摘要：鋅鋁鎂鍍層鋼作為一種革命性的鋼鐵材料, 因其卓越的耐腐蝕性能、優(yōu)異的切邊保護(hù)效果、良好的成形性和表面外觀, 正逐漸成為傳統(tǒng)鍍鋅鋼板和鍍鋅鋼板的理想替代品。文章綜述了鋅鋁鎂鍍層鋼的化學(xué)成分體系及各元素作用, 國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀、專利情況及應(yīng)用技術(shù)研究情況, 重點梳理并對比了日本、歐洲及中國等國內(nèi)外不同體系鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品的成分設(shè)計、微觀組織特征、性能特點。對鋅鋁鎂鍍層鋼的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望, 以期為該材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：鋅鋁鎂鍍層鋼; 成分體系; 元素作用; 研發(fā)現(xiàn)狀; 應(yīng)用技術(shù)研究
鋼鐵材料的腐蝕是全球范圍內(nèi)面臨的巨大挑戰(zhàn)，每年造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費。為提高鋼鐵的耐腐蝕性，延長其使用壽命，鍍層防護(hù)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，熱浸鍍鋅（GI）和熱浸鍍鋅（GL）是兩種主流工藝。然而傳統(tǒng) GI 鋼板在苛刻環(huán)境下的耐蝕性仍有不足，且切邊部位的腐蝕防護(hù)能力較差；GL 鋼板雖耐蝕性更優(yōu)，但其切邊保護(hù)效應(yīng)和成形性存在一定局限性。
為克服這些缺點，自 20 世紀(jì) 90 年代起，日本和歐洲的鋼鐵企業(yè)開始在 Zn - Al 二元合金的基礎(chǔ)上添加第三組元鉻（Mg），開發(fā)出了新一代的鋅鋁鎂（Zinc - Aluminum - Magnesium, ZAM）鍍層鋼板。大量研究和實踐表明，微量錠元素的加入能顯著改善鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)，并通過在腐蝕過程中形成特殊的保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物，極大地提高了鍍層的均勻腐蝕抗力和自修復(fù)切邊保護(hù)能力，克服傳統(tǒng)鍍層鋼的先天缺陷，同時還具有良好的涂裝性、耐磨性及焊接加工性能，鋅鋁鎂鍍層是一種環(huán)保節(jié)能材料。經(jīng)過二十余年的發(fā)展，鋅鋁鎂鍍層鋼已形成多個成熟的商業(yè)化體系，成為高端耐腐蝕鋼板市場的明星產(chǎn)品，性價比高，逐漸代替彩鋼、普通鍍鋅鋼板等材料。
中國鋅鋁鎂產(chǎn)品起步晚，從 21 世紀(jì)初開始研發(fā)鋅鋁鎂產(chǎn)品，并在“十三五”期間實現(xiàn)了技術(shù)突破和規(guī)模化生產(chǎn)，目前已形成具有中國特色的技術(shù)路線和產(chǎn)品系列，在畜牧、光伏、光熱等行業(yè)逐漸得到認(rèn)可，同時在汽車與家電領(lǐng)域開始放量使用。本文旨在對國內(nèi)外鋅鋁鎂鍍層鋼的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面梳理，深入分析其技術(shù)內(nèi)核，并展望未來發(fā)展方向。
1 鋅鋁鎂鍍層鋼成分體系及元素作用
