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一、钢材热镀锌的不同工艺及方法
钢材热镀锌工艺依据预处理方法的不同，可以分为熔剂法和氢气还原法两种；熔剂法热镀锌主要用于钢构件、钢管、钢型材等材料的表面热浸镀锌处理；而氢气还原法热镀锌则主要针对带钢、钢丝等连续热镀锌产品；这些镀锌产品在完成镀锌后，通常还需进行弯曲成型等深加工；其应用范围广泛，既适用于室内，也适用于户外环境。
溶剂法热镀锌
氢气还原法热镀锌
热镀锌技术依据熔池中锌液的成分差异，可划分为纯锌法、锌铝法、铝锌硅法以及锌铝镁法等多种类型。在实际的生产环节，众多企业会依据自身的特定需求，挑选各式各样的合金元素进行添加，情况各异。尤其在溶剂法热镀锌的过程中，更是不乏镍、稀土以及铋等锌合金的加入。一些是为了提升材料的流动性，降低锌的消耗；另一些则是为了优化外观，使镀锌部件的色泽更为均匀和光亮；还有一些声称增强了热镀锌的防腐蚀性能。
热镀锌钢构件
在采用氢气还原法进行带钢连续热镀锌的过程中，通常选用的是纯锌、含有5%铝的锌合金以及含有55%铝和硅的锌合金等不同产品工艺。在实际操作中，一些企业会在锌锅中将铝含量维持于15至25%的范围内，并且将镀层的厚度设定在每平方米15至20克，这样的做法显著减少了生产成本，同时也实现了企业效益的最大化。该产品虽有助于本企业降低生产成本，且在外观上略带铝锌硅镀层产品的特征，然而由于耐腐蚀性能不佳、品质不高，最终还是会被市场淘汰。
铝锌硅涂层在抗腐蚀性能方面表现出色，其效果是热镀锌板的六倍之多，换句话说，仅需铝锌硅涂层20克每平方米，即可达到热镀锌涂层120克每平方米的抗腐蚀效果。鋅-5%铝产品在耐腐蚀性方面更是热镀锌板的3倍，目前市场上大部分钢丝热镀锌产品均采用了这种工艺。近期，越来越多的生产线倾向于采用板材热镀锌工艺，特别是铝锌硅镀层工艺。在这种镀层中，铝的比例高达55%，而锌的比例则降至43.5%，同时，工艺中铝的含量也有5%。这一变化无疑为带钢连续热镀锌过程中节约锌资源提供了新的解决方案。
锌铝镁法（ZAM）技术自近十几年间兴起，众多不同配方的锌铝镁合金产品已相继进入市场，目前这一技术已广泛应用于建材、家电、汽车等三大领域。总体而言，该配方的铝含量在6%至11%之间，镁含量为3.0%，其余为锌，要调节镀层厚度，必须使用喷吹氮气的气刀。然而，由于民营企业难以获取充足的氮气资源，这种生产方式仅限于那些拥有充足廉价氮气供应的大型国有企业。相反，若采用含铝1%至3%、镁含量低于1.5%，其余为锌的配方，并使用喷吹常规空气的气刀来控制镀层厚度，则能够保证生产的正常进行。因此，此类锌铝镁镀层产品适合民营企业使用，但其耐腐蚀性能相较于前者略逊一筹。前者产品的抗腐蚀能力是常规热镀锌板的六至十倍，而后者产品的抗腐蚀能力仅相当于常规热镀锌板的3至5倍。尤其是在铝含量为1.0%至3.0%，镁含量为1.0%至1.5%，其余为锌的合金构成下，其熔点大约在380℃左右，基本可以采用热镀锌工艺进行生产，而且其锌液的工作温度甚至比热镀锌工艺时的温度低30℃，三辊六臂的工作温度较低，这也使得其使用寿命得到显著延长。观察当前形势，锌铝镁合金产品的市场前景极为广阔，未来或许能与热镀锌产品各占一半市场份额，更有可能完全替代传统的热镀锌板材。
