合金元素的添加对于材料性能的影响

1.铝的添加

在热浸镀锌时，常常会在锌浴中加入少量铝，它可以起到下列作用：①提高镀层光亮性；②减少锌液面锌的氧化，减少锌灰的产生。然而，如果锌浴中铝含量控制不好，不但不能够提高产品质量，反而会造成镀层表面出现颗粒，甚至漏镀等缺陷。

（1）对镀层光亮性的影响 锌浴中加入少量铝可使镀层表面比纯锌层更光亮。由于锌浴中的Al被选择性氧化而使表面形成一层连续的Al₂O₃膜，锌浴表面不易氧化而比纯锌浴更光亮，从而获得更为光亮的镀层。同时由于镀层中也含有铝，在镀层的表面也会形成了一层Al₂O₃保护膜，对锌层提供了一个物理屏障而阻止了锌被空气氧化，有利于保持锌的金属光泽。实验表明，当锌浴中w_Al超过0.001%时，镀层光亮性就会显著提高；但锌浴中w_Al为0.001%～0.005%时，对镀层光亮性的作用随浸镀温度、工件提升速度等因素影响而变得不稳定；锌浴中w_Al超过0.005%后，镀层的光亮性随铝含量增加稳步提高，并在锌浴中w_Al为0.02%左右达到最高值，w_Al超过0.02%后镀层光亮性不再提高甚至会缓慢下降。因此，在热浸镀锌生产中，为提高镀层光亮性，可在锌浴中加入铝，使w_Al为0.005%～0.02%。

（2）对锌渣及锌灰的影响 锌浴中w_Al为0.005%～0.02%时，通常不会形成密度低而浮于表面及锌浴中的富Al浮渣。同时，锌灰会减少。这是由于在锌浴中含有铝而在表面形成了一层Al₂O₃保护层，阻止了锌被氧化形成锌灰。

（3）对助镀剂的影响 当锌浴中w_Al达到0.06%后，会引起常规热浸镀锌助镀剂失效而使工件出现漏镀。常规热浸镀锌助镀剂通常采用的是氯化锌铵，由于Al会与氯化锌铵中的NH₄Cl发生反应生成AlCl₃，而使助镀作用减弱或失效。

（4）锌浴中铝的添加方式 铝的熔点为658.7℃，在450℃镀锌温度下，铝的溶解扩散速度很慢。同时，铝在空气中容易被氧化而在表面形成一层致密的Al₂O₃保护层，阻止了铝在锌浴中的溶解扩散。因此，在锌浴中直接采用铝锭添加的方式是不可取的。这是因为铝锭的表面氧化膜使铝很难溶解在锌浴中，一旦溶解，又易使锌浴局部铝含量过高，这样既容易形成浮渣又可能造成局部助镀剂失效而出现漏镀。因此，锌浴中铝的添加宜采用Zn-Al中间合金的添加方式，这种中间合金中w_Al一般为4%～10%。

为了使铝能够迅速充分地混合，要将合金装入带孔的容器中投到锌锅底部。另外，还需要经常地添加以补偿铝的损失（由于氧化和在镀层上的消耗），添加的量和次数必须根据每次锌浴的化验结果而定。为了防止铝过量，添加时宜采取“少而勤”的原则（例如，每班添加两次）。为了快速确定锌浴中铝含量的情况，可取少量氯化铵晶粒撒在轻微氧化的表面上。当w_Al低于0.007%时，氧化膜被溶解，晶粒自由移动；而当铝含量较高时，晶粒便停在表面上不动，而且渐渐挥发。

2.镍的添加

目前，越来越多的热浸镀锌企业在热浸镀锌时，在锌浴中加入少量镍，它可以起到下列作用：①抑制w_Si小于0.25%的钢在锌浴中的异常铁锌反应，减小这类钢出现灰暗、超厚、黏附性差的镀层；②提高镀层光亮性。但镍的添加过量，可能会在锌浴中出现颗粒增加及浮渣现象。

（1）对镀层组织的影响 锌浴中加入w_Ni约为0.1%的镍可降低铁锌反应速率，消除活性钢镀锌时ζ相的异常生长，使镀层黏附性提高，表层可形成连续的η相自由锌层，镀层外观保持光亮。

