渗锌是工件表面渗入锌的化学热处理工艺。钢件表面渗锌,能显著提高抗大气腐蚀能力,在薄板、标准件上获得大量应用。渗锌的主要方法有粉末法与热浸法。
一、渗锌通识
渗锌主要用于提高钢铁材料在大气和天然水环境中的耐腐蚀性能,其工艺方法和渗铝相似,叮分为浸镀型和扩散型两种。热浸镀锌(也称热浸镀锌、液体渗锌等)所获得的表面组织由扩散层和锌镀层组成,属于浸镀型渗锌。扩散型渗锌层则完全由扩散层组成,采用粉末渗锌和真空渗锌工艺获得。
二、热浸镀锌
热浸镀锌足将表面洁净钢铁浸入熔融的锌或锌合金熔液巾获得渗锌层的表面化学热处理工艺。钢带、钢丝等采用连续式热浸镀锌。钢铁制件(如型钢、紧固件等机械零件)则采用批量式热浸镀锌。这里只介绍批量式热浸镀锌的工艺及性能。
热浸镀锌工艺
批量式热浸镀锌工艺流程为:钢铁制件一脱脂一除锈一助镀剂一干燥一热浸镀锌一冷却一钝化一成品。助镀剂的主要作用为:①去除钢铁表面残存的氧化铁;②改善上件与锌液的浸润住。助镀剂的主要组成分为ZnCI2和NH4CI.钢铁制件经助镀进入锌液以后发生以下反应:
NH4CI==NH3+HCI
FeO +2HCI==FeCI2+H20
Fe2O+6HCI==2FeCl3 +3H2O
Zn+FeCI2==ZnCI2+Fe
3Zn+2FeCI3==3ZnCI2 +2Fe
在锌液中,钢铁制件表面的铁与锌发生扩散反应形成扩散层,其主要成分为:η相(Fe5Zn26)、δ相(FeZn17)、ζ相{(FeZn13)。钢铁制件从锌液中提出时,表面覆盖上一层镀锌层,镀锌层为η相,其主要成分与锌液成分基本相同。热浸镀锌层就是由上述扩散层和镀锌层组成。
锌铁反应扩散形成的ζ相很脆,它的一部分存在于扩散层中,一部分则脱落进入锌液形成锌渣。ζ相的形成量大不仅会增加渗层的脆性,而且会使锌渣量增大,锌耗量增加。扩散层中铁含量与锌渣中铁含量之和称为铁损量,铁损量与热浸镀锌温度的关系见图1。为了避免铁损量过大,镀锌温度应避开铁损量的峰值温度。普通结构钢采用470℃以下的低温镀锌,常用温度为440~460℃。铸铁采用540℃以上的高温镀锌。热浸镀锌温度越高则流动性越好,对于形状复杂的零件,如螺栓,也采用高温镀锌。为了减少铁损镀锌时间也应尽量短,铁损量与热浸镀锌时间的关系见图2。镀锌层(即η相)的厚度则与工件的提升速度和锌液的流动性有关,提升速度越快,镀锌层越厚,锌液的流动性越好,镀锌层越薄。
热浸镀锌的性能及应用
热浸镀锌在各类大气环境中都具有良好的耐蚀性,被广泛泛地应用于户外,被厂泛地应用于户外钢结构和机械零件的表面保护,如:送变电铁塔、高速公路护栏、城市道路灯杆、桥梁、汽车及工程机械用紧固件及零件等。
热浸镀锌层在土壤、混凝土、pH6~pH11的水环境(如:河流、海水、部分工业用水)也都具有良好的耐蚀性,在船用管路及零件、海上钻井平台结构件、石油开采抽油管、民用及工业用输水管、建筑预埋性等方面都获得广泛的应用。
三、粉末渗锌
粉末渗锌层是由锌铁扩散反应形成的,其主要成分为δ相(FeZn17)。δ相含7%~11%(质量分数)Fe,致密性和韧性良好,耐蚀性不低于热浸镀锌层,硬度为250HV左右,具有较好的耐磨性能。
粉末渗锌工艺
