热浸镀

现代表面工程学导论——5、热浸镀(HotDipping)篇第一节概述第二节热浸镀原理第三节热浸镀锌第四节热浸镀铝本章主要内容第一节概述（Summary）1.1基本概念（Basicconception）1、定义：热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属镀层的方法。2、基体材料(Parentmaterial)：钢铸铁•镀层金属(Cladmetal)：热浸镀层金属的熔点要求比基体材料低的多，因此，常限于采用低熔点金属及其合金，如锌（419.5℃）、铝（658.7℃）、锡（231.9℃）、铅（327.4℃）及它们的合金。•目的：耐腐蚀性、耐磨损性、耐热性Corrosionresistancewearresistanceheatdurability1.2热浸镀工艺与制品的发展•古罗马时代就有把金属容器浸入熔融锡中进行热镀的方法•13世纪后半期到16世纪中叶用热镀法在薄铁板上制成镀锡板•1742年由法国化学家把熔融锌镀在钢铁制品上•1837年英国人Grawford取得熔融法专利1937年在美国建成第一条带钢连续热镀锌生产线40年代在鞍山采用熔融法生产单张热镀锌钢板1953年开始热镀锌钢管1979年于武汉建成投产现代连续热镀锌生产线热浸镀层的种类镀层金属熔点℃备注锡231.9是用于热浸镀最早的金属锌419.45在热浸镀层中是应用的最广泛的金属。铝658.7在热浸镀层中是应用较晚的金属铅327.4在熔融状态下，不能浸润钢材表面，需加入一定数量的锡或锑才能浸润，形成镀层。通常是加入锡，称为热浸镀铅-锡镀层1.3热浸镀工艺的分类1.3.1热浸镀的工艺预镀件前处理热浸镀后处理制品Workfore-treatmentdippingafter-treatmentproduct1.3.2热浸镀分类根据前处理不同分：1)熔剂法Methodofflux2)保护气体还原法Methodofprotectivegasreduction1)熔剂法热浸镀•溶剂法：最常用的方法。在热浸镀之前，在清洁的金属表面涂一层助镀剂，防止钢铁腐蚀。浸入镀液后，助镀层能迅速分解，并起到清除基体金属表面的氧化物、降低熔融金属表面张力的作用，以提高镀层质量。•溶剂法热浸镀的基本工艺流程预镀件碱洗酸洗水洗稀盐酸处理水洗溶剂处理烘干热浸镀后处理制品2)保护气氛还原法热浸镀•森吉米耳法：a将待镀钢材先通过煤气或天然气加热,将钢材表面残余的油污、乳化液等烧掉——钢材表面被氧化成氧化薄膜b进入还原炉，将钢材表面的氧化皮还原为适合热浸镀的多孔性海绵状纯铁——加热完成再结晶退火（720-800℃）c在保护性气氛中，钢材被冷却到合适温度（470-480℃）后，进入镀锅•注：主要用于带钢热镀锌、铝和钢管镀锌等连续化现代化的大生产工艺1.4热浸镀层的性能与应用•镀层的形成主要依靠加热扩散的作用，所得镀层（渗层）与基体金属之间是形成冶金结合－－结合牢固，不脱落。•合金层是由两种金属组成的金属化合物。这一部分的镀层有少量的基体金属相微量夹杂，因而使其结构与性能也与纯金属有所不同。•合金层较纯金属层要脆得多，且对镀层的力学性能也有害。因此，在热浸镀操作中要控制镀层厚度。•热浸镀的金属层一般较厚，因此能在某些腐蚀环境中长期使用(镀锌与镀锡等)，或作为抗特种介质腐蚀的防蚀镀层(如镀锡与镀铅—组合金制品等)。第二节热浸镀原理(PrincipleofHotdipping)•1、热浸镀基本过程（图-2）：•（1）介质中发生化学反应，以提供界面反应所需要的反应物•（2）反应物通过扩散输运至金属表面，此称为外扩散•（3）反应物中的某些粒子被金属表面吸附，并发生界面反应•（4）界面反应产生的活性原子为金属表面层吸收并向纵深迁移，达到一定的深度，此称内扩散•图－22、渗层形成条件a渗入金属必须能与基体金属形成固溶体或者金属间化合物b渗入元素与基体金属必须保持紧密的接触，即渗入元素可以在界面被吸附c必须保持一定的温度，使原子具有一定的扩散动力d生成的活性原子的化学反应必须满足一定的热力学条件第三节热浸镀锌(Hot-dipzincing)1.