現(xiàn)代表面工程學(xué)基礎(chǔ)導(dǎo)論—熱浸鍍(Hot Dipping)篇

1、現(xiàn)代表面工程學(xué)基礎(chǔ)導(dǎo)論熱浸鍍(Hot Dipping)篇本章主要內(nèi)容 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 熱浸鍍?cè)?第三節(jié) 熱浸鍍鋅 第四節(jié) 熱浸鍍鋁第一節(jié) 概述（Summary）1.1 基本概念（Basic conception）1、定義：熱浸鍍是將一種基體金屬浸在熔融狀態(tài)的另一種低熔點(diǎn)金屬中，在其表面形成一層金屬鍍層的方法。2、基體材料(Parent material)：鋼 鑄鐵鍍層金屬(Clad metal)：熱浸鍍層金屬的熔點(diǎn)要求比基體材料低的多，因此，常限于采用低熔點(diǎn)金屬及其合金，如鋅（419.5）、鋁（658.7） 、錫（231.9）、鉛（327.4）及它們的合金。目的：耐腐蝕性、耐磨損性、耐

2、熱性 Corrosion resistance wear resistance heat durability 1.2 熱浸鍍工藝與制品的發(fā)展古羅馬時(shí)代就有把金屬容器浸入熔融錫中進(jìn)行熱鍍的方法13世紀(jì)后半期到16世紀(jì)中葉用熱鍍法在薄鐵板上制成鍍錫板1742年由法國(guó)化學(xué)家把熔融鋅鍍?cè)阡撹F制品上1837年英國(guó)人Grawford取得熔融法專利1937年在美國(guó)建成第一條帶鋼連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線40年代在鞍山采用熔融法生產(chǎn)單張熱鍍鋅鋼板1953年開(kāi)始熱鍍鋅鋼管1979年于武漢建成投產(chǎn)現(xiàn)代連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線 熱浸鍍層的種類鍍層金屬熔點(diǎn)備注錫231.9是用于熱浸鍍最早的金屬鋅419.45在熱浸鍍層中是應(yīng)用的最廣泛

3、的金屬。鋁658.7在熱浸鍍層中是應(yīng)用較晚的金屬鉛327.4在熔融狀態(tài)下，不能浸潤(rùn)鋼材表面，需加入一定數(shù)量的錫或銻才能浸潤(rùn)，形成鍍層。通常是加入錫，稱為熱浸鍍鉛-錫鍍層1.3 熱浸鍍工藝的分類1.3.1 熱浸鍍的工藝預(yù)鍍件 前處理 熱浸鍍 后處理 制品Work fore-treatment dipping after-treatment product1.3.2 熱浸鍍分類根據(jù)前處理不同分： 1)熔劑法 Method of flux 2)保護(hù)氣體還原法Method of protective gas reduction 1)熔劑法熱浸鍍?nèi)軇┓ǎ鹤畛Ｓ玫姆椒āＴ跓峤冎?，在清潔的金屬表面涂一?/p>

4、助鍍劑，防止鋼鐵腐蝕。浸入鍍液后，助鍍層能迅速分解，并起到清除基體金屬表面的氧化物、降低熔融金屬表面張力的作用，以提高鍍層質(zhì)量。溶劑法熱浸鍍的基本工藝流程 預(yù)鍍件堿洗酸洗水洗稀鹽酸處理水洗溶劑處理烘干熱浸鍍后處理制品2)保護(hù)氣氛還原法熱浸鍍森吉米耳法：a 將待鍍鋼材先通過(guò)煤氣或天然氣加熱,將鋼材表面殘余的油污、乳化液等燒掉鋼材表面被氧化成氧化薄膜b 進(jìn)入還原爐，將鋼材表面的氧化皮還原為適合熱浸鍍的多孔性海綿狀純鐵 加熱完成再結(jié)晶退火（720-800）c 在保護(hù)性氣氛中，鋼材被冷卻到合適溫度（470-480）后，進(jìn)入鍍鍋?zhàn)ⅲ褐饕糜趲т摕徨冧\、鋁和鋼管鍍鋅等連續(xù)化現(xiàn)代化的大生產(chǎn)工藝1.4 熱浸鍍