二、锌铝镁法（ZAM）中各元素作用
高强钢与锌铝镁材料均具备出色的耐腐蚀特性，这一特性主要源于其微观结构。该结构则受化学成分和冷却速率的双重影响。接下来，我们将详细讨论锌铝镁镀层中化学成分的挑选，以及不同元素所发挥的具体作用。
1、镁的作用和影响
镁的效用首先体现在增强耐腐蚀性，这一点在前文已有详尽阐述；再者，在镀浴中添加微量的0.1%镁，能够增强带钢在镀液中的渗透能力，减轻镀浴表面的张力，从而减少漏镀瑕疵的出现，其原因是镁的氧化物结构较为松散，主要以疏松形态存在。这一特性似乎与铝的性质形成了一种相互补充的关系，对于生产含有较高铝的镀层以制造高合金含量的高强度钢来说，具有极其重要的价值。然而，在锌铝镁镀液中，镁的成分相对较高，而镁的氧化物又不够致密，这会导致一系列不良影响，成为热镀锌铝镁产品制造过程中的一大挑战。
2、铝的作用和影响
首先，在镀锌层上附加铝元素能够显著增强其抗腐蚀和耐高温的能力，这一优势在锌铝镁合金镀层中同样显著；其次，在镀锌过程中加入适量的铝，能有效遏制锌与铁之间的反应，从而减少Fe-Zn化合物的厚度；再者，铝元素能限制镁的氧化过程，其氧化物结构致密，有助于减轻镁疏松氧化物所带来的不良影响。在适度使用的情况下，铝镁氧化物的形成有助于形成保护膜，但若使用不当，也可能导致产品出现缺陷。
在这三个特性里，首条特性仅带来益处，毫无弊端，然而第二和第三条特性却具有两面性。铝在锌铝镁镀液中的比例颇高，如同镁一般。它一方面能够抑制锌与铁的相互作用，然而另一方面，铝与铁的化学反应更为剧烈，构成了主要矛盾；同时，铝的易氧化特性也引发了一系列问题，成为锌铝镁产品生产过程中的一大挑战。
3、硅的作用和影响
硅的添加钢材热镀锌厚度，其核心目的是为了遏制铝与铁之间的相互作用，降低镀层与钢基材之间形成的化合物层的厚度，进而提升材料的加工性能；这一做法与所有高铝镀层的制作原理是相同的。
在铝含量超过共晶成分的镀层中，必须添加硅元素，且铝的比例越高，所加入的硅量也相应增加。例如，在铝硅镀层中，硅的添加量约为10%；而在铝锌硅镀层中，硅的添加量大约为1.5%；对于SD镀层，硅的添加量为0.2%，而ZAM镀层则可添加0.1%的硅。此外，硅的加入还能起到细化晶粒、增强组织均匀性以及抑制晶间氧化的作用。
4、其它元素的作用
锌铝镁的成分相当复杂，其工艺性能也因此变得极其复杂。为了生产出以锌、铝、镁为主要成分的优质产品，我们可以在其中添加少量其他元素。这样做不仅能提升热镀工艺的性能，还能增强产品的使用性能。这种添加方式被誉为锌铝镁镀层成分中的“第四元”。
要避免镁在锌铝镁合金产品中发生氧化变黑，这成为了一个技术挑战。一些企业通过在合金中引入其他合金元素来抑制镁的氧化，比如POSCO的专利技术，就是在合金中添加了0.01%至0.1%的镓和0.005%至0.1%的铟；首钢的专利技术则是在合金中加入了0.01%至0.1%的钙或钡，或者0.01%至0.4%的锂，以此解决氧化问题；另外，通过添加钛和硼，可以细化晶粒，同时抑制组织生成；而加入稀土元素，则有助于提升组织的均匀性，进而抑制晶间腐蚀，从而显著增强合金的耐腐蚀性。
