锌及锌合金性能-镀锌合金

锌及锌合金性能．镀锌合金　高同’仑　匕　（北京冶炼厂，北京１０００５３）　摘要：锌及锌合金性能的性能特点和应用进行了综述。介绍了锌及锌合金抗腐蚀性能、力　学性能、电磁性能、抗磨擦性能，以及镀锌合金的防护作用。　关键词：锌：锌合金；镀锌合金；性能；应用　酸罐和油罐进行喷涂后，依次可使用５～２０年，　Ｏ引言　锌是现代文明社会的重要基础材料之一，　锌及锌合金的制品几乎涉及人类生活的各个领　域，从日常生活中常用的干电池、录音机、缝　纫机、照相机、玩具，到汽车、舰船、印刷、　比涂漆的使用寿命要大大延长。近年国外陆续　研制成的含５％铝的镀锌合金（称为Ｇａｌｆａｎ）和　含５５％铝的镀锌合金（称为Ｇａｌｖａｌｕｍｅ）比传统　的镀锌合金的抗腐蚀能力又有很大提高。　１．２适宜的力学性能　纯锌的强度和硬度均不高，加入铝、　铜等　仪表、建筑、五金水暖、艺术制品及火箭发射　架等均有踪迹。在世界金属材料消费中，锌仅　次于铁、铝、铜，居第四位。　合金元素后，其强度可以达到甚至超过铝合金、　铜合金、灰铸铁和可锻铸铁的强度，其硬度可　以超过青铜。早期的锌合金易出现晶问腐蚀和　老化，致使强度损失和引起变形，在潮湿的环　境中甚至开裂和瓦解，使锌合金的应用受到限　１锌及锌合金性能的性能特点　Ｉ．Ｉ良好的抗腐蚀性能和对钢铁大气腐蚀的防　护作用　锌暴露于大气中会形成由ＺｎＯ、Ｚｎ（ＯＨ）２　和ＺｎＣＯ３组成的锈层，由于ＺｎＯ的体积比金属　制。随着高纯锌（９９．９９％）的出现，并且在合　金中加入适量镁，锌合金的抗晶间腐蚀能力大　大提高，加工合金中出现的锌铜钛合金、铸造　合金中研制成功的高铝高强度锌合金，又使力　学性能提高了一大步，甚至接近了中碳钢的水　平。　锌的体积大０．４４倍，所以锈层在初期比较致密，　而且在潮湿条件下生成的由Ｚｎ（ＯＨ）２和ＺｎＣＯ３　组成的锈层黏附性较好，因此可以防止进一步　氧化，耐大气腐蚀性能优于钢铁。而且锌的标　准电极电位为—０．７６，低于铁的标准电极电位　１－３良好的电磁性能　锌的导电率是标准电工铜的２９％，大体上　与３／７黄铜的导电率相同。在射频干扰（ＥＭＩ　０．４３。因此，即使镀锌保护层出现局部破损，　电位较负的镀锌层将优先腐蚀而对钢铁提供电　／ＲＨ）的场合，锌板是一种非常有效的屏蔽材　料。锌是非磁性的，很容易与黑色金属分开，　化学保护作用。因此它广泛地用作钢铁的保护　覆盖材料。锌与雨水作用生成的化合物有防止　霉菌生长的作用，因此它是很好的层顶覆盖材　料。用锌合金线材对桥梁、码头、火车车厢、　适合作仪器仪表零件的材料，也适合自动售货　机对钱币无磁性的要求。锌自身及与其它金属　碰撞不会发生火化，适合作为防爆器材。　１　维普资讯 http://www.cqvip.com

１．４优越的抗磨擦性能　锌铝合金作为抗磨擦材料有一个突出的特　点是它对润滑油有较高的亲和力，因而有较低　的摩擦系数。近年来，在国外获得广泛应用的　数大约为３０％。镀锌的方法有多种，其中以热　镀锌为主，它的用锌量占全部镀锌用量的９０％　以上。　传统的镀锌方法所用的基本是纯锌，其中　ＺＡ－８、ＺＡ－１２、ＺＡ－２７等新铝合金，不论是从摩　擦系数，还是承载能力和耐磨性来看，完全可　以取代传统的ＺＱＳｎ６－６－３，ＺＱＡＩ９．４等青铜材　加入０．１Ｎ０．３％的铝。锌液中加铝后可在锌液表　面形成保护性氧化膜，从而大大减少锌液表面　的氧化，降低了因氧化而造成的锌耗，镀层表　料，而其价格要比铜合金便宜４０％￣６０％。　１．５高阻尼特性　锌铝合金具有高阻尼特性，能使强烈的振　动很快衰减，在噪声及振动控制领域可获得应　用。　１．６熔化及加工过程中节约能耗　锌的熔点低（４１９．５℃），且熔化潜热小（２８　卡，克），熔化锌的能耗大约是熔化铝的能耗的　１／４，是熔化铜的能耗的１／２。锌的再结晶温度低，　变形加工时，不产生加工硬化，不需要中间退　火（众所周知，中间退火是个很费时、耗能的　工序），并因而也不需要酸洗，这些都大大节约　了能耗，简化了工艺。　１．７工艺性能优良　锌合金有良好的流动性，铸造性能好，可　用于砂型、金型及压铸生产，压铸件的最小壁　厚可达ｌｍｍ以下　可生产出复杂的压铸件。轧　制加工性能优良，道此加工可达６０￣９０％，超　塑性锌铝合金的延伸率甚至可达５０００％以上。　冲压性能优越，可进行深拉伸，并且有自润滑　性，延长了模具寿命，切削加工性能良好，对　刀具的消耗低，加工表面光滑。