5、層的性能與應(yīng)用鍍層的形成主要依靠加熱擴(kuò)散的作用，所得鍍層（滲層）與基體金屬之間是形成冶金結(jié)合結(jié)合牢固，不脫落 。合金層是由兩種金屬組成的金屬化合物。這一部分的鍍層有少量的基體金屬相微量夾雜，因而使其結(jié)構(gòu)與性能也與純金屬有所不同。合金層較純金屬層要脆得多，且對(duì)鍍層的力學(xué)性能也有害。因此，在熱浸鍍操作中要控制鍍層厚度。熱浸鍍的金屬層一般較厚，因此能在某些腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期使用(鍍鋅與鍍錫等)，或作為抗特種介質(zhì)腐蝕的防蝕鍍層(如鍍錫與鍍鉛組合金制品等)。第二節(jié) 熱浸鍍?cè)?Principle of Hot dipping)1、熱浸鍍基本過(guò)程（圖-2）：（1）介質(zhì)中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以提供界面反應(yīng)所需要的反應(yīng)

6、物（2）反應(yīng)物通過(guò)擴(kuò)散輸運(yùn)至金屬表面，此稱為外擴(kuò)散（3）反應(yīng)物中的某些粒子被金屬表面吸附，并發(fā)生界面反應(yīng)（4）界面反應(yīng)產(chǎn)生的活性原子為金屬表面層吸收并向縱深遷移，達(dá)到一定的深度，此稱內(nèi)擴(kuò)散 圖22、滲層形成條件a 滲入金屬必須能與基體金屬形成固溶體或者金屬間化合物b 滲入元素與基體金屬必須保持緊密的接觸，即滲入元素可以在界面被吸附c 必須保持一定的溫度，使原子具有一定的擴(kuò)散動(dòng)力d 生成的活性原子的化學(xué)反應(yīng)必須滿足一定的熱力學(xué)條件第三節(jié) 熱浸鍍鋅(Hot-dip zincing)1. 工藝過(guò)程(Technical process)工業(yè)上的熱浸鍍鋅可分兩種：分批浸鍍制程與連續(xù)浸鍍工藝過(guò)程1.1 分

7、批浸鍍工藝過(guò)程1) 應(yīng)用 Applition應(yīng)用在成型對(duì)象，如螺拴，螺帽，鋼構(gòu)，燈桿.等。 2) 作業(yè)流程 對(duì)象在適當(dāng)?shù)谋砻媲鍧嵅⒔蹌‵lux）之后，將對(duì)象浸入熔融的鋅液中。流程如下所示： 物件 噴砂 脫脂 水洗 酸洗 水洗 助熔劑 烘干 熱浸鍍鋅 水淬 1.2 連續(xù)浸鍍工藝過(guò)程 1) 應(yīng)用 連續(xù)浸鍍制程是應(yīng)用于鋼卷或鋼線熱浸鍍鋅，鍍鋅鋼卷通常會(huì)再經(jīng)切割以進(jìn)行加工。 2) 作業(yè)流程 物件 還原退火 熱浸鍍鋅 氣刀（鍍鋅輥） 整平 冷卻 2、鍍層的形成鍍層形成理論鍍層形成過(guò)程1)鐵基表面被鋅液溶解形成合金相層2)合金層中的鋅原子進(jìn)一步向基體擴(kuò)散，形成鋅鐵互溶層3)合金層表面包絡(luò)著一層鋅鐵-

8、鋅系二元狀態(tài)圖中有以下幾種相層(相圖)： 1 圖 7 鐵-鋅平衡相圖圖4-8 熱浸鍍鋅層橫截面金相組織 鐵-鋅反應(yīng) 熱浸鍍鋅鍍層從表面的純鋅到鋼材依序會(huì)形成（六方最密堆積），（單斜），（六方最密堆積），（立方）等不同的相，這是熔融的鋅在鋼材表面冷卻時(shí)， 因相互擴(kuò)散而形成的多層鍍層；不同相的硬度分別是：70 DPN，：179 DPN，：244 DPN，碳鋼硬度:159 DPN。DPN(Diamond Pyramid Hardness Number) 威氏硬度值 2.2 影響鍍層成長(zhǎng)的因素 1) 鋅液的溫度 鍍層成長(zhǎng)速率一般與鍍液的溫度成比例。但是在500時(shí)鋅與鐵會(huì)產(chǎn)生異?？焖俚姆磻?yīng)。 2) 浸鍍