综合以上内容，锌铝镁镀层的组成包括：a%的锌、b%的铝、c%的镁、d%的硅以及e%的X元素。针对这些成分的常规比例建议为：锌含量应在95%至97.9%之间，铝含量在1%至3%之间，镁含量在1%至1.5%之间，硅含量为0.1%，而X元素的含量则应在0.01%至0.4%之间。
该工艺中，氮气吹扫法所形成的锌铝镁镀层，其成分包括11%的铝、3%的镁以及0.2%的硅，其余部分均为锌。
三、锌铝镁法（ZAM）的优势
㈠、锌铝镁耐腐蚀及划伤切口自修复原理
首先，我们需进行理论上的剖析。ZAM板以其卓越的耐腐蚀特性而著称，尤其是其切口保护功能尤为显著。分析时，我们将情况分为两种：一种是未出现划痕的平面状态，另一种则是存在切口和划痕的情况。
1、当ZAM表面没有划伤时
镀层内部的镁与铝相互作用，在长期使用过程中，会在表面形成一层附着牢固、密度高的氧化保护层，此层有效阻隔了镀层与外界腐蚀环境的接触，从而实现防腐隔离的效果，避免镀层遭受腐蚀。镁金属相较于铝金属更为活跃，在空气中极易氧化，所形成的氧化层亦较为致密，能够有效保护内部结构，阻止其继续氧化。镁与铝性质相异，导致其在镀层中分布均匀且细微，因而氧化膜得以覆盖整个镀层表面，进而保护了镀层中的所有组织结构。
2、当镀层被划伤或有切口时
镁元素在镀层溶解后，能够在切割口的断面形成一层细腻且致密的含镁氧化膜，这层氧化膜能够覆盖住暴露的钢基部分，进而增强其抗腐蚀能力。在此情形下，锌的牺牲阳极防腐效果以及铝、镁的隔离防腐作用都能得到有效体现。此外，鉴于镁的活性极高，它能够将钢板表面的松散氧化物还原，并替换为更为致密的镁氧化物，进而对裸露的钢基提供保护。
如图所示，在ZAM板新出现的切割区域，裸露的钢基在腐蚀性介质中会发生氧化反应，呈现初期红锈状态。然而，随着时间的流逝，镀层中溶解的镁、锌以及铝等元素，会将红锈转化为灰黑色的氧化层。这种氧化层结构较为紧密，从而有效保护了断裂部位，防止其继续氧化。
ZAM切口部位保护原理
切口暴露于阳光下进行测试，结果显示在测试初期，断裂面显现出些许红色，但这种红色并未加剧钢材热镀锌厚度，到了三年之后，原本的红色竟然转变为了灰黑色。进一步检测发现，断裂面上的氧化层中包含了锌、镁、铝、氧、铁、氯、硫等众多复杂成分。
新国标GB/-2015《预镀锌公路护栏》应运而生，其基于切口自修复原理。
我国高速公路护栏板的生产流程，长期沿用的是先成型后镀锌的技术，具体步骤是先购入热轧钢板，进行冲压使其成型，随后进行酸洗处理，最后通过溶剂法进行热镀锌，从而制成产品。之所以采用这种工艺，是因为它能确保镀层厚度超过600克/平方米，并且在热浸镀锌处理后，钢板的断面也能得到完整封闭，完全能够达到高速公路护栏板所需的防腐蚀性能。然而，使用此技术制造高速路防护栏板，其生产速率较慢，且费用昂贵。是否可以尝试先进行镀锌处理，再进行成型工艺，以此来提升生产效率并减少开支呢？交通部对该建议予以拒绝，其理由在于氢气还原法在钢带连续热镀锌过程中，难以形成每平方米超过600克的厚镀层；此外，高速公路护栏板所需的钢板厚度介于2.0至6.0毫米之间，而镀锌层的断面切口在保护方面无法满足高速公路护栏板对于防腐蚀性能的标准要求。
