熱鍍鋅鍍層的形成機理

熱浸鍍鋅是一個冶金反應過程。從微觀角度看，熱浸鍍鋅過程是兩個動態平衡：熱平衡和鋅鐵交換平衡。當把鋼鐵工件浸入450℃左右的熔融鋅液時，常溫下的工件吸收鋅液熱量，達到200℃以上時，鋅和鐵的相互作用逐漸明顯，鋅滲入鐵工件表面。

隨著工件溫度逐漸接近鋅液溫度，工件表面形成含有不同鋅鐵比例的合金層，構成鋅鍍層的分層結構，隨著時間延長，鍍層中不同的合金層呈現不同的成長速率。從宏觀角度看，上述過程表現為工件浸入鋅液，鋅液面出現沸騰，當鋅鐵反應逐漸平衡，鋅液面逐漸平靜。工件被提出鋅液面，工件溫度逐漸降低至200℃以下時，鋅鐵反應停止，熱鍍鋅鍍層形成，厚度確定。

熱鍍鋅鍍層厚度要求

影響鋅鍍層厚度的因素主要有：基體金屬成分、鋼材的表面粗糙度、鋼材中的活性元素硅和磷含量及分布狀態、鋼材的內應力、工件幾何尺寸、熱浸鍍鋅工藝。

現行的國際和中國熱鍍鋅標準都根據鋼材厚度劃分區段，鋅鍍層平局厚度以及局部厚度應達到相應厚度，以確定鋅鍍層的防腐蝕性能。鋼材厚度不同的工件，達成熱平衡和鋅鐵交換平衡所需的時間不同，形成的鍍層厚度也不同。標準中的鍍層平均厚度是基于上述鍍鋅機理的工業生產經驗值，局部厚度是考慮到鋅鍍層厚度分布的不均勻性以及對鍍層防腐蝕性要求所需要的經驗值。

因此，ISO標準、美國ASTM標準、日本JIS標準和中國標準在鋅鍍層厚度要求上略有不同，大同小異。

接下來講解幾種不同的熱鍍鋅及鍍層特點。

熱鍍純鋅鍍層鋼板(GI板)

目前生產GI板所用鋅液中添加了0．2%的Al元素。添加AI的作用是改善鋅液流動性，鋁與鐵元素通過優先發生反應形成鐵鋁合金相層，抑制鋅與鋼板基體的反應，從而提高鍍層附著力，同時鋅液中少量鋁的加入在鋅液表面形成鋁的氧化物膜，阻止了鋅液表面鋅的氧化反應，減少了鋅耗。而在鍍層表面鋁能夠首先與氧氣發生反應形成一層氧化鋁保護膜，阻止鍍層表面氧化，增加表面光亮度。

GI板是典型的利用犧牲陽極(鋅)的陰極保護機理來保護鋼基體不被腐蝕， 且GI板是*普通、應用*廣泛的鍍層鋼板，在建筑、家電、汽車、交通、農業等各行業大量應用。

由圖1a、 1b可知，GI板鍍層表面為平臺與均勻凹坑組成，形貌的形成主要是鍍鋅后經過一定粗糙度的光整輥使鍍層表面形成粗糙度大約1μm的表面。由圖1c可知，GI 板是由*表層純鋅層、鋼基板及中間一層薄薄的抑制層即鐵鋁合金相層FeAl3或Fe2Al5相組成，鐵鋁合金相阻止了鐵往鋅層的擴散，避免鍍層形成相對較脆的鋅鐵合金相，從而保證鍍層的附著力。

熱鍍鋅合金化鍍層鋼板(GA板)

GA板是在鍍鋅后通過500～550℃熱處理，讓鋼基體中的鐵與鋅相互擴散，形成鋅鐵合金相層的鍍層鋼板，鍍層表面鐵含量約10%( 質量分數)。

GA板需要在鍍鋅后進行熱處理使鋅鐵相互擴散，從而形成鋅鐵合金相，因此為減少合金化時間，減薄抑制層的阻擋效果，鋅液中Al含量會比GI板鋅液中Al含量要低， 一般在0．13%左右。鍍層中的鐵元素提高了鍍層整體腐蝕電位和可焊性，但是鋅鐵合金相層的形成增加了鍍層的脆性，變形過程中鍍層容易產生粉化或剝落現象，影響成型模具使用壽命。