9、時(shí)間 鋅鍍層通常是隨著鋅與鐵之間的擴(kuò)散機(jī)制而成長(zhǎng)。 3) 基材的厚度 鍍層的厚度會(huì)受基材的厚度所影響。太薄的基材上無(wú)法析鍍出厚的鍍層。因此欲析鍍出厚的鍍層需考慮基材的厚度。碳：鋼中含碳量對(duì)熱鍍鋅有顯著的影響。一般來(lái)說(shuō)，C鐵鋅反應(yīng)就越劇烈，鐵鋅合金層也越厚，使鍍鋅層變脆，塑性降低。硅：硅存在延長(zhǎng)鋅的凝固時(shí)間，促進(jìn)較大鋅花的形成。鉛：鉛的存在可降低鋅液的粘度和表面張力。 4) 基材的成份鋼管熱鍍鋅后，在熱狀態(tài)下首先進(jìn)行內(nèi)表面和外表面的吹鋅，將殘留在內(nèi)外表面的多余鋅吹掉，使鋼管表面光潔，并且節(jié)約鋅耗量，隨后再進(jìn)行冷卻和鈍化處理，以提高鋼管鍍鋅層的耐蝕性和防止鋅層變色。、內(nèi)表面吹鋅：噴吹氣體為過(guò)熱蒸汽

10、，其溫度一般為200-250。溫度低將產(chǎn)生鋅層凝結(jié)，形成鋅瘤和粗糙的表面，溫度過(guò)高可使鍍鋅層變?yōu)榘岛稚?.3 鍍后處理 鋼管直徑mm 蒸汽壓力atm12.7-31.75 7-838.1-50.8 8-963.5-76.2 8-10、外表面吹鋅：一般采用壓縮空氣。 鍍鋅鋼管外吹鋅壓縮空氣壓力鋼管直徑mm 壓縮空氣壓力atm12.7-19.0 325.4-31.7 438.1-50.8 5 63.5-76.2 5-6iii、鋼管的冷卻：鍍鋅后的鋼管經(jīng)內(nèi)外表面吹鋅后，先在空氣中冷卻，然后再送入冷水中冷卻。冷卻水的溫度保持在25-50。、鈍化處理：目的是防止鋅層產(chǎn)生白銹，提高耐蝕性。常用的鈍化溶液是

11、以鉻酸或重鉻酸鹽為主的水溶液。熱浸鍍鋅的應(yīng)用 曝露在大氣與某種液體的環(huán)境中，需要耐腐蝕處理的大部份鋼鐵件 表4-1第四節(jié) 熱浸鍍鋁(Hot-dip aliumining)1893年出現(xiàn)鋼件熱浸鍍鋁的專利。由于鋁的熔點(diǎn)高,化學(xué)活性大,其工藝在技術(shù)和設(shè)備上遇到了大困難,直到20世紀(jì)中期才逐步解決。鋼材鍍鋁后形成的新材料不僅把鋁的耐蝕性和鋼的強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)，而且還賦與此種新材料以新的特性耐熱性。因此，鍍鋁鋼正日益發(fā)展為新型高效鋼材。4.1 鐵-鋁系二元狀態(tài)圖4.1.1 鋁的物理性質(zhì)鋁的熔點(diǎn)為660，沸點(diǎn)2060，密度2。具有塑性良好，很容易被拉成絲或軋制成板材。電阻很低(其導(dǎo)電性約為銅的60)4.1.

12、 Fe-Al二元相圖4.2 熱浸鍍鋁鍍層的形成4.2.1 鍍層形成過(guò)程鋼材表面的熱鍍鋁過(guò)程中發(fā)生液態(tài)鋁和固態(tài)鐵兩種物質(zhì)的相互浸潤(rùn)、溶解、吸附、不同元素間的化學(xué)作用及物理擴(kuò)散等物理化學(xué)過(guò)程。鋼的熱鍍鋁層形成過(guò)程的機(jī)理目前尚無(wú)統(tǒng)一觀點(diǎn)。多數(shù)認(rèn)為，當(dāng)液態(tài)相與固態(tài)鐵接觸時(shí)，形成冶金結(jié)合的必要的條件是液態(tài)鋁對(duì)固體鐵發(fā)生浸潤(rùn)和漫流過(guò)程，隨即發(fā)生鐵原子的溶解和鋁原子的化學(xué)吸附過(guò)程，形成鐵鋁化合物以及鐵、鋁原子的擴(kuò)散過(guò)程和合金層的長(zhǎng)大過(guò)程。 鋼材熱鍍時(shí)擴(kuò)散層的形成過(guò)程(a)當(dāng)鐵浸于熔融鋁時(shí)，表面發(fā)生浸潤(rùn)、溶解和相互擴(kuò)散形成擴(kuò)散層。(b)鋁中鐵濃度增大，形成金屬間化合物FeAl3(c)隨著兩種金屬原子的相互擴(kuò)散

