只，经光谱分析结果（见表1），又对浇出的合金进行分层分析结果（见表2），并在锌锅及炉鼻内对重熔的Al-Zn-Si-RE合计液进行取样分析（见表3、表4），还对炉前分析试样进行多点分析（见表5）。
表18173炉Al-Zn-Si-RE锭化学分析结果
编号 |
化学成份% |
Al |
Zn |
Si |
RE |
Fe |
1 |
54.9 |
43.2 |
1.57 |
合格 |
0.045 |
2 |
55.2 |
43.0 |
1.56 |
合格 |
0.045 |
3 |
55.1 |
43.1 |
1.55 |
合格 |
0.044 |
4 |
56.0 |
42.3 |
1.52 |
合格 |
0.044 |
5 |
55.1 |
43.1 |
1.56 |
合格 |
0.046 |
6 |
55.8 |
42.4 |
1.55 |
合格 |
0.044 |
7 |
55.8 |
42.4 |
1.55 |
合格 |
0.045 |
8 |
55.1 |
43.1 |
1.58 |
合格 |
0.045 |
9 |
55.0 |
43.2 |
1.54 |
合格 |
0.045 |
10 |
55.3 |
43.2 |
1.56 |
合格 |
0.045 |
平均值 |
55.3 |
42.9 |
1.55 |
合格 |
0.045 |
从表中可看出，每浇一条大锭（800±50kg），同时浇分析小样一只，经德国斯派克生产光谱仪分析，不存在偏析问题。
表28232炉Al-Zn-Si-RE合金剥层分析结果
编号
（底层→上层） |
化学成份% |
Al |
Zn |
Si |
RE |
Fe |
1 |
55.7 |
42.5 |
1.51 |
合格 |
0.108 |
2 |
55.9 |
42.3 |
1.55 |
合格 |
0.108 |
3 |
56.4 |
42.2 |
1.52 |
合格 |
0.108 |
4 |
56.4 |
41.9 |
1.51 |
合格 |
0.112 |
5 |
56.9 |
41.3 |
1.50 |
合格 |
0.105 |
平均值 |
56.1 |
43.0 |
1.52 |
合格 |
0.108 |
以上表可以看出试样从底层向上层剥层分析，不存在偏析。
表3合金重熔后锌锅内取样分析结果
编号 |
取样部位 |
化学成份% |
Al |
Zn |
Si |
RE |
Fe |
1 |
沉没辊
上面 |
55.5 |
42.38 |
1.21 |
合格 |
＞0.168 |
56.6 |
41.29 |
1.22 |
合格 |
＞0.168 |
56.7 |
42.23 |
1.20 |
合格 |
＞0.168 |
2 |
沉没辊
处 |
55.6 |
42.31 |
1.27 |
合格 |
＞0.168 |
55.0 |
42.65 |
1.20 |
合格 |
＞0.168 |
55.3 |
42.56 |
1.25 |
合格 |
＞0.168 |
3 |
沉没辊
下面 |
56.1 |
41.80 |
1.25 |
合格 |
＞0.168 |
56.1 |
41.87 |
1.15 |
合格 |
＞0.168 |
56.5 |
41.29 |
1.26 |
合格 |
＞0.168 |
注：仪器分析Fe含量只能达到0.168%。
表4合金重熔后炉鼻内取样分析结果
编号 |
取样部位 |
化学成份% |
Al |
Zn |
Si |
RE |
Fe |
1 |
鼻上 |
55.8 |
42.07 |
1.30 |
合格 |
＞0.168 |
55.2 |
42.72 |
1.28 |
合格 |
＞0.168 |
|
|
|
|
|
2 |
鼻中 |
56.0 |
41.76 |
1.32 |
合格 |
＞0.168 |
56.2 |
41.66 |
1.25 |
合格 |
＞0.168 |
56.3 |
41.52 |
1.31 |
合格 |
＞0.168 |
3 |
鼻下 |
56.0 |
41.99 |
1.20 |
合格 |
＞0.168 |
55.9 |
42.08 |
1.22 |
合格 |
＞0.168 |
57.1 |
40.79 |
1.23 |
合格 |
＞0.168 |
注：仪器分析Fe含量只能达到0.168%。
从表3、表4有关厂家合金重熔后取样分析结果无偏析。
表510387炉合金炉前分析试样分析结果
斯派克光谱仪
分析点 |
化学成份% |
Al |
Zn |
Si |
RE |
Fe |
1 |
55.8 |
42.53 |
1.54 |
合格 |
0.097 |
2 |
55.6 |
43.32 |
1.54 |
合格 |
0.102 |
3 |
55.3 |
43.08 |
1.56 |
合格 |
0.098 |
4 |
55.6 |
42.74 |
1.54 |
合格 |
0.099 |
5 |
55.5 |
42.91 |
1.55 |
合格 |
0.093 |
6 |
55.8 |
42.57 |
1.58 |
合格 |
0.097 |
从表5可以看出，一只试样平面6点光谱分析化学成份不存在偏析。
Al-Zn-Si-RE合金的经济效益分析
众所周知，Zn的比重为7.14，而Al-Zn-Si-RE合金的比重为3.69，
