高耐蝕性Zn-Al-Mg鍍層鋼板的發展現狀

丁 偉,陳付紅,黃 維,高真鳳

(鞍鋼股份技術中心，鞍山 114009)

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高耐蝕性Zn-Al-Mg鍍層鋼板的發展現狀

丁 偉,陳付紅,黃 維,高真鳳

(鞍鋼股份技術中心，鞍山 114009)

綜述了國內企業在耐蝕鍍層鋼板方面的進展，詳細介紹了新日鐵住金、日新制鋼、安賽樂米塔爾、博思格等國外企業不同成分Zn-Al-Mg鍍層的開發特點及應用現狀，指出Zn-Al-Mg鍍層是目前最具有推廣效用的新型合金化鍍層。

Zn-Al-Mg鍍層;熱鍍鋅;耐蝕性

隨著鋼鐵材料及涂鍍技術的發展，人們對鍍層鋼材耐蝕性提出了更高、更苛刻的要求，傳統熱鍍鋅鍍層(純鋅鍍層)鋼材已經不能滿足應用要求。高耐蝕的55%Al-Zn、Zn-5%Al和Zn-Al-Mg合金鍍層成為鍍層材料發展的重點。尤其是Zn-Al-Mg合金鍍層，由于具有高耐蝕性和端口耐蝕保護等特點，成為目前鍍層鋼板的最優選擇。經過多年的發展，國外Zn-Al-Mg鍍層在合金成分、涂鍍工藝的工業化生產方面已取得了重要的成就[1-4]。但目前國內在此方面的研究還剛剛起步，還沒有工業化發展的實例。寶鋼已將Zn-Al-Mg鍍層產品作為未來研發的重點編入發展規劃。

目前，國內鍍層品種主要有純鋅、Zn-Fe合金和55%Al-Zn合金鍍層。Zn-Fe合金主要用于汽車作業，55%Al-Zn合金主要用于建筑,在家電方面的應用尚處于推廣階段[5-6]。截至2010年，55%Al-Zn設計產能已經達到915萬t，其中具有代表性的企業主要有寶鋼、攀鋼、梅鋼、鞍鋼、唐鋼[7-12]等。寶鋼在55%Al-Zn鍍層產品生產上一直處于領先，不僅擁有2條共計產能45萬t的55%Al-Zn鍍層鋼板專用生產線，而且積極推廣55%Al-Zn鍍層鋼板在家電行業的應用。在2010年2月，寶鋼還成功生產出小鋅花55%Al-Zn鍍層產品。表1為國內生產55%Al-Zn鍍層鋼板主要企業。為進一步提高鍍層鋼板的耐蝕性，國內鋼企也開始研究具有高耐蝕性的新型Zn-Al-Mg系合金鍍層鋼板，目前正處于實驗室研究階段，相比國外大批量工業化生產的現狀，國內鋼企的技術水平落后于國外先進鋼鐵公司。

1　國外鋼鐵公司Zn-Al-Mg系合金鍍層開發現狀

Zn-Al-Mg系合金鍍層組織中包含Zn/Al/Zn2Mg三元共晶組織，由于鍍層中加入了鎂，可以防止鋼板在高溫、高濕環境下產生晶間腐蝕。日新制鋼早在1988年就研制出了Zn-Al-Mg系合金鍍層，其鍍層成分為Zn-6%Al-3%Mg，經過多年研發，現該鍍層鋼板的年產能力可達60萬t。隨后新日鐵、安賽樂米塔爾、塔塔鋼鐵、蒂森克虜伯、博思格和浦項等公司也都成功研發出不同成分的Zn-Al-Mg系合金高耐蝕性鍍層，被廣泛應用于建筑、家電和汽車領域。表2為各鋼鐵公司Zn-Al-Mg系合金高耐蝕鍍層的主要成分。

表1　國產55%Al-Zn鍍層鋼板Tab. 1　Domestic Al-Zn alloy coated steel sheets

表2　各鋼鐵公司Zn-Al-Mg系合金鍍層的 主要成分(質量分數)Tab. 2　The main composition of Zn-Al-Mg alloy coatings (mass)　%