13、，層的厚度達(dá)到一定值，并出現(xiàn)Fe2A15相(d) 柱狀晶生長(zhǎng)，F(xiàn)e2A15轉(zhuǎn)變?yōu)镕eAl3(e)由于Fe2A15的生長(zhǎng)和鐵向鋁中擴(kuò)散速度的增大，使鋁在鐵中的固溶區(qū)消失(f)在整個(gè)擴(kuò)散層中，除相外幾乎無(wú)其他相存在4.2.2 工藝流程（熔劑法）利用溶劑的化學(xué)作用對(duì)已經(jīng)除油除銹的鋼材在進(jìn)入鋁鍋前保護(hù)其表面不再氧化并進(jìn)一步對(duì)其活化，使鋁液與鋼材表面發(fā)生浸潤(rùn)并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散形成合金涂層流程如下：工件堿洗酸洗助鍍烘干浸鍍水淬成品4.2.3 鍍層影響因素1）鋁液溫度和浸鍍時(shí)間通常合金層厚度隨鋁液溫度的提高而增大，鍍鋁溫度對(duì)鋼和鑄鐵鍍鋁合金層影響更為明顯。當(dāng)溫度從665 800時(shí)，擴(kuò)散速度加快，合金層厚度

14、猛增。但進(jìn)一步提高溫度，合金層厚度又下降。到950時(shí)，合金層的厚度很小。2）鋼材成分的影響碳含量增加，有助于合金層結(jié)構(gòu)均勻化（鋼組織由鐵素體珠光體）。鎳、鉻含量增加，合金層厚度也增加。含錳量增加，合金層厚度及硬度均減小。3）鋁液中各種添加元素硅可提高鋁鍍層的耐熱性。當(dāng)鋁液中加小于1%-1.4%的Si時(shí)，可使擴(kuò)散層從純鋁的32-65m下降到5-27m。鋅可降低鍍鋁溫度和縮短浸鋁時(shí)間，且所得鍍層附著力好。鎳對(duì)擴(kuò)散層厚度影響明顯，在720-730下鍍鋁時(shí)，鋁中加入0.5%Ni，可使擴(kuò)散層從20-30m提高到35-50m。4.3 鍍鋁鋼材的性能與應(yīng)用4.3.1 鍍鋁鋼的優(yōu)點(diǎn)a 良好的耐熱性（抗高溫氧化

15、性） 鍍鋁鋼材在大氣中在450 以下可長(zhǎng)期使用，且不改變其顏色，在500 以上開(kāi)始出現(xiàn)氧化增重和變色。鍍鋁鋼材的耐熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未鍍鋁的鋼材。鍍鋁鋼的耐熱性遠(yuǎn)高于未鍍鋁的鋼b 良好的耐腐蝕性特別耐含有S02、H2S、NO2 、C02，等工業(yè)大氣的腐蝕性。此外還耐海洋大氣和潮濕環(huán)境的腐蝕。鍍鋁鋼耐海洋大氣的腐蝕性也優(yōu)于鍍鋅鋼。鍍鋁鋼材具有優(yōu)良的對(duì)光和熱的反射能力。這與鍍鋁層表面形成致密而光澤的Al2O3膜有關(guān)。4.3.2 鍍鋁鋼的缺點(diǎn)鍍層含有金屬間化合物脆性相，使其加工性變壞，鋼材表面被鋁液侵蝕并溶解在鋁液中，而使鋁層含有雜質(zhì)鐵，從而影響其耐腐蝕性；鍍鋁的溫度仍然偏高，而影響鋁鍋的使用壽命；鍍層表面易粘服鋁渣而影響其外觀等鍍鋁鋼材的用途1、鍍鋁鋼板型鍍鋁板（Si-Al鍍層）高溫耐熱性好汽車工業(yè)排氣管、消聲器、車底底盤(pán)耐熱器具換熱器，烘箱、煙囪、焚燒器容器方面糧倉(cāng)、水槽、暖氣片、包裝箱型鍍鋁板（純l鍍層）常溫耐腐蝕性好建筑行業(yè)屋頂板、門(mén)窗框、卷簾門(mén)交通運(yùn)輸汽