[發明專利]一種用于熱浸鍍鋼管的鋅-鋁-硅-稀土合金及其制備方法

無效

• 申請號: 201210563047.X
• 申請日: 2012-12-21
• 公開（公告）號: CN102994929A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 涂浩;趙群;蘇旭平;王建華;劉亞;吳長軍;彭浩平
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C23C2/06
• 分類號: C23C2/06;C23C2/38;C22C18/04;C22C1/03
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明涉及一種鋼材熱浸鍍鋅基合金，其合金可廣泛應用于腐蝕環境中的鋼材防護。

背景技術

油田油水井中普遍存在管材腐蝕問題，通常10年壽命的管材，在腐蝕嚴重的油氣田中半年就腐蝕穿孔，特別是已進入高含水開發后期的油井。目前普遍采用的油管防腐方法主要有鎳磷鍍、有機涂料和環氧類粉末熱固化涂層及三層復合涂鍍等方法。比較而言，鎳磷鍍鍍層很薄，耐蝕性差；有機涂料和環氧類粉末熱固化涂層耐蝕性較好，但鍍層較厚，與油管結合強度較差，且長時間使用會出現老化問題；三層復合涂鍍主要用于防垢處理，不但成本高，且機械性能及耐蝕性能較差。因此，油水井油管及地面管道腐蝕與結垢逐年加重，導致油水井不能正常生產，造成很大經濟損失，同時嚴重污染環境。近年來，熱浸鍍純鋅鍍層在油管防腐中得到了應用，有效地改善了油管的耐蝕性能和機械性能。但是，高硅鋼浸鍍過程中“圣德林效應”的有效控制，鍍層耐用期短以及面對惡劣工作環境鍍層耐蝕性、耐磨性等問題尚需進一步解決和提高。

熱浸鍍鋅是一種較為有效而方便的鋼鐵防腐方法，鋁是已知的提高鍍鋅層耐蝕性最有效的合金元素，根據鋁在鋅中的添加量可把鋅鋁合金分為低鋁（Al<5%）和高鋁（Al>5%）兩大系列。專利“一種油管的鋅鋁稀土合金化防腐工藝”（200410030698.8）所使用鍍液的鋁含量為0.06-0.08%，由于鋁含量太低，其作用主要是提高鍍層的光亮性，減少鋅池表面氧化，但自由鋅層的組織和耐蝕性并無明顯變化，因此其鍍層雖然具有優良的犧牲防護作用，但鍍層耐用期較短。高鋁鋅鋁合金鍍層兼顧了鋁的耐久保護性和鋅的陽極保護性，其鍍層的性能較單一元素鍍層的性能優越，防腐性能更是比純鋅鍍層高出數倍。

熱浸鍍熔池中的鋁含量較高時，熔池中的鋁會與鐵發生劇烈反應，使得浸鍍工藝和鍍層質量難以控制，但如果加入適量的硅，鋁鐵之間的放熱反應則能得到有效抑制。我們的前期實驗表明，在30%Al-Zn中加入1.5%Si，鋼基體進入熔體后，在固液界面經過幾毫秒的孕育期后首先在基體形成α-Al-FeSi相，隨后在基體/α-Al-FeSi界面形成Fe2Al5。α-AlFeSi是bcc晶體結構，具有優良的粘附性，溶解擴散速度很低，對鍍層的厚度控制及成型性具有重要影響。此外，適量硅加入對Galvalume外部鍍層的結構也有重要的影響。高鋁鍍層的外層主要由樹枝狀富鋁相骨架及富鋅相組成，在兩相界面處分布著針狀共晶硅組織（如圖1所示），并隨著硅含量的增加，共晶硅的數量越來越多，這些粒子的形成或抑制富鋁相枝晶的生長，或作為富鋁相形核核心，從而細化鍍層外層組織。此時的共晶硅粒子被α枝晶包圍而得到的支撐強度也顯著增加，其作為硬質相的抗磨作用得到充分發揮，耐磨性大幅度提高。稀土的加入不僅可有效地降低鍍液的表面張力，提高鍍液與鋼基體的浸潤性，還可以凈化雜質、細化晶粒，并可富集于鍍層表面形成致密而均勻的氧化膜，在一定程度上可阻止外界雜質原子向合金內部擴散，從而延緩氧化和腐蝕過程。

因此，本發明所述合金具有如下特點：1、合金流動性好，形成鍍層后表面均勻、光滑、無漏鍍、粘附性好，節約原材料消耗，降低了生產成本。2、合金鍍層耐蝕性、耐磨性得到大幅提高，耐蝕性通常可達到普通純鋅鍍層10倍。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有高硅鋼浸鍍過程中的“圣德林效應”，旨在提供一種能進一步提高惡劣工作環境下鍍層耐蝕性及耐磨性的新型油管熱浸鍍鋅基合金，提高油管的耐用周期。本發明同時還提供該新型鋼材熱浸鍍鋅基合金的制備方法。

本發明鋼材熱浸鍍鋅基合金采用的技術方案是：由Zn、Al、Si、La組成，按重量比計，含有的Al占20-30.%、Si占0.5-1.5%、La占0.05-0.6%，余量是Zn。

上述鋼材熱浸鍍鋅基合金的制備方法采用的技術方案是按如下步驟：（1）制備Zn-Al中間合金、Al-Si中間合金、及Al-La中間合金，均按重量比計，Zn-Al中間合金中的Zn占70%，Al占30%；Al-Si中間合金中的Al占88%，Si占12%；Al-La中間合金中的Al占90%，La占10%；（2）先將鋅錠和Zn-Al中間合金置于中頻感應爐中，升溫至720℃生成合金液，在合金液表面加鹽類覆蓋劑，再將Al-Si中間合金壓入合金液，熔煉，攪拌使其混合均勻，降溫至650℃生成熔融合金液，然后將Al-La中間合金分別壓入到熔融合金液中，連續攪拌直至均勻，保溫30分鐘，最后撈渣，澆注到金屬模中即可；