热浸镀锌车间设备与工艺改进

李君香　陆波

摘 要：通过热浸镀锌的工艺探讨，由于镀锌过程中，镀液的各种元素对镀锌有一定的影响，结合现有热浸镀锌工艺的分析，将金属构件的性能得到显著提升，以此提高镀锌的工艺水平，间接拓宽了热浸镀锌的应用范围。

关键词：热浸镀锌，反应机理，工艺

1.热浸镀锌工艺

在热浸镀锌的过程中，被镀金属的表面会与锌液发生一系列复杂的物理、化学反应。

当金属镀件完全的浸入锌液镀浴之后，随着金属镀件的温度与锌液的温度相同时，镀锌液中的锌元素将会逐渐的吸附在金属镀件表面，这样使得金属表面和内部产生较大的浓度梯度，由于存在浓度梯度，镀液中的活性锌原子将沿着浓度降低的方向做定向扩散，不断地向金属内部进行扩散，直到到达平衡为止，最后达到渗透的目的。主要分为一般镀锌和连续热浸镀锌两种方案：

一般镀锌是将经过加工之后的非连续的单件或者大批量的钢铁结构件浸入 450～800℃的锌池中进行热浸镀，在钢铁结构件表面形成镀层，其镀层的厚度与热浸镀的时间长短有着紧密的联系。一般镀锌的基本工艺流程为：钢铁结构件前期准备→碱洗脱脂→水洗→酸洗除锈→水洗→浸溶剂助镀→烘干预热→热浸镀锌→后处理。热浸镀锌过程中使用缓蚀活性剂，以此增强热浸镀锌的结合力，防止镀件发生镀前氧化。其反应如下：

6NH4Cl+2Al=AlCl3+3NH3+3H2

3ZnCl2+2Al=2AlCl3+3Zn

连续热浸镀锌是将经过加工之后的单件或者大批量的钢铁结构件连续的侵入锌池进行热浸镀的工艺过程。连续热浸镀锌的工艺根据镀前的处理方式不同可以分为线外退火和线内退火，由于生产工艺复杂、生产成本高、合金镀层存在一定的缺陷，导致镀层的耐蚀性没有提升，使得连续热浸镀锌没有得到较好的发展。

在进行时，将钢材热浸到锌液中，其锌液的温度控制在450℃左右，浸入时间控制在300s左右，钢基的表面会形成一层由Γ、δ和ζ三相组成的 Fe-Zn 金属间化合物层如图1所示，其Fe-Zn 二元相图体系如图2所示。

其中，（αFe）相是锌在α-Fe 相中的固溶体，α-Fe 为体心立方晶体。Γ相直接附着于钢基表面，由α-Fe 和液相在 782℃时发生包晶转变而成，最大铁的含量为 31.3 at.%，是热浸镀锌合金相中硬度最大的脆性相。δ相是热浸镀锌金属间化合物层中的主要相层，是 Γ 相和液相在 665℃的包晶产物。δ 相从形貌上区分为 δ1、δ2层，δ1紧接Γ相非常致密，δ2则有很多微裂纹，处在 δ 外侧远离Γ相的位置。

2.影响热浸镀锌层组织的因素

2.1锌液化学成分

（1）Al 的影响

在热镀锌的过程中，会在锌液中人为的添加一定的铝材料，主要是根据铝的特点—保护性氧化膜，这样有效的减少锌液表面的氧化，其光洁面也能得到一定的改善。一般加铝的计量主要根据镀件所要求的性能决定的，如果要使得光亮的镀层，一般就会在锌浴中添加质量分数为0.005%～0.02%的铝；如果想获得厚度适宜且粘附性良好的合金镀层，可以向锌浴中添加质量分数为 0.15%～0.20%的铝液，这主要添加一定量的铝后能在金属表面形成Fe2Al5的镀层，这样使得钢基体和镀层界面上Zn-Fe的脆性相得到抑制生长；如果想提高镀层的耐蚀性，添加质量分数大于0.30%的铝即可。

（2）Ni的影响

在锌液中添加Ni元素，主要是为了延长了Fe-Zn合金相层的孕育期，从而有效地限制了Fe-Zn合金层的形成速度，能够获得厚度适宜的镀层，从而使得镀层的结合强度和质量得到较大的改善。另外，少量的镍还可以提高镀层的光亮性，减少锌渣的形成。

（3）Mg的影响

在锌浴中添加少量的Mg元素可以显著提高镀层的耐蚀性能。一般添加的镁的含量在0.024%～0.048%之间，材料镀层的耐腐蚀性能达到最佳，如果锌液中添加镁的含量大于0.048%时金属镀层的耐蚀性反而下降，镀层的表面相对粗糙，外观颜色呈乳白色。

（4）Bi的影响

在锌液中添加一定量的Bi元素能夠显著降低锌浴的表面张力，加快锌液的流速，加快镀层表面的镀锌速度，减少镀层时间。

2.2热浸镀温度和时间

锌液温度对铁锌反应的过程曲线如图3所示。

其中，通过图3可知，在起始阶段，随着锌液温度升高铁锌间的反应逐渐增强，在温度升高到 480℃时，将导致金属间化合物层的急速生长，从而使镀层的厚度和脆性均增加。在 480℃～530℃区间有峰出现，在 490℃时出现峰值即铁锌反应最剧烈，ζ 相在该温度下失去连续性，当温度大于500℃时ζ 相趋于消失，结合图2的Fe-Zn二元相图可知，ζ相可以在530℃时稳定存在。正是由于在 490℃～530℃稳定区间，ζ相的不连续或消失，造成铁、锌剧烈反应和铁迅速溶解于液态锌中。如果锌液温度过低，锌液的流动性就会变差，镀层的质量较差，锌浴中的锌耗也会增多。如果锌液温度过高，铁的损耗量明显增大，进而影响镀层的表面质量。因此，对钢进行热浸镀锌时，选择合适的锌液温度对合金层的生长有着至关重要的作用。

热浸镀时间对铁锌反应速率的曲线如图4所示。

从图4中可以看出，在时间一定的条件下，镀液处于430℃～490℃之间时，铁锌反应生成致密的化合物；当温度上升到490℃～530℃，铁、锌之间的反应速度加剧，使金属间化合物层快速长大；当温度超过530℃，金属间化合物层中已发生局部破裂。由图4的规律可得，热浸镀时间对锌层的组织和性能也会产生很大影响。浸锌时间过长，会使合金层中脆性相过厚，导致镀件的力学性能有所下降。

2.3热浸镀的技术

在一般工业区和海洋性环境中，热浸镀锌钢铁结构件具有长的使用寿命及低的使用维护成本，使用寿命可达20～40年，在没有侵蚀性的大气环境下镀锌件的使用寿命会更长。热浸镀锌层可给钢铁基体可形成隔离层进行保护和电化学保护。热浸镀操作简单，工艺容易检查，操作控制可靠。

作者简介：

李君香 199706 女 汉 浙江遂昌 职称：学生 学历；大专 电气自动化技术