鋅鐵合金相層的形成過程使鍍層表面粗糙度增加，使色澤降低，涂層表面發灰變暗，更大的粗糙度增加了鍍層的可涂裝性。同時，硬度和表面粗糙度更大的鍍層表面具有更好的耐砂石沖擊性能。因此，GA板相比GI板具有更好的耐腐蝕性能、焊接性能、涂裝性能以及耐砂石沖擊性能，但是成型性能相對變差，且沒有GI板光亮。

GA板用作汽車面板，主要用于日韓系汽車，生產GA板對于鍍層鋅鐵合金相層的生產控制要求嚴格，因此工藝控制要求較高，國內已經能夠成熟生產。

GA板鍍層表面是由粗糙的鋅鐵合金相δ1p和少量ξ相組成，所示*表層為相對疏松的柱狀晶δ1p和靠近基體的更為致密的δ1k層，在鍍層與基體交界處存在約1μm厚的Г相層。

熱鍍鋁鋅鍍層鋼板(GL板)

熱鍍鋁鋅鍍層一般包括含有5%Al的Galfan即GF鍍層和含有55%Al的Galvalume即GL鍍層，目前連續板帶熱鍍鋁鋅鍍層一般指含有55．0%Al、43．4% Zn、1．6%Si的Galvalume鋼板即GL板。

由于GL板鍍層中鋁含量較高，使得鍍層具有鋁的耐蝕性和抗高溫氧化性能，鋅的存在使鍍層有陰極保護性能。目前GL板一般用作彩涂板板用在建筑、汽車、家電、農業等行業，同時直接應用于消聲器、排氣管、冰箱背板、電子微波爐、熱交換器等。

GL鍍層表面鋅花直徑一般在1～3mm，由于鋅花尺寸影響因素較多，隨著鋅液中合金元素含量的不同或是鍍后冷卻速率的不同，鍍層鋅花也會有較大范圍變化，一般而言鋅花尺寸在0．2～5．0mm的更大范圍內也是允許的。

由圖3可知，GL鍍層是由兩層組成，外層是鋁鋅合金層，由樹枝狀晶的富鋁固溶體和枝晶間的富鋅相組成。內層是鋁鋅鐵金屬間化合物層，它位于鋁鋅合金層和鋼基體之間，與GI鍍層結構類似，GL鍍層的內層鋁鋅鐵金屬間化合物層起到避免鐵元素進入鋁鋅合金層、 增加鍍層附著力的作用，而硅的加入限制了脆性鋁鋅鐵金屬間化合物層的生長。

熱鍍鋅鋁鎂鍍層鋼板( ZnAlMg 板)

ZnAlMg板起源于日本，由于島國海洋性氣候，多臺風地震，因此要求鋼材高強度高耐蝕，同時日本資源潰乏，生產原料供需緊張，因此開發了ZnAlMg板，即提高耐蝕性，又有效利用了資源降低成本，保護環境。

由于不同企業開發的ZnAlMg板中鋁和鎂的成分不同，出現了很多不同成分配比的ZnAlMg板，比如日新制鋼開發出ZAM(Zn-6%Al -3%Mg)產品、新日鐵的SuperDyma板(Zn-11%Al-3%Mg)產品、蒂森的ZnMgEcoprotect( Zn-1%Al -1%Mg)產品、奧鋼聯的Corrender( Zn - 2%Al -2%Mg)產品、阿賽樂米塔爾的Magnelis( Zn- 3．7%Al-3．0%Mg)產品等。

ZAM板鍍層是外層和外層與基板交界處合金層組成，鍍層外層由富鋁相、Zn/Al/Zn2Mg三元共晶相組成，ZnAlMg鍍層的耐蝕性較GI鍍層大幅提高，如ZAM板鍍層耐蝕性甚至可達GI鍍層耐蝕性的16倍。

ZnAlMg鍍層中對提高耐蝕179性起關鍵作用的是Mg2Zn11或MgZn2分布于結晶邊界和樹枝狀結晶間隙，耐切邊腐蝕性好，加工性較好，適用于建筑材料。由于其外表面硬度大，還可以抵抗成形過程中出現的表面磨損，有利于作為環保及節約資源的涂鍍層鋼鐵制品。