可用钎焊或电　阻焊进行焊接，也可用氩弧焊焊接，表面可进　行电镀或涂漆处理。　２镀锌合金　镀锌层对钢铁制品有良好的防腐作用，钢　板、钢管、钢丝、型钢、钢铸件、钢制件、紧　固件等几乎所有钢铁制品都广泛使用镀锌覆　盖，以延缓腐蚀而延长其使用寿命。镀锌所耗　用的锌占全部锌用量的比例各个国家不同，西　方发达国家平均为大约４８￣５０％。我国的比例　２　面也比不加铝的镀层光亮好看。钢板浸入镀液　中后，在钢板表面优先生成Ｆｅ２Ａｌ５中间层，它　增强了镀层对钢板的附着力，使镀层不易脱落。　随着工业的发展，发现此种镀锌合金在工业污　染的大气中抗腐蚀性要大大降低。为了提高镀　层的抗腐蚀力，延长使用寿命，进行了在锌中　加铝的延伸研究，定性地找出了锌铝合金中铝　含量与热浸镀层耐大气腐蚀及其使用寿命的相　应关系。研制出综合性能优良适合商用的两种　镀锌合金，即含铝５％的Ｇａｌｆａｎ合金和含铝５５％　的Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金，关于两种合金后述。　２．１Ｇａｌｆａｎ合金镀层　上世纪七十年代，比利时在国际铅锌研究　组织（ＩＬＺＲＯ）的资助下，在共晶型锌铝合金　（含铝５％）中加入第３组元研究其性能。先后　加入了钙、锑、锡、镁及稀土等ｌ３种元素，其　中以加入少量镧铈稀土的效果最好。１９８７年，　法国进行了工业试验，并命名了Ｇａｌｆａｎ合金镀　层。１９８２年在日本首先投入工业生产，其后世　界上不少大钢铁公司如日本钢铁公司、德国的　赫斯公司，美国国家钢铁公司等纷纷采用此种　合金。日本秋田电锌厂生产的Ｇａｌｆａｎ锌合金的　成分如表ｌ所示。１９８８年美国将此合金纳入　ＡＳＴＭ标准，１９９５年我国ＹＳ标准中也有相应　的牌号（ＲＺｎＡＩ５ＲＥ）出台。两种标准的成分分　列于表２中。　表１日本秋田电锌的Ｇａｌｆａｎ锌合金的化学成分　元素　Ａｌ　Ｌａ　Ｃｅ　Ｐｂ　Ｃｄ　Ｓｎ　Ｚｎ　成分　５　０（％）　＜　＜　＜　０３５　０．０６５　０余量　００３　）．００ｌ　０．００ｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

表２　Ｇａｌｆａｎ热镀锌合金的美国与中国标准　主成分（％）　杂质不大于（％）　金牌号＼　ＡＩ　Ｌａ＋Ｃｅ　Ｚｎ　Ｆｅ　Ｃｄ　Ｓｎ　Ｐｂ　Ｓｎ　其它杂质元素　单个　儿　＾ｒ厶　－＇３　Ｇａｌｆａｎ　ＡＳＴＭ　４．２—６．２　Ｏ．Ｏ３一Ｏ．１　余量　０．０７５　Ｏ．００５　０．００２　０．００５　Ｏ．Ｏｌ５　Ｏ．Ｏ２　０．０４　ＲＺｎＡｌＹＳ厂ｒ３１Ｏ５ＲＥ　１９９５　４．７—６．２　Ｏ．Ｏ３一Ｏ．１　余量　０．０７５　０．００５　０．００２　０．００５　Ｏ．Ｏｌ５　Ｏ．Ｏ２　０．０４　Ｇａｌｆａｎ锌合金具有优良的抗腐蚀性能，不　层与传统的热镀锌层于不同的大气条件下在户　论是在城市工业大气或是在沿海潮湿大气中，　外暴露３年、５年后的厚度损失比较表。表４　其腐蚀性能均优于传统的镀锌层，前者的抗腐　为两种合金镀层于不同的大气条件下在户外暴　蚀能力为后者的２—３倍。表３为Ｇａｌｆａｎ合金镀　露３年后的阴极保护效果。　表３两种镀层在户外不同的大气条件下暴露３年、５年后的镀层损失比较　暴露３年的厚度损失（ｇｍ）　暴露５年的厚度损失（ｇｍ）　热镀锌层　Ｇａｌｆａｎ镀层　比率　热镀锌层　Ｇａｌｆａｎ镀层　比率　严酷的海洋气候　１２．７　４．Ｏ　３．１７　＞２Ｏ．Ｏ　９．５　＞２．１　海洋气候　７．８　２．８　２．７８　１２．５　７．５　１．６７　工业大气　８．７　２．４　３．６２　１８．２　５．２　３．５Ｏ　乡村大气　４．５　１．２　３．７５　ｌＯ．４　３．Ｏ　３．４７　表４两种镀层在户外不同气候条件下暴露３年后的阴极保护效果　暴露３年镀层从裸露处的后退值（ｇｍ）　热镀锌层　Ｇａｌｆａｎ镀层　比率　严酷的海洋气候　１．６　Ｏ．１　ｌ６　海洋气候　Ｏ．５　Ｏ．Ｏ６　８＿３３　工业大气　Ｏ．５　Ｏ．Ｏ５　１Ｏ　乡村大气　Ｏ．１　Ｏ　由表４可见，Ｇａｌｆａｎ合金镀层的阴极保护　层的综合性能比较。　效果是传统的热镀层阴极保护效果的１Ｏ倍。　由下表５可见，Ｇａｌｆａｎ合金镀层具有综合　Ｇａｌｆａｎ合金的工艺性能也很好，它的熔点为　优势，因此它出现后很快就推广到汽车、建筑　３８２℃，低于纯锌的熔点近４Ｏ℃，便于进行热镀　结构、高速公路和海洋工程等领域。据资料介　操作，减少镀层重量，增进表面光泽，镀层与　绍，高速公路护栏虽然由冬季撒盐和汽车尾气　基体的结合牢固，制件在成形时裂口敏感性较　中ＣＯ２、ＳＯ２等腐蚀性物质影响，采用Ｇａｌｆａｎ　小，在拉延和弯曲成形时，镀层不易脱落，表　镀层外加涂装的双层或三层联合保护层，其使　面易于涂漆。表５为Ｇａｌｆａｎ合金镀层与其它镀　用寿命在不需修补的情况下预计可达到１００年。　３　维普资讯 http://www.cqvip.com