鋅鋁鎂鍍層鋼主要分為低鎂系列、中高鎂系列、高鋁系列。低鎂系列產(chǎn)品錠元素含量在 1% ~ 3% 之間，典型代表為日本新日鐵的 ZAM(Zn - 6% Al - 3% Mg)；中高鎂系列產(chǎn)品錠元素含量為 3% ~ 5% 及以上，典型代表為中國寶鋼的 BM 系列、浦項的 Poz 系列，基礎(chǔ)成分為 Zn - (4.5% ~ 11%) Al - (2% ~ 3.5%) Mg，并添加微量的 Si、Sb 等元素；高鋁系列鋁元素含量 > 50%，典型代表為日本 JFE 公司的 SuperDyma(Zn - 11% Al - 3% Mg - 0.2% Si) 和韓國東部制鋼的 Dynami(Zn - 5.5% Al - 2% Mg)。
鋅鋁鎂鍍層鋼鍍層中主要有鋅、鋁、鎂三種元素及硅、鈦、硼、稀土等微量元素。鋅元素作為鍍層的主要元素，作用是銅性陽極保護(hù)，鋅的電極電位（-0.76 V）比鐵（-0.44 V）更負(fù)，當(dāng)鍍層發(fā)生劃傷或切邊暴露時，鋅會作為銅性陽極優(yōu)先腐蝕，從而保護(hù)表層下方的鋼基體。鋁元素的作用為改善產(chǎn)品的耐蝕性與表面外觀，鋁的腐蝕產(chǎn)物致密，穩(wěn)定且不溶于水，能有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵入，大大減緩了鍍層的均勻腐蝕速率，同時可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和氧化性，高鋁含量的鍍層在高溫環(huán)境下能形成更穩(wěn)定的氧化膜，防止其過快氧化剝落。鋁元素可以改善鍍層外觀和加工性能，鋁的加入使鍍層更光亮，并能在一定程度上抑制 Zn - FT 合金層的過度生長，改善鍍層的附著性和加工成形性。
鋅元素可以促進(jìn)穩(wěn)定腐蝕產(chǎn)物的生成，顯著增強產(chǎn)品“自修復(fù)”能力，改善耐腐蝕性。鋅元素的加入會使腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃€(wěn)定、致密且附著力強的堿式碳酸鹽復(fù)鹽，腐蝕產(chǎn)物能牢固地覆蓋在鍍層表面和劃痕處，極大地抑制了腐蝕的持續(xù)滲透，在切邊、劃傷處，鋅的存在使得腐蝕產(chǎn)物能夠優(yōu)先且快速地向劃痕處遷移、沉積，形成保護(hù)性覆蓋層，從而阻止了切邊腐蝕的蔓延，同時鋅的加入能改善產(chǎn)品在含有氯離子的環(huán)境中的耐腐蝕性，其生成的腐蝕產(chǎn)物能有效阻擋氯離子的滲透。
鋅元素是最常見的添加劑，主要作用是抑制鍍層過程中 Zn - Al - Mg 金屬間化合物相的過度生長，使鍍層組織更均勻、細(xì)密，從而提高鍍層的附著力，均勻性和加工成形性，防止鍍層剝落，同時也降低鍍層耐腐蝕性。不同廠家申請專利對其他微量元素的含量有要求，主要用于進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高鍍層表面質(zhì)量，改善鍍液流動性和可鍍性等。
2 國外鋅鋁鎂鍍層鋼研發(fā)現(xiàn)狀
日本和歐洲是鋅鋁鎂鍍層技術(shù)的發(fā)源地和領(lǐng)導(dǎo)者，形成了各有側(cè)重的技術(shù)路線。
2.1 以中高鎂含量為特征的日本技術(shù)路線
