一、研究的背景与问题
建筑围护用钢是航空枢纽、会展中心、体育场馆、工业建筑、物流仓储等大中型建筑工程的重要材料，高耐蚀产品的应用是实现高端建筑长寿、环保、低碳的重要发展方向之一。过去20年，虽然我国的涂镀行业实现了高速发展，和国外的差距逐渐缩小，但长期以来镀层以纯锌为主，缺少锌铝镁系高耐蚀镀层；在彩涂方面，虽然实现了家电彩涂无铬，但是建筑无铬一直处于空白。为了应对建筑行业的上述发展需求，钢铁行业需要提供高耐蚀镀层、全无铬彩涂的升级产品，因此开发高耐蚀高铝锌铝镁镀层钢板及其彩涂产品对实现钢铁产品高端化，引领建筑围护用钢升级具有非常重要的意义。
高铝锌铝镁涂镀钢板开发在镀层开发、热镀技术、涂覆技术方面存在以下难点：
1、镀液多元成分复杂，镀液冶金机理、镀层组织控制认识不全面；
2、Mg元素化学稳定性差，镀液易氧化，镀层易黑变，表面质量控制难度大；
3、常规无铬处理彩涂板耐蚀性及涂层附着性差，制约了全无铬彩涂钢板建筑行业应用。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目由宝钢股份牵头，联合湛江钢铁、武钢有限、宝钢国际、宝钢工程、北京科技大学、梅山钢铁，通过产-学-研-用联合攻关，聚焦镀层、热镀、涂覆三方面的难点，开展了高耐蚀镀层设计与开发、热镀工艺与装备开发、无铬涂层与装备开发三大任务攻关，开发具有自主知识产权的高耐蚀高铝锌铝镁镀层及其热浸镀和无铬涂层成套技术，满足了低碳绿色建筑要求，广泛应用于机场等重点工程。
图1 项目总体思路
三、主要创新性成果
1，开发了具有自主知识产权的高耐蚀高铝锌铝镁镀层，引领了我国建筑围护用钢升级。
（1）多元合金镀层设计
研究了Mg对镀层耐蚀性、镀液氧化、镀液Fe含量、锌锅沉没件的影响，确定了镀层主成分，完成了多种条件下的耐蚀性评估，与铝锌镀层相比，实现了平面耐蚀性提升50%，切口耐蚀性提升100%，C3环境失效寿命承诺由20年提升至30年。
图2 高铝锌铝镁镀层（AM）与铝锌镀层（AZ）耐蚀性对比 a）循环腐蚀（封边，680C）；b）循环腐蚀（不封边，430C）；c）大气腐蚀切口（江津、4年）；d）AM和AZ平面耐蚀性对比（中性盐雾，封边）
（2）Zr微合金化
首次发现了添加微量Zr元素提高镀层极表层Al/Zn比及延缓扩蚀的作用，中性盐雾条件下的，幅度可以达到38%-60%。基于上述发现，确定了镀层Zr微合金化设计方案，进一步降低了处理膜源自切口的失效蔓延。
图3 Zr对高铝锌铝镁镀层的影响 a）Zr对镀层表面Al/Zn的影响）；b）不含Zr镀层表面Zn元素面分布；c）含Zr镀层表面Zn元素面分布
（3）Cr微合金化
首次揭示了镀液中Cr和Fe的溶度积关系，确定了Cr在镀液中的饱和溶解度，当镀液中Fe、Cr同时存在时会形成Al-Fe-Cr-Si金属间化合物。发现了Cr会在镀层表面和镀层/基板界面合金层中富集，具有进一步延缓白锈和红锈的作用。确定了Cr的添加范围，实现了Cr微合金化。
图4 Cr对高铝锌铝镁镀液的影响 a）镀液中Cr、Fe饱和溶解度相互影响；b）AM-Cr相图计算结果；c）底渣析出物元素面分布
2，开发了高铝锌铝镁镀层钢板热浸镀成套技术，研制了锌灰抑制与镀后冷却系列装备，率先实现了百万吨级稳定制造。