表５　Ｇａｌｆａｎ合金镀层与其它镀层的综合性能比较　等级（５为最好，ｌ为最差）　性能　Ｇａｌｆａｎ　热镀锌　热镀铝　合金　热镀层　电镀体　合金化　锌合金　热镀铝　５　３　５　３　３　２　富锌　涂层　５　加工成型性　耐蚀性（裸板）　切边部位阴极保护性　耐蚀性（成型后）　漆膜附着力　４　５　５　５　３　５　３　４　３　５　３　５　２　５　３　５　５　３　３　４　５　ｌ　２　２　２　２　２　５　耐蚀性（涂装后）　可焊性　耐热性／反射性　相对成本　２．２　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层　５　４　３　３　４　４　３　４　４　５　３　２　５　５　２　４　４　２　４　３　３　ｌ　５　３　２　２　ｌ　５　以４５％的速度增长，到１９９０年，Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀　层钢材的生产能即近千万吨。　该合金的典型成分为：５５％Ａ１、４３．４％Ｚｎ、　１９６２年美国伯利恒钢铁公司（Ｂｅｔｈｌｅｈｅｍ　ｓｔｅｅｌ　ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）在镀锌和镀铝的基础上研究开　发新型镀层，经十年努力，一种名为“Ｇａｌｖａｌｕｍｅ”　的新型镀层铜材在伯利恒公司问世并于１９７２年　投人商品生产。由于该合金镀层的优越性能，　很快引起了其他国家的重视，先后有澳大利亚、　瑞典、卢森堡、加拿大、日本、韩国、英国、　意大利及西班牙等国获得特许权，纷纷投入生　产，使得该种合金镀层的铜材在十余年问每年　１．６％Ｓｉ。合金具有优异的耐腐蚀性和一定的抗　高温氧化性。据美国伯利恒钢铁公司的资料，　在不同大气及各种试验条件下的腐蚀试验结果　如表６、表７、表８所示。　传统镀锌层与Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层在四种　不同大气环境下经ｌ３年连续暴晒试验后的腐蚀　失重比如表６所示。　表６锌镀层与Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层在４种大气环境下经ｌ３年暴晒后的腐蚀失重比　大气环境　海洋大气（距海岸２４米）　海洋大气（距海岸２４’米）　乡村大气　工业大气　２种镀层的腐蚀失重ＬＬ／Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层　４．２　２．０　３．４　６．２　由表６可见，Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层的耐大气腐蚀　性是传统镀层耐腐蚀的２—６倍。　将两种镀层板（镀锌板与Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层　板）挂在汽车底盘上的撒盐的公路上行驶对比　其腐蚀率如表７所示。　由下表７可见，在上述恶劣条件下，　４　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层的耐蚀性是镀锌层的２—７倍。　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层板的耐自来水腐蚀性　也远高于镀锌板，表８中列举了Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀　层钢板、镀锌钢板与镀铝钢板的浸水试验结果。　由表８可见Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层钢板的耐自来水腐　蚀性是镀锌板的１．５—７倍。　维普资讯 http://www.cqvip.com