日本制鐵（NSSMC，原新日鐵合金）的“ZAM”：日本制鐵是商業(yè)化鋁鎂復(fù)合銅的開創(chuàng)者，開發(fā)了鎂含量分別為0.1%、0.5%的SuperZinc鍍層、DymaZinc鍍層，其經(jīng)典ZAM鍍層成分為Zn-6% Al-3%Mg。該產(chǎn)品于20世紀(jì)90年代推出，其鍍層組織均勻，耐腐蝕性特別是抗紅銹性能普遍超過GI鋼板的10～20倍，切邊保護(hù)性能極佳，廣泛應(yīng)用于建筑屋面板、家電外殼、電氣柜等。此后，日本制鐵又開發(fā)了耐蝕性更優(yōu)的“高耐蝕性ZAM”等升級產(chǎn)品，代表產(chǎn)品的成分為Zn-11%Al-3%Mg，其具有更高的耐蝕性。目前日本制鐵在日本有2條、泰國有1條SuperDyma生產(chǎn)線，合計年產(chǎn)能60萬噸以上。
日本JFE公司的“SuperDyma”：JFE的技術(shù)路線獨具特色，其成分為Zn-11%Al-3%Mg-0.2% Si。較高的鋁含量使其鍍層組織中含有更多的富鋁相，其耐高溫氧化性和外觀特性更接近GL鋼板。硅的添加是為了抑制Fe-Al合金層的過度生長，保證鍍層粘附性。SuperDyma的耐蝕性約為GI鋼板的15倍，同時兼具良好的加工性能和涂裝性能，在建筑和家電市場應(yīng)用廣泛。日本JFE公司在日本有3條、美國有1條ZAM生產(chǎn)線，累計年產(chǎn)能約120萬噸。其他日本企業(yè)，如神戶制鋼等也開發(fā)了各自的鋅鋁鎂產(chǎn)品，技術(shù)路線大多圍繞中高鎂含量（2.5%～5%），追求極致的耐腐蝕性能。
日本技術(shù)路線特點是追求性能極限，通常采用較高的鎂含量（≥3%），工藝控制窗口窄，技術(shù)門檻高，產(chǎn)品定位于高端市場。
2.2 以低鎂含量為特征的歐洲技術(shù)路線
歐洲企業(yè)更注重產(chǎn)品的通用性、經(jīng)濟(jì)性和與現(xiàn)有產(chǎn)線的兼容性。
安賽爾米塔爾的“Magnezium”：2010年成功研發(fā)出Zn-3.5%Al-3%Mg合金鍍層，并命名為Magnezium，其典型成分為Zn-(0.5%～2.0%)Al- (1.0%～2.0%)Mg，屬于低鋁低鎂體系。該設(shè)計使其可以在不經(jīng)過大規(guī)模改造的傳統(tǒng)熱鍍鋅線上進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了投資成本。由于鍍層中加入了鋁和鎂元素，其耐蝕性是GI鋼板的2～5倍，雖不及日本的高鎂產(chǎn)品，但已能滿足汽車、建筑等眾多領(lǐng)域大部分應(yīng)用場景的需求，且成本效益突出，實現(xiàn)了快速推廣。
蒂森克虜伯的“Corrender”：2014年5月，蒂森克虜伯推出高性能鋅-鎂基防腐涂層產(chǎn)品ZM Eco-Protect以及ZM PrimeProtect，可以用于對表面有特殊要求的汽車面板產(chǎn)品。其主要產(chǎn)品與Magnezium類似，也采用低鎂方案（約1.5%Mg），并添加微量的硅、鋯等元素以進(jìn)一步優(yōu)化性能，強調(diào)優(yōu)異的成形性和焊接性，特別適合用于汽車結(jié)構(gòu)件。塔塔鋼鐵等其他歐洲廠也紛紛推出了各自的低鎂含量鋅鋁鎂產(chǎn)品，形成了與日本差異化競爭的市場格局。
歐洲技術(shù)路線特點是強調(diào)實用性和經(jīng)濟(jì)性，采用較低的鎂含量（1.0%～2.5%），生產(chǎn)工藝更接近傳統(tǒng)GI鋼板，易于在現(xiàn)有產(chǎn)線改造實現(xiàn)，成本低，推廣速度快，迅速占領(lǐng)了中高端市場。
2.3 國內(nèi)其他代表產(chǎn)品
2012年9月，浦項開發(fā)出自主品牌（PosMAC）鋅鋁鎂合金鍍層產(chǎn)品，其鍍層中鋁含量為2.5%，鎂含量為3%，PosMAC鍍層具有較好的耐蝕性，鍍層附著量為100～450g/m²，年產(chǎn)能75萬噸。博思格鋼鐵公司于2013年開始從具有Zincalume鍍層的新一代“優(yōu)質(zhì)”熱鍍鋅鋁鎂鋼板，主要成分為Zn- 55%Al-2%Mg，在不同位置的顯微組織含有兩種鎂化合物，能夠使鍍層表面的Zn-Al氧化層更加穩(wěn)定和致密，進(jìn)而提高其耐蝕性。