粉末渗锌是将表面清理过的工件埋入装有渗锌荆的密封容器中,加热到锌的熔点( 419.4℃)以下,保温一定的时间,然后随炉冷却到室温。粉末渗剂通常有锌粉、惰性粉末(如氧化铝)、活性剂如氯化铵和氯化锌等组成。渗锌层的厚度与品质主要与加热温度、保温时问、渗剂成分及渗锌方法有关。通常渗锌温度愈高,则渗层愈厚。但温度过高会使工件镀层表面黏锌,且表面粗糙度下降。一般固体粉末渗锌温度为380℃~400℃。渗层的厚度随保温时间的延长而增加.但到一定的时问后保温时间再延长,渗层深度不会有很大的增加,这是由于渗层表面的锌含量已达到了饱和状态。渗镀时间一般控制在2h~4h之间。
渗锌处理后,通常对渗层进行铬酸盐钝化处理或在磷酸盐中进行磷化处理,使渗层表面形成一层保护膜,进一步提高渗锌层的耐蚀性.防止在运输及储存过程中形成“白锈”腐蚀现象。
渗锌剂的成分对渗层厚度也有较大的影响,渗剂中含锌量越高,则渗镀速度越快且渗层较厚,这是因为高含量的渗剂会提高活性锌原子的浓度、有利于促进锌原子的扩散速度。渗层的厚度还与渗锌方法有关,如用回转炉渗锌的方法,其渗镀速度比普通的箱式渗镀要快的多,这是因为工件在回转炉旋转过程中能与渗剂均匀且经常接触的缘故。
粉末渗锌的特点是,渗层较均匀,不会产生氢脆及变形现象,适合形状复杂的工件,如紧固件、弹簧以及管子等。其缺点是劳动条件差,环境污染较大,不易生产自动化等。
粉末渗锌产品的性能
粉末渗锌产品的性能良好,概括起来有以下特点:
耐腐蚀性强。腐蚀、锈蚀是钢铁材料的天敌。据估算,世界钢产量约有 十分之一损耗于腐蚀、锈蚀。腐蚀对我国造成的经济损失每年至少在400亿元以上。实践证明,在海洋大气、恶劣的工业大气等多种环境下,渗锌层的耐蚀性 优于热、电镀锌和不锈钢。在同一种工业大气中,不锈钢腐蚀600天,表面就布满锈点,而渗锌产品腐蚀1600多天,其表面没一点锈迹。
耐磨、抗擦伤性能好。渗锌层表面硬度能达到Hv250~400,而热、电镀锌制件表面为纯锌,镀层硬度仅为Hv70左右,因此渗锌比热、电镀锌耐磨和抗擦伤性能好得多。
生产基本无污染。在一般情况下,渗锌生产的前处理只采用抛丸机除锈 清油,且用布袋除尘,能达到国家三级标准。生产中以油燃料作为主要能源,采用循环燃烧无烟排放技术,粉末渗锌技术为锌固体渗,没有锌蒸气产生,工件与 助剂又在密闭的器具中进行渗透和分离,对周围环境没有污染。
锌消耗量比较低。据了解,热镀锌的锌消耗量吨产品为100公斤左 右,而粉末渗锌仅为30公斤左右,只占热镀锌的30%。另外,也没有锌锅腐蚀这一热镀锌的老大难问题。
涂漆后能实现复合防护。渗锌产品的渗锌层均匀且与油漆的结合力为一级,其复合防护层的耐腐蚀性均优于热、电镀锌和渗锌层。
经渗锌处理的钢材制件不影响材料的机械性能。渗锌处理的温度比热镀锌低100~280℃,此温度下吸入钢基体的氢原子已扩散逸出。因此在应用中没有氢脆的危害,也能避免弹簧等一些高强度件因处理温度高造成机械性能下降的弊端。
四、真空渗锌
真空渗锌也是由锌铁扩散反应形成的渗锌层,因此真空渗锌层的组织、性能及应用范围,与粉末渗锌基本一致。与粉末渗锌相比真空渗锌具有以下特点:
(1)渗锌过程中锌的氧化损失少,锌的利用率高。
(2)工艺稳定,渗层重现性好。
(3)渗层质量好,渗层表面无氧化。
(4)设备复杂,一次性投资较高。
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