表７镀锌板与Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层板挂在汽车底盘上在撒盐公路上行驶时的腐蚀率　编号　试验时间　行驶距离　腐蚀速度（ｐｍ／年）　（月）　（ｋｉｎ）　镀锌板　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层板　腐蚀比　１　２６　２９１３７　３－３３　０．４７　７．１　２　１５　３１４７２　１．５６　０．４２　３．７　３　２ｌ　１２８９３　１．５４　０．２１　７．３　４　１６　２６４ｌ０　１．４０　０．６８　２．１　５　２４　３８２９４　１．１０　０．６５　１．７　６　１４　２３ｌ８９　１．９０　０．２４　７．９　表８　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层钢板镀锌钢板镀　％，对于红外光Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层为８７％，镀铝　铝钢板的浸水腐蚀试验结果　板为７６％。涂漆性也优于镀锌板，不仅可做彩　试验条件　试验所用　产生腐蚀的　色钢板的基板，还可在其上印花着色，粘附性　镀层板　时间（日）　好。Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层可以进行铬酸盐钝化处　浸水２４小时后　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ　９０　理，强化其性能。　空气吹干２小时　镀层钢板　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层钢板的加工性能优良，　如此反复进行　镀锌钢板　６４　冷弯１８０。镀层不脱落，其深冲性能可达到冷轧　镀铝钢板　５　板的水平，它还具有良好的焊接性，可用现有　潮湿环境２２小时　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ　３６　的各种焊接方法焊接。　空气吹干２小时　镀层钢板　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层，由于其优良的性能，可取　如此反复进行　镀锌钢板　５　代镀锌层，广泛用于建筑、汽车、造船、电缆、　镀铝钢板　５　轻工和农牧等行业，也可部分取代镀铝板用于　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ　耐热环境。在建筑上可用作屋顶板、壁板、烟　镀层钢板　１１４　道烟囱、防尘装置和下水管道等，在汽车工业　连续浸泡水中　镀锌钢板　９０　中被用于制造消音器、尾气管、遮热板等。在　镀铝钢板　１６　家用设备中用来制造炉灶、烤箱、空调器壳以　及干燥、加热装置等。总之它是一种量大、面　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层钢板的抗土壤腐蚀性也优　广极有发展前途的产品。　于镀锌钢板，约为后者的３倍。　２．３国内的研究应用情况。　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层钢板由良好的抗电化学腐　我国在镀锌合金的研究开发方面起步较　蚀性能。比较相同厚度的Ｖａｌｖａｌｕｍｅ合金镀层钢　晚，上世纪八十年代中期才开始着手，８５年国　板、镀锌钢板和镀铝钢板的切边腐蚀情况，发　家科委将其列为“七五”攻关项目，由北京钢铁　现Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层板和镀锌板的切边生锈很少，　研究总院、北京有色金属加工厂、上海有色金　而镀铝的切边则生锈很快。　属研究所及韶关；台炼厂、湘潭冶炼厂等单位先　Ｇａｌｖａｌｕｍｅ镀层还有一定的抗高温氧化性，　后研制成Ｇａｌｖａｌｕｍｅ合金、Ｇａｌｆａｎ合金，并很　它在３００℃下可长期使用，在４００℃下可较长时　快投入了工业应用，现在全国已有整条生产线　间使用。其热反射性也比镀锌板好，对于可见　投入运行，但总的说来产量不大，还需要做进　光其反射率达６５％，而镀锌板的反射率则为４７　步的研究推广工作。　５