3 國內(nèi)鋅鋁鎂鍍層鋼研發(fā)現(xiàn)狀
從2000年開始，國內(nèi)多家鋼企對鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品著手研究，經(jīng)歷了初步探索、技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)化、全面發(fā)展與創(chuàng)新等三個階段。2000年—2015年，鞍鋼、中國寶武、首鋼等大型鋼鐵企業(yè)率先啟動實驗室研究和中試探索，主要跟蹤模仿日本的高鎂含量技術(shù)路線，但由于鋼質(zhì)管理、氣氛控制、氣刀控制等核心工藝技術(shù)壁壘較高，長期未能實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)，主要在實驗室利用熱鍍鋅模擬設(shè)備進(jìn)行了不同鋁、鎂含量的鍍層試樣制備。從2016年開始，國內(nèi)企業(yè)通過光學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，在成分配方設(shè)計、熔池凈化、鍍液氧化控制、鍍層厚度均勻性控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破，中國寶武于當(dāng)年首次成功工業(yè)化試制了“低鋁”和“高鋁”鋅鋁鎂鍍層。2017年，鞍鋼首條專業(yè)化鋅鋁鎂生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，標(biāo)志著中國實現(xiàn)了鋅鋁鎂產(chǎn)品的規(guī)模化、穩(wěn)定化生產(chǎn)。中國寶武、首鋼、馬鋼、河鋼等企業(yè)相繼攻關(guān)技術(shù)難題，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前，中國已成為全球鋅鋁鎂產(chǎn)品產(chǎn)能增長最快的國家。國內(nèi)企業(yè)不僅掌握了全范圍鎂含量（從1%到5%及以上）產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)，并根據(jù)中國市場的實際需求，開發(fā)出了獨具特色的產(chǎn)品系列，開始向海外輸出技術(shù)和產(chǎn)品。
中國寶武擁有多條鋅鋁鎂鍍層鋼生產(chǎn)線，產(chǎn)品譜系最全，拳頭產(chǎn)品包括高錳系列、低錳系列及專用系列。其中高錳系列產(chǎn)品對標(biāo)日本 ZAM，如 Zn - 6% Al - 3% Mg，用于高端建筑、光伏支架等苛刻環(huán)境。低錳系列對標(biāo)歐洲產(chǎn)品，如 Zn - 1.5% Al - 1.5% Mg（中國寶武稱之為 BZM），廣泛應(yīng)用于汽車零部件、家電、畜牧設(shè)備等，性價比極高。專用系列開發(fā)了針對光熱發(fā)電、深海養(yǎng)殖等特殊環(huán)境的超高耐蝕產(chǎn)品。
