鋼板表面的鋅鎂合金鍍層可以提高其耐腐蝕性能,而鋅鎂金屬間化合物MgZn2和Mg2Zn11的形成可能是耐腐蝕性能提高的主要因素。本文在鍍鋅鋼板表面采用真空熱蒸發鍍鎂,并由快速退火工藝形成鋅鎂合金鍍層,進而研究退火條件對形成鋅鎂合金鍍層的影響,即通過改變退火溫度和時間,得到不同的合金成分,然后通過X射線衍射分析退火條件對合金成分的影響。研究表明,退火溫度較低時,不會形成鋅鎂合金;退火溫度越高,形成的鋅鎂合金相越多,合金化程度越高;退火溫度過高會導致鐵鋅合金相生成。退火時間對合金化也有類似規律。

　　關鍵詞：鋅鎂合金;鋼板防腐蝕;快速退火;蒸發鍍鎂

　　鋼鐵作為工業生產中最為重要的金屬材料, 其防腐蝕性能的提高是人們一直探討的課題[1-3] 。一直以來, 都是以鋅作為自犧牲性陽極保護層對鋼鐵進行保護, 隨著現代工業和科學技術的迅速發展, 人們對防護性鍍層的要求也越來越高, 傳統的鍍鋅層已逐漸不能滿足要求。一般來說, 可以通過增加鍍鋅層的厚度來增加鍍層的耐蝕性, 但這勢必會影響鋼板的加工性能并且大大提高成本, 而/ 薄鍍層, 高耐蝕0才是未來的鋼鐵防腐蝕涂層發展趨勢。鋅基合金鍍層與純鋅鍍層相比, 具有更高的耐蝕性, 并有良好的防護性能價格比。

　　鋅鎂合金鍍層由于其優異的耐腐蝕性能正在逐步引起人們的關注, 日本的川崎鋼鐵公司、新日鐵鋼鐵公司、神戶制鋼所和德國蒂森克虜伯鋼鐵公司都對鋼板鋅鎂合金鍍層的制造工藝及其耐蝕性能做過報道, 結果均顯示鋅鎂合金鍍層具有優異的耐腐蝕性能[4-9] 。就目前文獻報道來看, 鋅鎂合金鍍層是目前為止耐蝕性最高的鋅基合金鍍層, 日本神戶制鋼所采用真空鍍法生產的Zn-Mg 合金電鍍鋼板與普通的鍍鋅鋼板相比, 耐蝕性提高了23 倍[9] 。

　　由于鎂的標準平衡電位為-2137 V, 比氫的析出電位還要負很多, 難以像鋅、鐵、鎳等金屬一樣在水溶液中沉積, 水溶液電鍍的難度極大, 因此除常規的水溶液電鍍之外, 人們也在嘗試其它制造工藝來制備鋅鎂合金鍍層。目前, 文獻報道的鋅鎂合金鍍層的制備方法主要有真空鍍, 水溶液電鍍, 熔融鹽電鍍和熱浸鍍[4-5,10-17] 。其中, 真空鍍可沉積鋁、鎂等濕法電鍍無法沉積的標準電極電位很負的金屬, 且真空涂層的附著力、致密度、硬度、耐腐蝕性等都相當優良。因此真空蒸發制備鋅鎂合金鍍層將是今后鋼鐵防腐蝕鍍層制備工藝中值得重視的一項技術。

　　目前國內外鋼板上鋅鎂合金鍍層的研究還屬剛剛起步階段, 其制造工藝和耐蝕機理的研究尚不成熟和完善, 有研究表明, 鋅鎂金屬間化合物MgZn2 和Mg2Zn11的形成可能是其耐腐蝕性能提高的主要原因[5,7-8] , 而對真空蒸發制備鋅鎂合金的形成過程和作用機制研究很少。在真空鍍技術中通過退火使鋅鎂相互擴散形成鋅鎂合金是其中的技術關鍵, 考慮到與真空在線鍍膜的設備中鋼板的走速匹配, 其退火時間要盡量短, 否則會大幅增加設備的投資。因此本文將針對不同的快速退火工藝, 對鋅鎂合金形成過程及其成分展開研究。

鍍鋅鋼板上蒸發鍍鎂

　　實驗基板為鍍鋅鋼板。將鋅鍍層厚度約為417Lm 的10 cm @ 10 cm 鍍鋅板, 浸入1 mol/L 的NaOH溶液中除油1 min, 拿出后用去離子水沖凈, 再浸入013 mol/ L 的HCl 溶液30 s, 去除Zn 表面的氧化層,拿出后用去離子水沖凈, 吹干后立即放入北京儀器廠的DMDE450 電子束鍍膜機的真空室內, 當真空度達到2 @ 10- 3 Pa 時, 用Ar 等離子體轟擊清洗基板30 min。

　　由于金屬Mg 的熔點較低約為650 e , 因此采用Mo 舟熱蒸發, 蒸發材料為Mg 帶(012 mm 厚, 2 mm寬, 9910%) 。Mg 膜的厚度控制在600 nm~ 1 Lm。用臺階儀對蒸鍍的Mg 膜進行測量, 得到Mg 膜層的厚度。本文中采用的樣品鎂層厚度均約為700 nm。

快速退火形成鋅鎂合金

　　本課題采用的是北京東之星應用物理研究所研發生產的RTP300 型快速退火爐。設置的快速退火溫度從300 e 到420 e , 中間每間隔10 e 取一個測試點, 5 s 加熱到設置溫度, 保持時間分別為015, 1, 2, 4min, 加熱后在快速退火爐中冷卻至室溫取出。

　　本文利用真空蒸發和快速退火法制備鋼板鋅鎂合金鍍層, 而后通過XRD 和SEM 研究退火工藝對合金化的影響, 得到合金成分與退火工藝參數的關系和合金化過程。結論如下:

　　(1) 退火溫度較低時, 不會形成鋅鎂合金; 退火溫度越高, 形成的鋅鎂合金相越多, 合金化程度越高; 退火溫度過高會導致鐵鋅合金相生成。

　　(2) 退火時間對合金化也有類似規律。并由此推測鋅鎂合金的合金過程是單質減少, 相互擴散, 然后生成合金, 隨著退火時間的增長, 合金增多, 晶粒取向增多, 繼續增長退火時間則會出現鐵鋅合金。

　　( 3) 退火溫度較高時, 退火時間較短就可以達到退火溫度較低但退火時間較長的退火效果, 說明在鋅鎂合金化過程中可以適當提高退火溫度來減少退火時間以達到快速退火的目的。

　　Abstract: The Zn-Mg alloy thick films were deposited by vacuum evaporation on steel substrates.The impacts of the deposition conditions,including substrate temperature,annealing temperature,and cooling rate,etc.,on the microstructures and properties were evaluated.The Zn-Mg coatings,before and after annealing,were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy and conventional surface probes.The results show that the annealing conditions significantly affect the microstructures and mechanical properties of the Zn-Mg alloy coatings.For instance,annealed at a low temperature for a short period of time,no Zn-Mg alloy formed;higher temperature and longer time resulted in an increased Zn-Mg alloy phase.However,above a critical temperature,the interface reaction of Zn and Fe occurred,forming Zn-Fe alloy.We suggest the Zn-Mg inter-metallic compounds,MgZn2 and Mg2Zn11,account for the improvement of corrosion resistance.

　　Keywords: Zn-Mg alloy,Anti-corrosion of steel,Fast annealing,Evaporation of Mg

　　基金項目: 國家自然科學基金項目(項目批準號50871129)