在锌浴中加入w_Ni为0.04%～0.12%的镍时，能起到减缓或消除w_Si小于0.25%活性钢的圣德林效应的作用，并随着加入镍量的提高其作用则越明显。但对高硅钢（w_Si>0.25%），锌浴中镍的加入对减薄镀层的效果不大。(www.xing528.com)

（2）对镀层性能的影响 锌浴中加镍可提高镀层中ζ相层的硬度，这可能是ζ相与η相之间出现了富镍相引起的。硬度的提高使镀层耐磨性得到提高，可减少镀件在搬运、贮存、运输及使用时镀层因碰撞或摩擦而损坏。对锌镍合金镀层钢管进行与常规镀锌钢管相同的弯曲操作，镀层不发生任何损坏，其加工性能保持不变。对该镀层进行冲击试验也可验证其具有良好的黏附性。锌镍合金镀层的耐蚀性与镀锌层基本相当。

（3）对锌渣及锌灰的影响 锌浴加镍会使锌渣增加。由于工件及锌锅上的铁不断溶入锌中，使锌浴中铁含量增加。在450℃时，铁在锌中的溶解度为0.03%，当铁含量超过该值时，便会生成FeZn₁₃金属间化合物沉入锅底形成锌渣。当锌浴中加入镍后，铁的溶解度将下降，这意味着加镍促使一部分铁形成锌渣。为减少锌渣的形成，锌浴含铁量应尽量减小。当锌浴中的w_Ni为0.06%～0.10%时，锌渣由原先的Zn-Fe二元合金相转变为Zn-Ni-Fe三元合金Γ₂相浮渣，对热镀锌是不利的。因此，锌浴中的镍含量w_Ni不能超过0.06%。

锌浴加镍后锌灰的生成量会减少。

（4）锌浴中镍的加入方式 由于镍的熔点大大高于锌，锌浴中添加镍，往往需要首先转化成锌镍中间合金或采用镍粉直接合金化技术。目前国际上曾采用的锌镍中间合金有Zn_-2%Ni、Zn-0.5%Ni中间合金和Zn-0.24%Ni预合金。表3-22为常用的锌镍合金及镍粉在热浸镀锌中的使用特性。

表3-22 常用的锌镍及镍粉在热浸镀锌中的使用特性

由于镍加入锌浴中，镀层、锌渣中所带走的镍量均大于锌浴中的镍含量。当锌浴中w_Ni在0.055%～0.06%的范围时，镀层中的镍含量比锌浴中高；而锌渣中的w_Ni为0.5%，比锌浴中高出10倍，若形成Γ₂相浮渣，镍含量将更高；锌灰中w_Ni约0.04%，略低于锌浴中。因此，要维持一定镍含量的锌浴，锌镍合金的实际加入量要高得多。这就涉及镍的有效利用率问题。

早期有报道称当锌浴中刚加入Zn-2%Ni合金时，锌浴中的镍含量很快上升，但持续的添加，镍的有效利用率（锌浴中的镍含量与添加量之比）降低很快，仅为20%～30%。Zn-0.5%Ni和0.24%Ni预合金最早是用于维持锌浴中较高镍含量（w_Ni为0.08%～0.12%）而生产的，预合金的意思就是直接使用而不再与纯锌进行稀释。但后来由于锌浴中镍的使用含量降低，Zn-0.5%Ni合金也就作为中间合金使用了。由于Zn-0.5%Ni合金中的δ-NiZn₈金属间化合物相量较少且分布更均匀，故镍的有效利用率更高，有报道称可达到33%，但使用该合金的成本是Zn-2%Ni合金的2倍以上。Zn-0.24%Ni合金接近共晶成分，它的熔点低，可迅速溶解于锌浴中，但这种合金使用成本过高而未被广泛采用。

目前国外使用较多的为Zn-0.5%Ni合金，而国内出于成本的考虑，使用较多的仍为Zn_-1%Ni和Zn-2%Ni合金。

镍粉直接合金化是由加拿大Cominco公司研究开发的。采用该技术设备制作简单，成本低，操作方便，但可能产生浮渣，在目前尚未取得广泛应用。