连续热浸镀锌熔体表面性能及其对镀层形成影响机理的研究

Alloying elements have an impact on the melt surface tension in continuous hot-dip galvanizing. The key impact of the melt surface properties is interfacial reaction, solidification, and spangle formation. But the mechanism is not yet clear. The experimental determination of this project include component analysis on alloy system of hot-dip bath melt and surface properties. Interfacial reaction between melt and the steel substrate, solidification process, and solidification structure under different cooling conditions are studied. Hot-dip alloy melt surface tension are simulated by calculation model with CALPHAD technology. Melt structure is simulated by molecular dynamics. Crystal growth of zinc alloy coating is modeled by using thermodynamic phase diagram calculation model building phase field model.With the above experimental methods and simulation methods, the mechanism is completely studied, that relates to the content component distribution on alloy system of hot-dip bath melt, surface properties, interfacial reaction between melt and the steel substrate, solidification process, and solidification structure for different cooling conditions. The research provides important theoretical support for improving the quality of continuous galvanizing coating and developing new galvanized products, which has very important value and academic significance.

连续热浸镀锌熔池中合金元素影响熔体表面张力，而该熔体表面性能对热浸镀界面反应、镀层凝固组织和锌花形成均有重要的影响，但目前作用机理尚不清晰。本项目实验测定热浸镀熔体的熔池合金体系成分分布状态、分布规律和表面性能，分析熔体和钢基体之间的界面反应，以及镀层在不同冷却条件下凝固过程和凝固组织；用CALPHAD技术建立计算模型对热浸镀合金熔体表面张力进行模拟计算，对热浸镀锌熔体结构进行分子动力学模拟，采用相图计算热力学模型构造相场模型对锌合金镀层中晶体的生长进行模拟。结合上述实验方法和模拟计算方法系统研究连续热浸镀锌熔池合金元素的分布状态和分布规律，及其对熔体表面性能的影响，明确该熔体表面性能对热浸镀界面反应、镀层凝固过程和锌花形成的作用机理。研究工作可以为提高连续镀锌镀层质量和开发新型镀锌产品提供理论支持，具有十分重要的应用价值和学术意义。

通过在锌液中添加Sb、Bi、Ni、Mn和Al等合金元素，研究锌池中合金元素的分布状态和分布规律，以及锌合金熔体表面性能及其与钢基体之间的界面反应，来探究合金元素对镀层凝固组织和凝固过程的影响。通过在锌液中添加Sn元素，研究Sn对锌合金镀层凝固过程和锌花形成的影响。研究Al-Ni-Zn、Zn-Al-La、Al-Cu-Ti、Mn-Si-Sn，以及相关铝钛合金体系，为课题研究提供相关的热力学基础支撑。.采用改良座滴法，研究450℃下不同M含量的Zn-M合金熔体（M=Sb，Bi，Ni，Mn，Al）与X80钢基表面的润湿行为和界面反应。结果表明，当Sb含量从1.0wt.%增加到4.0wt.%时，Zn-Sb合金熔体与X80钢基表面的初始润湿接触角由58°减小到43°。这是因为随着Sb含量的增加，Zn-Sb合金熔体的表面张力不断下降。相较于Zn-Bi/X80钢体系，Zn-Ni/X80钢界面间的接触角普遍较大，润湿性较差，而Zn-Bi/X80钢体系随着Bi含量的增加，Zn-Bi合金熔体与X80钢基表面的接触角先减小后增大。随Mn含量的增加，Zn-Mn合金熔体的表面张力减小。Mn作为表面活性元素具有正吸附作用。随着Al含量的增加，熔融合金在基板上的初始接触角减小，润湿性增加。当熔体中同时存在Zn和Al时，Al会优先与Fe发生反应，生成相间化合物。这就导致在Zn-Al/Fe系统的界面间优先生成Fe-Al抑制层。抑制层的存在会促进反应性润湿的发生，从而改善锌合金熔体在基板上的润湿性。.研究Sn元素对镀层表面锌花的影响。在凝固过程中，Sn会在镀层表面偏析，这就导致富Sn相在锌花枝晶间析出。不同锌花中Sn的含量由低到高依次为：亮锌花＜羽毛状锌花＜羽毛-颗粒状分割锌花＜脊状锌花＜正交枝晶臂锌花。Sn的加入还会影响锌花的晶体取向，从而使镀层的表面形貌发生变化。羽毛状锌花具有优选的<0001>取向，正交枝晶臂锌花具有优选的<11-20>取向，其余锌花的取向则在它们之间变化。当锌花的<0001>取向与钢基表面的法线夹角为从0°变化至90°时，锌花形貌由羽毛状逐渐演变为正交枝晶臂状。盐雾腐蚀结果表明，镀层表面锌花的耐蚀性从小到大依次是：暗锌花＜羽毛状锌花＜亮锌花＜纯锌镀层。