1.1日新制鋼ZAM鍍層

ZAM鍍層化學成分為Zn-6%Al-3%Mg，鍍層組織由Zn/Al/Zn2Mg三相組成。相比于普通熱鍍鋅層，ZAM鍍層的組織更加致密，在腐蝕過程中能夠減少晶間腐蝕，由于鍍層中加入了鎂元素，使得ZAM的耐蝕性顯著提高。圖1為通過鹽霧試驗得到的ZAM、55%Al-Zn、Zn-5%Al和純鋅鍍層的耐蝕性。從圖中可以看出，ZAM鍍層的耐蝕性與Zn-55%Al鍍層的相當，是純鋅鍍層的10～20倍，Zn-5%Al鍍層的5～8倍。

ZAM鍍層具有高硬度，其維氏硬度為140～160 HV，對于刮擦和重復摩擦，也比普通純鋅鍍層具有更好的抵御能力。因此，ZAM鍍層產品適用于極端惡劣的應用環境，與其他鍍層產品相比，具有資源節約、環境友好的優點。目前日新制鋼東予、堺和市川三個工廠能夠生產熱軋ZAM合金鍍層鋼板和冷軋ZAM合金鍍層鋼板，規格范圍分別為(1.6～6.0) mm×(600～1 325) mm，(0.25～2.3) mm×(600～1 325) mm。

1.2新日鐵住金SuperDyma鍍層

新日鐵住金在開發Zn-Al合金鍍層的過程中，發現提高Zn-5%Al鍍層中的鋁含量，并且復合添加鎂和硅元素能夠極大地提高鍍層的耐蝕性。經過進一步研究，成功研制出成分為Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si的合金化鍍層，將其命名為SuperDyma，其耐蝕性是普通鍍層的15倍，并于2000年成功推向市場，目前已具有3條工業化生產線，年產60萬t，分別位于君津和廣畑制鐵所。

圖2為SuperDyma鍍層與其他兩種鍍層在不同pH條件下的腐蝕量。由圖2可以看出，在堿性環境，特別是強堿環境中，SuperDyma鍍層的腐蝕量相對于純鋅鍍層和Al-Zn鍍層的小，說明其具有優良的耐腐性。圖3為SuperDyma鍍層與其他兩種鍍層的腐蝕量隨腐蝕時間變化。由圖3可以看出，Al-Zn鍍層在堿性環境中腐蝕很快，抗堿性腐蝕很差，純鋅鍍層在100 h后，也會出現腐蝕急劇加速的情況，而SuperDyma鍍層即使經過300 h后，腐蝕量依然很小。除此之外，SuperDyma鍍層還具有優良的耐磨損性，在載荷為10 g時，維氏硬度為130 HV。

1.3安賽樂米塔爾Magnelis鍍層

安賽樂米塔爾作為世界最大的鋼鐵公司，鍍層產品種類和規格齊全，2010年成功研發出Zn-3.5%Al-3%Mg合金鍍層，并命名為Magnelis，由于鍍層中加入了鋁和鎂元素，其耐腐蝕性是一般熱鍍鋅鍍層的10倍，而在含Cl-和NH4+強腐蝕環境中，其耐蝕性比其他鍍層的高6倍。與其他Zn-Al-Mg鍍層一樣，具有優良的端面耐蝕性和耐磨損性能，可廣泛應用于建筑、農業設施和道路建設等領域。圖4為鹽霧試驗測得的Magnelis、55%Al-Zn、Zn-5%Al和純鋅鍍層的耐蝕性。圖5為Magnelis、55%Al-Zn、Zn-5%Al和純鋅鍍層在pH為11.7條件下的腐蝕量比較。

由于Magnelis鍍層的耐蝕性比一般純鋅鍍層好，在腐蝕環境中Magnelis鍍層的消耗比純鋅鍍層要少70%～80%，所以較薄的Magnelis鍍層就能夠滿足一般腐蝕要求，從而保證了其焊接性能。一般純鋅鍍層摩擦因子在接觸壓力為16 MPa時沒有明顯變化，而Magnelis鍍層具有低的摩擦因子，即使在接觸壓力45 MPa時，其摩擦因子也沒有明顯變化。這表明Magnelis鍍層鋼板成形時，磨損量會減少，成形性能提高。此外，Magnelis鍍層的抗粉化性能是純鋅鍍層的3倍，在Magnelis鍍層鋼板成形時也會減少鍍層的損失。