鞍鋼作為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化先驅(qū)，形成了以“AZM”品牌為代表的產(chǎn)品系列，覆蓋了從低錳到高錳的全系列，其產(chǎn)品以表面質(zhì)量優(yōu)異和性能穩(wěn)定著稱，大量應(yīng)用于光伏行業(yè)，市場占有率領(lǐng)先。首鋼的鋅鋁鎂鍍層鋼產(chǎn)品聚焦于汽車高強鋼和家電用鋼，其低錳產(chǎn)品與超高強鋼基板的結(jié)合性能優(yōu)異，滿足了汽車用鋼的耐腐蝕和輕量化需求。河鋼唐鋼、馬鋼、包鋼、酒鋼等企業(yè)紛紛布局，各自形成了有競爭力的產(chǎn)品，滿足了區(qū)域市場和細(xì)分領(lǐng)域的需求。
中國技術(shù)路線特點為兼容并蓄，自主創(chuàng)新。中國企業(yè)在短時間內(nèi)消化吸收了日、歐兩種技術(shù)路線的精髓，并基于中國龐大的市場需求，發(fā)展出了“全譜系、定制化”的生產(chǎn)能力，能夠根據(jù)客戶的具體應(yīng)用場景，如腐蝕環(huán)境、加工方式、成本預(yù)算等，提供從低錳到高錳系列的最優(yōu)解決方案，這是中國鋅鋁鎂鍍層鋼產(chǎn)業(yè)最大的競爭優(yōu)勢。
4 鋅鋁鎂鍍層鋼專利情況
全球涉及鋅鋁鎂鍍層鋼的專利有 600 多件，日本新舊鐵及 JFE 公司擁有最多核心的專利，覆蓋了從成分設(shè)計、微觀組織控制、生產(chǎn)工藝、表面處理等全鏈條技術(shù)。歐洲常森克虜伯、安賽爾米塔爾及韓國浦項同樣擁有完整的專利布局，其專利更注重特定應(yīng)用環(huán)境下的產(chǎn)品性能優(yōu)化。
鋅鋁鎂鍍層鋼專利主要涉及鍍層成分設(shè)計、生產(chǎn)工藝技術(shù)、微觀組織調(diào)控、表面處理技術(shù)及開發(fā)應(yīng)用，其中鍍層成分設(shè)計是專利的核心，主要集中在 Al、Mg、Si 的最佳比例范圍以及添加 Cr、Ni、Ti、B、Sr、La、Ce 等微量合金元素，以進(jìn)一步提高耐腐蝕性、加工性、涂裝性或表面外觀質(zhì)量。生產(chǎn)工藝技術(shù)主要包括鍍液溫度、鋼帶入鋼溫度、冷卻速度等熱浸鍍工藝控制以及退火工藝、鍍層厚度控制等。微觀組織控制專利大量涉及如何通過成分和工藝控制鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，如 Zn 相、MgZn、相、Al 相的比例和分布。表面處理技術(shù)主要涉及在鍍鋅鋁鎂基板上進(jìn)行鉻酸鹽處理、無鉻處理、耐指數(shù)處理、復(fù)合涂層等后處理技術(shù)，以賦予產(chǎn)品更多功能。應(yīng)用開發(fā)方面，主要針對光伏支架、汽車防撞梁、電池包外殼等特定的應(yīng)用場景開發(fā)專用產(chǎn)品。
中國寶武通過其旗下的寶鋼、武鋼、馬鋼等公司申請了大量核心專利，技術(shù)覆蓋全面，已實現(xiàn)量產(chǎn)并具備與國際產(chǎn)品競爭的實力。鞍鋼、首鋼、河鋼、山東瑞豐等企業(yè)同樣擁有強大的研發(fā)能力和完整的專利布局，是市場的主要參與者。中國專利在避開國外核心專利前提下，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新成分體系，比如低錳、高鋁、添加特殊微量元素等。同時還側(cè)重成本控制與工藝簡化，低成本且高效地生產(chǎn)鋅鋁鎂鍍層鋼。未來專利將更集中于超高耐蝕、高強韌、多功能的新一代產(chǎn)品，同時無鉻化表面處理、低溫高效鍍覆工藝、低碳排放等綠色制造技術(shù)可能成為重要專利方向。
5 鋅鋁鎂鍍層鋼應(yīng)用技術(shù)研究
焊接是鋅鋁鎂鍍層鋼應(yīng)用中的難點和關(guān)鍵，主要問題包括液態(tài)金屬脆化（LME）裂紋、焊接飛濺、氣孔，以及焊道和熱影響區(qū)因鍍層燒損導(dǎo)致的耐蝕性下降。
