Zn-Sn合金技术的优化方案

以前人们研究含锡的锌浴对热浸镀锌的影响认为，锌浴中仅含锡时，镀层不会出现锌花，此时锡对镀层的形貌及厚度均无影响。而当锌浴中同时含铅和锡时，会有锌花出现。

1997年Gilles等人在Zn-Ni浴中加入w_Sn为2.5%的锡或在锌浴中加入w_Sn为5%的锡后，发现这样可以降低活性钢、甚至高硅过圣德林钢和含磷钢中锌铁合金相的生长速率。这为解决过圣德林钢的热浸镀锌问题开辟了一个新的研究方向。

1.含锡的锌浴中Fe-Zn反应抑制机理

研究锌浴中加入w_Sn为3%～12%的锡后，w_Si为0.37%钢热浸镀锌层厚度变化情况，结果表明，锌浴中w_Sn为3%～5%时，能够显著抑制高硅活性钢热浸镀锌层的异常生长，镀锌厚度明显减小。其抑制机理为：由于锡较难溶于Fe-Zn合金相层中，在热浸镀锌过程伴随着Fe-Zn合金层的生长，会把锡排到Fe-Zn相层与液相锌的生长界面上，当锡达到足够量时就会在Fe-Zn合金层生长前沿形成一连续层，阻挡铁与锌的互扩散，从而抑制Fe-Zn合金层的生长。

2.Zn-Sn合金技术的工业应用

锌浴中加入w_Sn为3%～5%的锡能够解决高硅钢的活性问题，但过高的锡含量会加速铁在液相锌中的溶解，引起锌锅的严重腐蚀；同时，也会使合金技术的使用成本过高而限制其应用。经过进一步的研究发现，在Zn-Sn合金技术的基础上，添加镍和铋或钒可以有效降低锌浴中锡的使用量，而且能够有效解决所有含硅活性钢镀层超厚问题，弥补了Zn-Ni合金不能解决高硅钢活性问题的不足。但是，此锌浴中锡含量过高，增加了引起焊接结构件开裂倾向，在欧洲一些国家对锌浴中的锡含量有限制，制约了此技术的广泛应用。

（1）Zn-Sn-Ni-Bi合金浴的特点 典型的合金浴的成分：w_Sn为1.2%，w_Ni为0.05%，w_Bi为0.1%～0.35%。由于锡和铋可以降低锌溶液的黏度，故该合金浴有好的流动性。同时，合金浴中的锡和铋可降低表面张力，因此锌浴浸润性较好。

由于该合金浴对镀件Fe-Zn反应有抑制作用，以及锌浴有良好的流动性及浸润性，所以采用该合金浴获得的镀层外观光亮平滑，并伴有锌花的出现。而且，还可以明显抑制活性钢超厚问题，降低了锌耗。

工业应用发现，采用Zn-Sn-Ni-Bi合金浴可降低锌渣量，锌浴中锡和铋的含量越高，产生的锌渣越少。对锌灰的产生量则影响不大。(www.xing528.com)

户外腐蚀的暴露试验表明，该合金浴所获镀层与Zn-Ni浴镀层有相似的腐蚀速率。对镀层的可涂装性能基本没有影响。

从使用成本考虑，与普通锌浴比较，Zn-Sn-Ni-Bi合金浴每吨增加成本6%～12%，而Zn-Ni（Bi）浴增加3%～8%。不过，考虑该合金浴的使用成本，应结合其锌耗的降低情况，以找出使用何种合金最适宜。在锌价较低、非活性钢工件多的情况下，采用普通锌铅合金浴是最适宜的。如果有大于10%的活性钢工件，则采用Zn-Ni合金或Zn-Ni-Bi合金是最适合的。若活性钢工件占总量的35%，采用Zn-Sn-Ni-Bi合金是合适的。若锌价增高，合金浴使用成本反而会更低。

对于容易变形或开裂的工件，在Zn-Sn-Ni-Bi合金浴中，将更容易变形或开裂，甚至造成工件破坏。这个问题是在高硅钢方管热浸镀锌时发生开裂情况后提出的。若工件本身已存在因严重的冷变形而产生的较大残余应力，而工件高硅含量使其延展性较差，在450℃下进行热浸镀锌时即相当于进行时效处理，故这个过程容易引发出裂纹。Zn-Sn-Ni-Bi合金浴更易使这种问题出现，这是由于该合金浴较好的流动性及润湿性，使锌浴向工件的热量传导加快，引起工件内温度梯度增大，热应力增大。总的来说，即高残余应力+高热应力+延展性的丧失=开裂。通过使用一种特殊的传感器来检测钢浸镀过程中的温度梯度，发现在相同的热浸镀锌参数下，工件在Zn-Sn-Ni-Bi合金浴的温度梯度几乎是锌镍合金浴的3倍。尤其当w_Bi达到0.15%时，工件温度梯度达到最大。这种情况可通过调整热浸镀锌参数来进行补偿。例如，采用降低锌浴的温度、提高预热温度、改变溶剂成分以及加快浸镀速度等方式来弥补。

（2）Zn-Sn-V（Ni）合金浴 Adams等人研究发现锌浴中w_V为0.04%及w_Ti为0.05%可有效控制w_Si+2.5wP值高达1%钢材的铁锌反应。但这种合金浴最主要的缺点是锌浴含钛造成传统氯化铵助剂不适用，而导致锌灰很多。而当钒加入Zn-Sn浴中，研究发现，w_Sn为0.8%+w_V为0.08%或w_Sn为1%+w_V为0.05%的锌浴成分可以有效控制w_Si+2.5wP值高达0.5%时钢材的反应，包括采用Ni-Zn合金浴无效果的高磷低硅钢。在Zn-1.2%Sn-0.02%V合金浴中加入w_Ni为0.055%的镍，可以控制w_Si+2.5wP高达0.4%时钢材的反应。

观察w_Si为0.3%的钢在Zn-1%Sn-0.05%V合金浴中所获镀层组织微观形貌发现，与低硅钢典型组织形貌一致，这表明Fe-Zn异常反应受到充分抑制。镀层外观平滑光亮，有锌花。

对合金镀层做附着性及耐蚀性试验均表明，合金镀层与纯锌层的附着性及耐蚀性基本一致。

锌锅腐蚀试验结果表明，镀锌温度为450℃时，Zn-Sn-V-Ni合金浴中钢材的失重量可与普通锌浴相当，表明该合金浴不会加速锌锅的腐蚀。