锌铝镁镀层钢板一经推出，便彻底颠覆了传统格局。首先，其耐腐蚀性能是热镀锌板的五倍之高，且镀层厚度仅需120克/平方米，便等同于热镀锌层的600克/平方米。其次，锌铝镁镀层钢板在断面切口保护方面表现出色，即便钢板厚度达到最大6毫米，其断面切口依然能得到有效保护，不易生锈。在此背景下，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局以及中国国家标准化管理委员会于2015年5月15日共同颁布了GB／-2015《预镀锌公路护栏》这一新的国家标准。自同年8月起，该标准正式开始执行。具体的新国标主要参数可参考下表内容。
GB／-2015镀层化学成分及代号
GB／-2015镀层单面附着量及厚度
自国家发布新的锌铝镁镀层公路护栏板标准以来，生产厂家得以采购厚度介于2.0至6.0毫米之间的热轧板，经酸洗处理，随即投入到锌铝镁镀层生产线，依照标准规定进行镀层厚度的加工，制成锌铝镁镀层板。随后，这些镀层板将被送至护栏板成型加工生产线，最终生产出符合标准的锌铝镁镀层高速公路护栏板。中国高速公路护栏板的制造技术已完全摒弃了传统的先成型后镀锌的方法，转而采用了与国际同步的先进工艺——先镀锌后成型。这一变革显著提升了制造效率，不仅降低了生产成本，还改善了生产条件。
㈡、锌铝镁与其他镀层类型耐腐蚀性对比
综合数据对比：
平面部分的耐盐雾性能与镀铝锌硅板相近，大约是镀锌板的十至二十倍，更是镀锌-5%铝合金的五至八倍。
切口断面区域、弯曲处理区以及存在划痕的部位，在耐盐雾性能方面均超越了镀铝锌硅板、镀锌并添加5%铝的板材以及纯镀锌板。
3、耐氨性是镀锌板的2倍，镀铝锌硅板的10倍。
4、耐酸碱性与镀锌板相仿，优于镀铝锌硅板和镀锌-5%铝板。
当镀层厚度达到90克每平方米时，其耐腐蚀性能相较于经过热浸镀工艺处理，形成厚度为560克每平方米的镀层，表现更为出色。
ZAM板盐雾试验结果分析：在与其他三种常见镀层进行盐雾试验的对比中，ZAM板出现红锈的时间明显较晚。具体来看，ZAM板的红锈出现时间在所有镀层中是最长的。
㈢、ZAM板的加工性能特点进行分析
1、镀层的耐刮痕性
涂镀板的表面腐蚀多见于划痕部位，而划痕在涂镀板的制作过程中是难以避免的，尤其是在加工阶段。若涂镀板本身具有较强的抗划痕能力，则能在很大程度上减少划痕的产生，进而显著提升其使用寿命。
刮痕性能的衡量通过刮痕所承受的力来体现，其检测过程涉及使用顶端半径仅为0.05毫米的蓝宝石测试针，该针垂直放置于待测区域。在施加0.0196至0.196牛顿（相当于2至20克力）不等负荷的条件下，移动待测区域20毫米。随后，通过肉眼观察待测区域是否出现刮痕，并选取引发刮痕的最小负荷值，以此作为其耐刮痕性能的指标。
经过实验验证，ZAM板表现出卓越的性能，其产生刮痕时的负荷远超镀锌-5%铝，约为后者的1.5倍，更是镀锌与镀铝锌的3倍以上。这主要归因于其镀层硬度较高，具体四种镀层的维氏硬度值详见下文。
ZAM：40Hv～160Hv
热浸镀55%Al-Zn合金：100Hv～110Hv
热浸镀Zn-5%Al合金：80Hv～100Hv
热浸镀Zn：55Hv～65Hv
2 焊接性