工艺过程(Technicalprocess)工业上的热浸镀锌可分两种：分批浸镀制程与连续浸镀工艺过程1.1分批浸镀工艺过程1)应用Applition应用在成型对象，如螺拴，螺帽，钢构，灯杆…..等。•2)作业流程•对象在适当的表面清洁并浸助熔剂（Flux）之后，将对象浸入熔融的锌液中。流程如下所示：•物件喷砂脱脂水洗酸洗水洗助熔剂烘干热浸镀锌水淬•1.2连续浸镀工艺过程1)应用•连续浸镀制程是应用于钢卷或钢线热浸镀锌，镀锌钢卷通常会再经切割以进行加工。2)作业流程•物件还原退火热浸镀锌气刀（镀锌辊）整平冷却2、镀层的形成2.1镀层形成理论2.1.1镀层形成过程1)铁基表面被锌液溶解形成合金相层2)合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁互溶层3)合金层表面包络着一层锌铁-锌系二元状态图中有以下几种相层(相图)：αγΓδδ1ζη•图7铁-锌平衡相图图4-8热浸镀锌层横截面金相组织2.1.2铁-锌反应热浸镀锌镀层从表面的纯锌到钢材依序会形成η（六方最密堆积），ζ（单斜），δ（六方最密堆积），Γ（立方）等不同的相，这是熔融的锌在钢材表面冷却时，因相互扩散而形成的多层镀层；不同相的硬度分别是η：70DPN，ζ：179DPN，δ：244DPN，碳钢硬度:159DPN。DPN(DiamondPyramidHardnessNumber)威氏硬度值2.2影响镀层成长的因素1)锌液的温度•镀层成长速率一般与镀液的温度成比例。但是在500℃时锌与铁会产生异常快速的反应。2)浸镀时间•锌镀层通常是随着锌与铁之间的扩散机制而成长。3)基材的厚度•镀层的厚度会受基材的厚度所影响。太薄的基材上无法析镀出厚的镀层。因此欲析镀出厚的镀层需考虑基材的厚度。碳：钢中含碳量对热镀锌有显著的影响。一般来说，C↑铁锌反应就越剧烈，铁锌合金层也越厚，使镀锌层变脆，塑性降低。硅：硅存在延长锌的凝固时间，促进较大锌花的形成。铅：铅的存在可降低锌液的粘度和表面张力。4)基材的成份钢管热镀锌后，在热状态下首先进行内表面和外表面的吹锌，将残留在内外表面的多余锌吹掉，使钢管表面光洁，并且节约锌耗量，随后再进行冷却和钝化处理，以提高钢管镀锌层的耐蚀性和防止锌层变色。ⅰ、内表面吹锌：喷吹气体为过热蒸汽，其温度一般为200-250℃。温度低将产生锌层凝结，形成锌瘤和粗糙的表面，温度过高可使镀锌层变为暗褐色。2.3镀后处理钢管直径mm蒸汽压力atm12.7-31.757-838.1-50.88-963.5-76.28-10ⅱ、外表面吹锌：一般采用压缩空气。镀锌钢管外吹锌压缩空气压力钢管直径mm压缩空气压力atm12.7-19.0325.4-31.7438.1-50.8563.5-76.25-6iii、钢管的冷却：镀锌后的钢管经内外表面吹锌后，先在空气中冷却，然后再送入冷水中冷却。冷却水的温度保持在25-50℃。ⅳ、钝化处理：目的是防止锌层产生白锈，提高耐蚀性。常用的钝化溶液是以铬酸或重铬酸盐为主的水溶液。2.3热浸镀锌的应用•曝露在大气与某种液体的环境中，需要耐腐蚀处理的大部份钢铁件表4-1第四节热浸镀铝(Hot-dipaliumining)1893年出现钢件热浸镀铝的专利。由于铝的熔点高,化学活性大,其工艺在技术和设备上遇到了大困难,直到20世纪中期才逐步解决。钢材镀铝后形成的新材料不仅把铝的耐蚀性和钢的强度结合起来，而且还赋与此种新材料以新的特性——耐热性。因此，镀铝钢正日益发展为新型高效钢材。4.1铁-铝系二元状态图•4.1.1铝的物理性质•铝的熔点为660℃，沸点2060℃，密度2.7g/cm2。具有塑性良好，很容易被拉成丝或轧制成板材。电阻很低(其导电性约为铜的60％)4.1.２Fe-Al二元相图•4.2热浸镀铝镀层的形成•4.2.1镀层形成过程•钢材表面的热镀铝过程中发生液态铝和固态铁两种物质的相互浸润、溶解、吸附、不同元素间的化学作用及物理扩散等物理化学过程。