只有Zn比重的51.7%，若双面镀锌用量为150g/m2时，采用Al-Zn-Si-RE合金的用量只需77.55g/m2，从材料成本计算Zn现货价格为23.0元/kg，每平方米镀层材料成本为3.45元。采用Al-Zn-Si-RE合金材料价格为19.76元/kg，则每平方米镀层材料成本为1.53元。采用Al-Zn-Si-RE合金镀层原材料可节省1.92元/m2。
若按钢带宽1.2米，长4000米（重量约15吨）计算，可节约原材料费用为：1.92×1.2×4000=9216元。
若按年产用15万吨钢带计算，一年可节约：
9216×（150000÷15）=9216万元。
从镀锌与镀Al-Zn-Si-RE产渣量来讲，热镀锌镀层底渣较少，但加上面渣高达20%，Al-Zn-Si及Al-Zn-Si-RE面渣加底渣约10%。
若按年产用带钢15万吨，一卷钢带（宽1.2米，长4000米）计算用Zn量为：0.15kg/m2×4800m2=720kg，
15万吨带钢用Zn量为：150000÷15×720=7200吨
产生面渣量为：7200×20%=1440吨，若计其价为原Zn价的50%，那么一年损失的金额为：23000×50%×1440=1656万元。
若采用Al-Zn-Si及Al-Zn-Si-RE合金，15万吨带钢用其合金：
0.07755kg/m2×4800=372kg，150000÷15×372=3720吨，产渣量按10%计为372吨，计其价为原材料价的50%，则一年损失的金额为：19760×50%×372=367.5万元，镀锌层一年损失的金额是镀Al-Zn-Si-RE的4.5倍。
Al-Zn-Si-RE合金由于含有稀土元素，合金液流动性好，镀层附着力强，镀层可以减薄，前面已讲到若双面镀锌需150g/m2改为镀Al-Zn-Si-RE合金为77.55g/m2，目前已有厂家镀层为27g/m2，这样计算下来，每平方米镀层可节省50 g/m2，若一卷钢带面积为4800m2，则节省Al-Zn-Si-RE原材料：50 g/m2×4800m2=240kg，年产用15万吨钢带（每卷钢计15吨重），则可节省0.24×（150000÷15）=2400吨，而1吨Al-Zn-Si-RE合金原材料价格为19760元，总计折合人民币为4742.4万元，比热镀Zn原材料节约1.395亿元。
以热镀Al-Zn-Si-RE合金钢基板（带）运行速度来看，由于Al-Zn-Si-RE合金的优良性能，热镀钢基板（带）运行速度可达180米/分，是镀锌钢基板（带）运行速度的双倍。若一个热镀钢基板（带）厂年需15万吨钢基板（带）（通常镀Al-Zn-Si-RE用量为77.55g/m2，镀Al-Zn-Si-RE合金钢基板（带）重量为20.58万吨），现需钢基板（带）30万吨（镀Al-Zn-Si-RE用量为27g/m2，镀Al-Zn-Si-RE含钢基板（带）重量为33.88万吨），扩大了产能总产值。若每吨镀Al-Zn-Si-RE钢基板（带）价格为0.65万元/吨，从13.38亿元增至22.02亿元。
由于Al-Zn-Si-RE优良性能，热镀Al-Zn-Si-RE钢基板（带）对使用的沉没辊使用寿命延长，从7天延长15～20天，沉没辊1套售价32万元。原一年要使用2套，使用Al-Zn-Si-RE合金后只需要一套，直接可节约32万元/年，但实际上沉没辊使用7天后，必须调换新的沉没辊，每一次停产2小时～4小时，一个月下来若停产4次，计8～16小时。采用Al-Zn-Si-RE合金，一个月停产只1.5～2次，计3～8小时，从而可节省停产时间5～8小时/月。若计产量，按钢基板（带）运行速度为90米/分计算，一个月可增产27000米～43200米，换算成钢基板（带）（4000米重15吨）重量为：
（27000÷4000）×15=101.25吨，
镀后增重：101.25×1.37=138.7吨，
（43200÷4000）×15=162吨，
镀后增重：162×1.37=221.94吨，
若镀后售价为6500元/吨，138.7×0.65=90.155万元，221.94×0.65=144.26万元，一个月可增产90.155～144.26万元，一年可增产1081.86～1731.12万元。
由于Al-Zn-Si-RE中稀土的加入，镀层耐腐蚀使用寿命是镀Zn层的5～6倍，一年可为国家节约Zn资源也相当可观，若年产使用15万吨钢基板（带）需使用Zn计算如下：
镀Zn层双面用Zn 150g/m2，一卷15吨重钢带长约4000米，宽1.2米，计面积为4000×1.2=4800m2，镀层用Zn：
0.15kg/m2×4800m2=720kg
平均一吨钢基板（带）用Zn 48kg。若彩镀钢板厂用钢基板（带）15万吨/年计算用锌150000÷0.048=7200吨，使用镀Zn钢基板（带）耐腐蚀寿命10年左右，采用镀Al-Zn-Si-RE钢基板（带）耐腐蚀寿命为50～60年，这样计算下来，节省Zn：7200×5=36000吨或7200×6=43200吨，折合人民币：8.28亿元～9.936亿元，经济效益十分可观。
综上所述，本公司生产的Al-Zn-Si-RE合金（及Al-Zn-Si合金）工艺成熟、稳定、可靠，在国内外独一无二。操作人员严守工艺纪律，技术娴熟，精益求精，是热镀合金质量绝对保证。采用本公司生产的Al-Zn-Si-RE合金经济效益可观。 |