与热轧和冷轧板材相比，ZAM板材的焊接性能略逊一筹，然而，通过采用恰当的工艺手段，依然能够实现焊接，并确保足够的强度，不会对其应用造成不良影响。在焊接区域，可使用Zn-Al系列的涂料进行修复，从而实现与常规镀层相近的效果。
3 涂装性
ZAM的涂层特性与镀铝锌硅、镀锌-5%铝合金的镀层相近，具备涂装能力，从而能够进一步提升产品的外观和耐用性。
㈣、ZAM的竞争力和不可替代性
最后，我们分析一下锌铝镁这个产品的竞争力和不可替代性。
1 核心竞争力
锌铝镁产品的核心竞争力：
（1）表面保护能力，克服了镀锌产品易被划伤的不足；
其边缘和划痕防护性能卓越，能够制造出厚度介于3至8毫米之间的产品，且不会出现边缘过早腐蚀的现象；与之相对，若镀锌板的厚度超过3毫米，则容易出现边缘过早腐蚀的情况。
室外耐腐蚀性能优异，仅需300g/m2的镀层便能使材料使用寿命长达30年；相比之下，若要镀锌板达到同样的寿命，其镀层重量需超过双面800g/m2，这在生产上几乎是不可能实现的。
2 不可替代性
以下几个场合是唯有使用锌铝镁，而其他产品不可替代的：
在户外长期应用的环境中，例如高速护栏，对产品规格的厚度和表面镀层都有较高要求。以往，我们只能依靠批量镀锌的工艺，但自从锌铝镁合金问世后，我们得以采用连续热镀锌铝镁的新技术。这些技术不仅适用于太阳能设备支架，也适用于桥梁构件等多种产品。
在欧洲等地区，若公路路段需撒盐防滑，若汽车底盘采用非锌铝镁合金镀层材料，则极易遭受腐蚀，因此必须使用锌铝镁合金板来制作底盘；类似的情况也见于海滨别墅等建筑物的建造。
在那些必须具备耐酸性特性的场景中，例如农场中的禽舍和食槽，由于禽类粪便呈酸性，因此必须选用更为耐酸和抗腐蚀的锌铝镁板材。
总体来看，55%的铝锌硅合金在耐腐蚀性能方面表现尤为出色且稳定，然而，锌铝镁法（ZAM）利用氮气处理技术，其耐腐蚀性更是有过之无不及，即便是采用空气处理技术，其耐腐蚀能力也几乎与之相当。这种性能显著超越了常规的热镀锌板和其他工艺板，加之ZAM所独有的切口自修复特性，使得其在应用领域具有极为广阔的发展前景。即便如此，若要广泛推广，尚需时日。这需要热镀锌行业的各项标准和技术文件得到广泛实施，然而，如文中所述的GB／-2015《预镀锌公路护栏》这类创新的国家标准数量仍然十分有限，难以构建起一个完整的体系。例如，在市场上广泛讨论的高锌层镀锌板，通常指的是单面或双面镀锌量超过275克每平方米的产品。在客户进行验收时，他们通常会使用锌层测厚仪来检测锌层的厚度，只要厚度超过20微米，即可判定为合格。然而，若采用锌铝镁法（ZAM）对镀层进行减薄处理，客户应依据何种标准来进行验收呢？铁路行业中的镀锌钢构件标准规定，锌层厚度必须达到至少86微米，验收过程仅依据镀锌层的厚度进行，而并非基于其耐腐蚀性能，因此这样的标准难以获得市场的广泛认同。因此，锌铝镁法（ZAM）工艺的广泛应用尚需付出巨大努力。以GB／-2015标准为例，若能得以实施，将助力国家节约30-80%的镀层材料，显著降低镀锌行业及其产品的成本，对国民经济的建设产生积极影响。当前，有色金属价格持续攀升，能源供应紧张，展望未来，锌铝镁法（ZAM）工艺无疑将拥有广阔的市场潜力。
