[发明专利]一种锌铝镁稀土多元合金材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种适合于热喷涂锌铝镁稀土多元合金防护涂层的丝材及制备方法，属于钢结构的金属热喷涂及腐蚀与防护领域。

背景技术

目前广泛用于防腐领域的热喷涂金属丝材主要有锌丝、铝丝及锌铝合金丝等。热喷涂技术是防腐蚀最有效和最有用的工艺技术，采用热喷涂技术在钢铁结构表面制备出上述金属涂层，并对涂层进行封孔处理可有效地延长钢铁结构件的使用寿命。

自20世纪50年代起，日本腐蚀控制协会热喷涂专业委员会曾利用火焰喷涂技术对碳钢表面喷涂Zn-13wt%Al合金线材，并对比Zn、Al热喷涂涂层进行了10年的海洋暴露试验发现，经封闭处理的Zn-13Al合金涂层显示出了优良的耐蚀性能。通过对Al含量分别为15%、22%、30%和55%的Zn-Al合金丝涂层的电化学试验研究表明，随着Al含量的增加，电位向正方向移动，并在阳极极化试验时，表现出了钝化现象。但是当Al含量大于15%时，材料变硬变脆致使合金丝的加工非常困难，因此，20世纪六七十年代，Zn-Al合金丝材喷涂主要集中在Zn-15wt%Al合金上，目前，Zn-15wt%Al合金已成为应用最为广泛和成熟的热喷涂金属线材。Zn-Al合金丝与纯Zn丝和纯Al丝相比，其喷涂后具有粘附性强、耐磨性和抗腐蚀性好、施工性能优越等特点。Zn-Al合金做牺牲阳极喷涂于钢铁结构表层，可使构件使用寿命延长5～10倍，这种涂层集合了既有锌涂层的阳极保护效果，又有对点蚀和裂纹不敏感的特性以及耐环境腐蚀的优点。

热喷涂锌涂层对钢铁的电化学保护性能好，但其耐蚀性较差，热喷涂铝涂层具有较好的稳定性，但其电化学性能不及锌涂层；热喷涂锌铝合金涂层兼具了锌涂层良好的电化学性能和铝涂层的稳定性优点，成为目前主要应用于防腐领域的热喷涂涂层。事实上，随着铝含量的提高，其涂层的粘附性更强，耐磨性和抗腐蚀性能更好，但随着铝含量的增加，塑性变形抗力增大，拉拔成丝越困难；锌铝合金丝材也有自身的弱点，就是容易发生晶间腐蚀。而在锌铝合金中加入镁、稀土等合金化元素，可使锌铝合金晶粒细化，同时改善涂层的自封闭效果、涂层组织的均匀性、降低涂层的孔隙率，进一步提高涂层的耐蚀性能。

近几年的研究表明，向Zn-Al合金中加入其它的适量元素能显著改善涂层的耐蚀性能，如研制出的Zn-Al-RE合金、Zn-Al-Si合金、Zn-Al-Mg合金以及Zn-Al-Mg-RE合金等热喷涂合金材料，其中以Zn-Al-Mg系列合金最为突出。

80年代初期，在国际铝锌研究组织的组织领导下，成功的开发了Zn-5%Al-(0.03~0.1%)RE合金镀层，稀土首次出现在合金镀层应用领域，接连开发Zn-Ni、Zn-Ti、Al-Si、Al-Ti、Zn-Al-Mg、Zn-Al-Mg-Si等成熟的合金镀层。Al、Zn及其合金镀层家族中新的成员不断出现，为钢铁在使用环境下的有效保护提供了有力的保障。稀土是一种优良的添加剂，具有除气、净化、变质等作用，通过合金化可以增加润湿清洁钢铁表面的能力。

目前国内外防腐实践证明，采用Zn-Al合金防腐涂层钢结构腐蚀防护的有效方法之一，但这类涂层体系对点蚀和机械损伤特别敏感，针对Zn-Al涂层防腐中存在的问题，国外出现了Zn-A1-Mg防腐材料体系，该材料具有自封闭效果。Zn-A1-Mg涂层由于Mg的加人，Mg和A1形成的Al, Mg氢氧化物薄膜除了起到钝化膜的作用外，腐蚀后也生成相应的有自封闭能力的腐蚀产物，与Zn的腐蚀产物一起去堵塞涂层中的缺陷，形成更加致密的腐蚀产物层，加强了涂层的自封闭效果，使得涂层在腐蚀后期的耐蚀性能大大提高。

Zn-Al-Mg合金涂层在海洋环境下具有比Zn-Al涂层更优异的耐腐蚀性能，并在美国、英国等国家已经开始应用。早期的Zn-Al-Mg合金材料，当含Mg量大于0.5%后，合金将变硬变脆而难于制成丝材，采用伪合金和粉芯丝材的办法可解决这一问题。有资料表明，利用伪合金和粉芯丝材技术向涂层中添加0.7%～1.4%(wt)的Mg后，涂层的抗红锈能力是纯Zn或纯Al涂层的4倍。本实验室对Zn-Al-Mg系列合金涂层也展开了研究，采用高速电弧喷涂技术并结合粉芯丝材制备了不同Al、Mg含量的Zn-Al2Mg系列合金涂层，并利用盐雾腐蚀试验和电化学腐蚀试验研究了Al、Mg对Zn-Al涂层耐腐蚀性能的影响，为这种新型防腐涂层的大规模工业应用奠定了理论基础。