1.4博思格ZINCALUME鍍層

博思格鋼鐵公司于2013年開發出具有ZINCALUME鍍層的新一代“優耐”熱鍍鋅鋼板——AM125，并投資了1億澳元改造工業化生產線，該產品具有更耐久、經濟和環保的特點。AZ150鋼板主要采用含55%Al和43.5%Zn鍍層避免鋼板發生腐蝕，在研究過程中發現加入的2%Mg能夠優化鍍層的組織并提高鍍層的耐蝕性，特別是在端面具有自我保護的功能。基于以上成分，博思格開發出了成分為Zn-(47%～57%)Al-2%Mg的ZINCALUME鍍層鋼板。AM125組織不同位置含有兩種鎂化合物，能夠使鍍層表面的Zn-Al氧化層更加穩定和致密，進而提高其耐蝕性。而在腐蝕環境中，鍍層表面的鎂化合物受腐蝕的影響會在端面形成保護層，避免鋼板基體受到腐蝕，從而激活Al的耐腐蝕和減小鍍層的損耗。圖6為AM125在端面耐腐蝕保護的示意圖。

AM125具有比AZ150優越的耐腐蝕性能。圖7為AZ150和AM125的端面腐蝕比較。“優耐”AM125不僅能夠滿足澳洲AS1397標準和建筑方面要求，而且與AZ150相比，在距海邊100～200 m依然能夠保證建筑屋頂10 a耐腐蝕要求。

1.5塔塔MagiZinc鍍層

塔塔鋼鐵在2008年成功收購康力斯公司，改名為塔塔歐洲公司，并于當年開始生產MagiZinc鍍層鋼板，是歐洲第一家生產這種新型熱浸鍍鋅產品的鋼鐵企業。MagiZinc產品具有優良的耐蝕性，是相同厚度鍍鋅產品的4倍。采用140 g/m2厚度的MagiZinc鍍層板帶能夠取代傳統的275 g/m2厚度鍍鋅板帶，達到了降低鍍鋅成本和提高性能的目的。該產品可用于建筑、大型商業和民用建筑的通風管線系統等。該公司于2012年改造了荷蘭的艾默伊登3號鍍鋅線，使其滿足汽車用MagiZinc鍍層鋼板的需要。

塔塔歐洲鋼鐵在研究過程中發現，在純鋅鍍層中加入0.5%的鎂，鍍層的耐蝕性就會提高2～4倍。并且在熱鍍過程中，鋅和鎂的防腐蝕層形成得很快，這種鍍層盡管比純鋅鍍層要硬脆，但依然能夠滿足彎曲成形的要求。進一步研究發現，鎂加入鋅鍋中會導致鍍液出現氧化渣，影響涂鍍過程中鍍層的附著性和耐蝕性。為了解決這個問題，塔塔在加入鎂的同時又添加了相匹配的鋁，成功研制出成分為Zn-1.6%Al-1.6%Mg的新型MagiZinc(MZ)鍍層鋼板。

為了實現在汽車上的應用，塔塔將MZ與純鋅、鋅鐵合金(GA)鍍層在焊接、成形和耐蝕性方面進行了比較。結果表明，MZ鍍層能夠具有更為持久的耐蝕性，使鍍層的厚度減小，能夠節約鋅資源，但其粘結性不如純鋅鍍層的，電焊電極壽命小于GA鍍層的問題也限制了MZ鍍層的進一步應用。圖8為純鋅、GA和MZ鍍層線性摩擦試驗結果。從圖中可以看出，摩擦因數的大小首先取決于試驗溫度，其次取決于鍍層的種類。MZ鍍層在80 ℃和20 ℃的摩擦因數都小于0.2，并且隨著沖壓道次的變化改變很小，而純鋅和GA鍍層在80 ℃和20 ℃時摩擦因數隨著摩擦劃痕的變化改變很大,且都高于MZ鍍層，MZ鍍層對溫度的不敏感特性有利于汽車沖壓部件的成形。

