热浸镀锌是最有效的钢铁防大气腐蚀的方法之一。当锌浴中含有一定量的某些合金元素(Pb、Bi、Sb和/或Sn等)时,镀层中的锌结晶时生成具有特定位向的粗大晶粒,就成为肉眼可见的锌花。热镀锌钢上的锌花是热镀锌层特有的标志,对于不需要进行后处理直接裸露使用的热镀锌件,一朵朵漂亮的大锌花很受用户的青睐。国内外的热镀锌企业已开发了大量锌花镀层产品,主要是连续热镀锌法生产的镀锌薄板。近年来,欧美地区用批量热镀锌法生产的镀锌钢结构件也采用了锌花镀层。多年来,锌花的形成机理受到了许多研究者的极大关注,但是到目前为止,对锌花产生的原因以及形成机制在很多细节上尚未形成统一的认识,对批量热镀锌的锌花的研究则极少见报道。 本文首次采用了X射线转动晶体法系统地研究了热镀锌钢上单个锌花的宏观几何形貌与该锌单晶体结晶位向之间的关系,建立了单个锌花的晶体学模型,解释了不同形貌锌花的形成机制,并从热力学角度初步探讨了热镀锌钢上锌花产生的原因。结果表明,热镀锌层中的自由锌层以树枝晶生长的方式凝固,每一个锌花代表一个单晶体的锌晶粒,其基平面(0001)相对于钢基表面可能的方向决定了锌花最终的几何形貌,锌花一次枝晶臂择优生长的方向首先为[10-10],其次为[0001]和[11-20],相邻的沿[10-10]晶向择优生长的一次枝晶臂之间的夹角α与基平面(0001)关于钢基表面的倾斜角β的关系为α=2arcsin 1/2cosβ√1+1/4tg2β。按照β值的不同,锌花可分为三类：1)β=0°,可获得<12 -10>晶带的所有晶面的衍射峰,其中(0001)晶面产生的衍射峰最强,锌花具有60°对称的正六边形树枝晶状结构：2)0°<β<90°,可获得(10-11)晶面的衍射峰最强的衍射图,60°对称的树枝晶结构消失,锌花为倾斜六边形结构：3)β=90°,可获得<0001>晶带的(10-10)和(12-10)晶面产生的衍射峰,锌花具有垂直树枝晶状结构。 由于锌花形成过程为以树枝晶方式自钢基/镀层向镀层/空气界面生长,加入的合金元素要发生表面偏析。在批量热镀锌条件下,浸锌时间较长,镀层较厚,冷却速度较慢,合金元素的偏析和析出、以及析出的第二相由亚稳态向稳态(或非平衡态向平衡态)的转变都应更加充分,本文研究了典型的具有锌花的批量热浸Zn-0.1Al-0.1Pb和Zn-0.1Al-0.2Sb合金镀层的凝固过程和表面偏析规律。结果发现：在所研究的Pb浓度范围(0～0.2wt.％)内,随着Pb含量的增加,镀层表面的织构逐渐由基平面(0001)织构转变为(10-11)织构和(10-10)或(12-10)织构,暗锌花的数量也随之逐渐增多；批量热浸Zn-0.1Al-0.1Pb镀层的表面偏析相为纯Pb相粒子,其分布在锌花晶界处几乎没有,锌花内的平坦区上也比较少,且尺寸极小(纳米级),羽毛状区上则有规律地分布在树枝晶晶臂的间隙内,粗糙区上则随机地分布在凝固收缩所形成的凹陷处。在批量热镀锌特殊的工艺条件下,这些纯Pb相粒子在锌层表面呈现正六边形的平衡晶体形貌,而非连续热镀锌条件下通常出现的球形。在所研究的Sb浓度范围(0～0.2wt.％)内,Zn-Sb合金镀层始终以基平面(0001)织构为主,锌浴中加Sb比锌浴中加Pb更易获得大尺寸的锌花和亮锌花。批量热浸Zn-0.1Al-0.2Sb镀层的表面偏析物呈针状覆盖于整个镀层的表面,晶体结构为Sb3Zn4相而非连续热镀锌法所报道的Sb2Zn3相,这是由于批量热镀锌法冷却速度较慢,亚稳态的Sb2Zn3相会发生共析转变生成稳态的Sb3Zn4相。在锌浴中加Pb或Sb均适用于生产锌花镀层,Pb的成本较低而被较多采用,但不利于环保,加Sb的工艺更值得研究。由于Sb的熔点(631℃)比热镀锌的温度高(～450℃)得多,不能直接加入锌浴中使用。本文首次研究了热镀锌用Sb-Zn中间合金,主要是冷却速度对b-Zn中间合金凝固组织的影响,结果表明：提高冷却速度(c)可以明显的细化高熔点的Sb-Zn金属间化合物粒子的尺寸d(d∝c-1/2),较快的冷却速度可以抑制亚稳态ζ相的共析分解ζ→β+η,炉冷(0.04℃/s)时共析分解完全,接近平衡组织,合金相粒子为β相；空冷(1.06℃/s)和水冷(36℃/s)时,ζ相的共析分解受到抑制；而铜板冷(110℃/s)时,ζ相的共析分解被完全抑制。 含Si活性钢热浸镀锌时会出现镀层超厚生长(即Sandelin效应)和表面灰暗,本文研究了锌浴中同时添加Ni和Sn元素,有效解决了既能抑制镀层超厚生长,又能获得锌花镀层的问题。研究了热浸Zn-Ni-Sn合金镀层的生长动力学及镀层的微观组织、锌花镀层的凝固过程、合金元素Sn的表面偏析。试验结果表明：锌浴中同时添加Ni和Sn后,含硅钢热镀锌层的生长均受到不同程度的抑制,抑制效果随Ni和Sn含量的增加而增强,与单独添加Sn相比,可大大减少合金添加量、降低成本,且钢的活性越强抑制效果越显著：活性钢批量热浸Zn-0.12Ni-3Sn浴液时,效果最好,镀层的厚度均≤50μm;合金层由粗大疏松的块状变为连续致密的柱状组织,自由锌层由粗糙灰暗的表面变为光亮美观的锌花表面,这是由于平整的ζ/η相界面为自由锌层中锌花的凝固提供了良好的表面条件,镀层表面的偏析相为纯Sn相,主要分布在ζ/η相界面前沿以及镀层表面锌花的亚晶界处,由于量较大,未能形成Sn的平衡晶体形貌。