（1）镀层表面质量控制技术
针对镀层表面质量控制的难题，研制了锌灰抑制系列装备，开发了锌灰灰控制技术；开发了基于微量Ca添加和N2气刀的面渣控制技术，面渣发生率降低了70%以上；开发了基于板温和感应加热器功率的底渣控制技术，操调底渣捞渣量下降了75%，实现了百万吨级高铝锌铝镁镀层钢板稳定制造。
图5 高铝锌铝镁表面质量控制 a）锌灰抑制系列装备及炉鼻子锌灰抑制效果；b）面渣控制效果；c）底渣控制效果
（2）镀层表界面组织控制技术
针对镀后冷却要求高的难题，研制了自稳定大气量可调节移动冷却、自稳定固定冷却、受限空间多行程喷气冷却等镀后冷却系列装备；确定了最佳合金层厚度及相应的带钢入锌锅温度、带速、镀后冷却等参数，建立了表面和界面组织控制技术，实现了镀层表面Mg水解和界面合金层稳定控制。
图6 高铝锌铝镁镀后冷却系列装备
3，开发了高铝锌铝镁镀层钢板无铬(Cr6+)涂层技术，攻克了黑变、无铬预处理、无铬初涂、高耐蚀涂层等难题，率先实现了建筑围护用钢全无铬。
（1）无铬耐指纹黑变控制技术
针对无铬耐指纹镀层钢板的黑变难题，揭示了合金相电位差驱动下的高铝锌铝镁镀层无铬耐指纹膜下黑变机制，发现了黑变诱发的热力学因素是MgZn2相膜下优先腐蚀，黑变快速扩展的动力学因素是膜下碱化导致腐蚀产物保护性转变。建立了以镀后冷却、耐指纹膜膜厚控制、涂后烘烤为核心的黑变控制技术。
图7 高铝锌铝镁无铬耐指纹膜下黑变机制
（2）彩涂全面无铬化技术
针对彩涂无铬预处理和无铬初涂的难题，集成了多台套无铬涂层装备；确定了无铬预处理钝化液配方、涂覆及检测工艺，实现了膜重小范围精确控制；优化了初涂配方及工艺，解决了不同耐蚀性指标之间的平衡问题，实现低温高精度板温连续检测与闭环控制，率先实现了宝钢彩涂板全面无铬化。
图8 高铝锌铝镁无铬初涂原理示意图
（3）高耐蚀涂层技术
针对折弯时涂层裂纹明显、超厚涂层易起泡、变形部位与化学品接触易发黑等难题，本项目开发了高韧性高耐候聚酯、超厚氟碳、畜牧专用系列彩涂产品，实现了100 μm厚超厚氟碳彩涂板稳定制造和应用，畜牧用彩涂板满足了畜牧业25年漆膜完整性要求。
图9 涂层改善前后对比 a）高韧性高耐候聚酯彩涂板；b）超厚氟碳彩涂板；c）畜牧用彩涂板
图10 高铝锌铝镁镀层（AM）和铝锌镀层（AZ）普通聚酯彩涂板耐蚀性对比 a）中性盐雾试验（图中h为小时），b）循环腐蚀试验（图中c为循环次数，1c=8h）
四、应用情况与效果
本项目开发的高铝锌铝镁涂镀钢板系列产品，已在宝钢股份宝山、东山、青山三大制造基地实现了大规模稳定制造，产品广泛应用于航空枢纽、航空枢纽、会展中心、体育场馆、工业建筑、物流仓储、光伏、畜牧、钢铁、石化等建筑工程，并实现了向欧美等国出口，2021-2023年累计完成销量近200万吨，创造了较好的经济价值。
本项目研究成果及相关技术有效提升了建筑围护用钢的耐蚀性，引领了高铝锌铝镁涂镀钢板技术的发展。经成果评价，该项目达到“国际领先水平”，具有广阔的推广应用前景，有着巨大的社会效益。建筑围护使用高耐蚀高铝锌铝镁涂镀钢板替代原有的铝锌或镀锌涂镀钢板，全生命周期材料更换更少、用钢量更少，具有更低的全生命周期成本和碳排放，可为生态环境做出积极贡献。
图11宝钢高铝锌铝镁涂镀钢板“第一卷”