1.6蒂森克虜伯ZM EcoProtect鍍層

鑒于目前研究的Zn-Al-Mg系鍍層鋼板中鋁含量較高，在汽車部件制作過程中會影響材料的成形、焊接和涂裝性能。蒂森克虜伯研制出一種新型的Zn-Al-Mg系鍍層ZM EcoProtect，這種鍍層中鋁質量分數為0.1%～0.2%，鎂質量分數為1%，其組織為Zn-ZnMg2二元共晶相和鋅相組織，耐蝕性優于傳統純鋅鍍層的，適用于建筑、門窗、家電和汽車等領域。早在2006年就在兩條熱鍍鋅生產線成功進行工業化生產。目前，蒂森克虜伯能夠生產規格為(0.4～3.0) mm×(600～1 650) mm，鍍層附著量為60～350 g/m2的產品。

由于ZM EcoProtect鍍層中加入了1%的鎂，相比一般純鋅鍍層，ZM EcoProtect鍍層更加致密，并且在腐蝕環境中，Zn2+、Mg2+與OH-反應,在鋼板表層或端口處生成致密、規則有序的層狀物質，抑制了基體表面的陽極氧化反應，減小了鋅的消耗，從而減緩了腐蝕過程。并且其成形過程中的摩擦力也遠小于一般鍍層，能夠減少鍍層的剝落。鍍層中較低的鋁含量也提高了焊接性能，有利于汽車部件的制造。

1.7浦項制鐵POSMAC鍍層

浦項新近開發出Zn-Al-Mg合金鍍層(POSMAC)，鍍層中鋁質量分數為1%～3%，鎂質量分數1.5%～4.0%，POSMAC鍍層具有極好的耐蝕性，比現有純鋅鍍層鋼板的耐蝕性高出5倍，目前該鍍層附著量為100～450 g/m2，并于2012年7～8月在浦項廠連鍍線上進行1 000 t新產品的試制，9月份正式進行生產。

2　結束語

Zn-Al-Mg鍍層鋼板作為耐蝕性更高的新型鍍層鋼板，其耐蝕性是一般鍍層的4～20倍。日本、韓國和歐洲各大鋼鐵公司都在Zn-Al-Mg鍍層的研制上投入了大量的技術力量和資金，已經能夠實現批量生產，并且不斷擴大這種新型鍍層鋼板的應用范圍，從建筑逐步向家電、汽車推廣，已經取得了一定業績。在這些公司中，新日鐵和日新制鋼開發的Zn-Al-Mg鍍層耐蝕性較強，但由于產品中較高的鋁、鎂含量限制了該鍍層的進一步應用。安賽樂米塔爾、蒂森、塔塔和浦項的Zn-Al-Mg鍍層的耐蝕性雖然相對較低，但是合金含量較少，有利于擴大產品的應用范圍。而博思格公司的Zn-Al-Mg鍍層是在55%Al-Zn鍍層的基礎上研制成功的，合金含量很高，主要應用于建筑業。國內寶鋼在六年規劃中明確提出將Zn-Al-Mg鍍層作為產品研發的重點，急于搶占新型高附加值鍍層產品技術的制高點。

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Development Status of Zn-Al-Mg Coated Steel Sheets with High Corrosion Resistance

DING Wei, CHEN Fu-hong, HUANG Wei, GAO Zhen-feng

(Ansteel Technology Center, Anshan 114009, China)

The progress of coated steel sheets with corrosion resistance of domestic enterprises is summarized. The characteristics of Zn-Al-Mg coating with different components and development application status for the NSSC, Nisshin Steel, Arcelor Mittal, BlueScope and other foreign enterprises are introduced in detail. It is show that Zn-Al-Mg alloy plated coating is a new alloy coating with the most utility of promotion currently.

Zn-Al-Mg coating； galvanizing； corrosion resistance

10.11973/fsyfh-201608014

2015-05-22

丁 偉(1984-),工程師，主要從事鋼鐵涂鍍產品研究,13654125132,dweidingwei@163.com

TG174

A

1005-748X(2016)08-0671-05