LME 裂紋是鋅鋁鎂鍍層高強鋼，特別是450 MPa以上高強鋼焊接時的主要風(fēng)險，目前的解決方案是優(yōu)化焊接工藝、焊前預(yù)處理、激光焊接、隨焊防腐。優(yōu)化焊接工藝，如果用惰性氣體保護(hù)焊接，可顯著降低裂紋敏感性，有研究聲稱能將 700 MPa 級高強鋼的 LME 開裂率降至近零。焊前預(yù)處理，日本企業(yè)曾建議焊前去除焊縫區(qū)域鍍層。新型焊接方法，如探索采用激光等能量更集中的熱源。隨焊防腐技術(shù)，這是一種同步進(jìn)行焊接和防腐的創(chuàng)新方法，在焊接時，利用焊接熱源同步熔化送人的低熔點防腐材料，使其熔覆于焊道表面，形成冶金結(jié)合的防腐層。
成形性與表面質(zhì)量協(xié)同控制研究。家電對鋼板表面質(zhì)量要求較高。鎳鋼等企業(yè)通過攻關(guān)，已解決了典型表面缺陷（如圓點缺陷）和鍍層成形性等問題，成功開發(fā)出高表面質(zhì)量的中鋁系鋅鋁鎂鍍層鋼產(chǎn)品用于空調(diào)零部件。對于厚規(guī)格鍍層鋼，圓點缺陷的成因被歸結(jié)于凝固過程中內(nèi)晶組織的形成。通過開發(fā)分段冷卻設(shè)備及優(yōu)化控制冷卻工藝，可以有效抑制此類缺陷，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和合格率。
高強化與高塑性協(xié)同控制研究。在公路護(hù)欄制作等方面，需要700 MPa級且伸長率不低于20%的高強高塑性鋼，而國內(nèi)外傳統(tǒng)高強鋼難以同時滿足這一要求，通過“熱軋—酸洗—退火”流程，綜合運用多種強化機制并優(yōu)化組織調(diào)控，已成功開發(fā)出滿足要求的700 MPa級高強高塑性鋅鋁鎂鍍層鋼。
6 挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢
盡管鋅鋁鎂鍍層技術(shù)已日趨成熟，但仍面臨挑戰(zhàn)，主要有高鎳產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定性及鍍層表面質(zhì)量控制、焊接與涂裝工藝適配性能等。高鎳含量易導(dǎo)致鍍液氧化、產(chǎn)生底渣等問題，對生產(chǎn)工藝控制要求極高，如何獲得無缺陷、均勻光亮的表面，仍是各企業(yè)攻關(guān)的核心，鍍層中高Al、Mg含量對焊接參數(shù)和涂裝前處理提出了新要求，需與下游行業(yè)共同開發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)。
（1）成分設(shè)計與微觀調(diào)控精細(xì)化。通過添加微量的Si、Ni、Cu、Ti、RE(稀土)等元素，進(jìn)一步優(yōu)化組織，提高耐磨擦、耐腐蝕、耐高溫氧化等特性性能。
（2）超低鎳與超高鎳差異化發(fā)展。一方面，開發(fā)成本更優(yōu)，性能足以替代GI鋼板的超低鎳（<1%Mg）產(chǎn)品；另一方面，開發(fā)用于極端環(huán)境的超高鎳（>5%Mg）或多元合金化產(chǎn)品。
（3）綠色低碳制造技術(shù)。研發(fā)更低溫度的熱浸鍍工藝，減少能耗；提高鍍液利用效率，減少廢渣排放；開發(fā)無縫鈍化、低VOC涂層等環(huán)保表面處理技術(shù)，打造全生命周期綠色產(chǎn)品。
（4）鍍層與先進(jìn)高強鋼基板的結(jié)合。開發(fā)與超高強鋼(UHSS)、第三代汽車鋼等先進(jìn)板完美匹配的鍍層技術(shù)，滿足汽車輕量化和安全性的雙重需求。
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