•钢的热镀铝层形成过程的机理目前尚无统一观点。多数认为，当液态相与固态铁接触时，形成冶金结合的必要的条件是液态铝对固体铁发生浸润和漫流过程，随即发生铁原子的溶解和铝原子的化学吸附过程，形成铁铝化合物以及铁、铝原子的扩散过程和合金层的长大过程。钢材热镀时扩散层的形成过程(a)当铁浸于熔融铝时，表面发生浸润、溶解和相互扩散形成扩散层。(b)铝中铁浓度增大，形成金属间化合物FeAl3(c)随着两种金属原子的相互扩散，层的厚度达到一定值，并出现Fe2A15相(d)η柱状晶生长，Fe2A15转变为FeAl3(e)由于Fe2A15的生长和铁向铝中扩散速度的增大，使铝在铁中的固溶区消失(f)在整个扩散层中，除η相外几乎无其他相存在•4.2.2工艺流程（熔剂法）•利用溶剂的化学作用对已经除油除锈的钢材在进入铝锅前保护其表面不再氧化并进一步对其活化，使铝液与钢材表面发生浸润并进行化学反应和扩散形成合金涂层•流程如下：•工件碱洗酸洗助镀烘干浸镀水淬成品4.2.3镀层影响因素1）铝液温度和浸镀时间•通常合金层厚度随铝液温度的提高而增大，镀铝温度对钢和铸铁镀铝合金层影响更为明显。当温度从665℃→800℃时，扩散速度加快，合金层厚度猛增。但进一步提高温度，合金层厚度又下降。到950℃时，合金层的厚度很小。2）钢材成分的影响•碳含量增加，有助于合金层结构均匀化（钢组织由铁素体→珠光体）。镍、铬含量增加，合金层厚度也增加。含锰量增加，合金层厚度及硬度均减小。3）铝液中各种添加元素硅可提高铝镀层的耐热性。当铝液中加小于1%-1.4%的Si时，可使扩散层从纯铝的32-65μm下降到5-27μm。锌可降低镀铝温度和缩短浸铝时间，且所得镀层附着力好。镍对扩散层厚度影响明显，在720-730℃下镀铝时，铝中加入0.5%Ni，可使扩散层从20-30μm提高到35-50μm。4.3镀铝钢材的性能与应用4.3.1镀铝钢的优点a良好的耐热性（抗高温氧化性）•镀铝钢材在大气中在450℃以下可长期使用，且不改变其颜色，在500℃以上开始出现氧化增重和变色。镀铝钢材的耐热性远远高于未镀铝的钢材。镀铝钢的耐热性远高于未镀铝的钢b良好的耐腐蚀性•特别耐含有S02、H2S、NO2、C02，等工业大气的腐蚀性。此外还耐海洋大气和潮湿环境的腐蚀。镀铝钢耐海洋大气的腐蚀性也优于镀锌钢。•镀铝钢材具有优良的对光和热的反射能力。这与镀铝层表面形成致密而光泽的Al2O3膜有关。•4.3.2镀铝钢的缺点•镀层含有金属间化合物脆性相，使其加工性变坏，钢材表面被铝液侵蚀并溶解在铝液中，而使铝层含有杂质铁，从而影响其耐腐蚀性；镀铝的温度仍然偏高，而影响铝锅的使用寿命；镀层表面易粘服铝渣而影响其外观等•4.3.3镀铝钢材的用途•1、镀铝钢板Ⅰ型镀铝板（Si-Al镀层）高温耐热性好汽车工业排气管、消声器、车底底盘耐热器具换热器，烘箱、烟囱、焚烧器容器方面粮仓、水槽、暖气片、包装箱Ⅱ型镀铝板（纯Ａl镀层）常温耐腐蚀性好建筑行业屋顶板、门窗框、卷帘门交通运输汽车库、飞机库、高速路护栏、道路标牌冶金工业退火炉罩、炼钢耐热隔板•汽车工业方面的应用•镀铝钢板在加热设备方面的应用•烤箱、厨具方面的应用•建材方面的应用•电器设备方面的应用•2、镀铝钢丝•比较软的低碳钢镀铝丝用于编织网、篱笆以及矿井巷道的防落石安全网、围栏、海岸护堤网、球场网，舰船钢丝绳等•3、镀铝钢管石油工业石油加热管式炉炉管、热交换用冷凝器、石油管道等化学工业生产酸类，酸性气体等化工产品的输送管道焦化工业热交换器装置，分馏塔和冷凝器等食品工业酒类酿造厂酒精厂的设备和管道（铝不受有机酸作用）练习思考题1.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？2.形成热浸镀层应满足什么条件？3.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。4.热镀铝的优缺点怎样？