钢铁构件的热浸镀锌工艺设计以及操作_精品.doc

钢铁构件的热浸镀锌工艺设计以及操作 广西民族大学 金属材料11级综合实训二 指导教师 梁建烈 祝金明 蒙洁丽 一、实验目的 理解热镀锌的原理，掌握热镀锌工艺参数对镀层质量的影响，掌握热镀锌镀层质量检验技术。 1. 热镀纯锌的镀层；2. 热镀锌时间对镀层质量的影响；3. 熔池成分对热镀锌镀层的影响。 二、实验原理 2.1 热镀锌相关的冶金背景 热镀锌涂层广泛地用于钢铁的防腐。目前，全世界50-60%的锌消耗在热镀锌工业中。热镀锌钢板大量应用在汽车、家电、建材等领域。根据工件的种类，热镀锌可分为（1）批量热浸镀锌（Batch hot-dip Galavanizing）, （2）连续热镀锌（Continuous Hot-dip Galvanized）[。连续热镀锌又分成热镀纯锌（Galvanized, GI）和 合金化热镀锌（Galvannealed, GA）。 热镀锌过程包含有以下几个步骤：（1）钢铁合金表面预处理，（2）热浸镀，（3）浸镀后处理。表面预处理包括以下三个步骤：利用酸洗或碱洗进行脱脂，采用酸洗的办法除去钢板表面的氧化层，浸入ZnCl2·2NH4Cl或者ZnCl2·3NH4Cl水溶液进行助焊。经过表面预处理的钢铁合金，被浸入450-470 oC的熔融锌池中进行热镀锌。这样，材料的表面会覆盖一层锌，这个镀锌层一方面作为阻挡层隔绝钢铁与空气的接触，另一方面作为牺牲阳极对钢铁起到保护作用[。 在热镀锌的过程中，锌液会与钢板中的基体铁反应，在钢铁基体上生成系列的Fe-Zn化合物，用希腊字母分别表示为，η(Zn)，ζ(FeZn13)，δ(FeZn10)，Г(Fe4Zn9)和Г1(Fe11Zn40)。这与Fe-Zn相图的结果是一致，靠基体金属越近，化合物的含铁量越高[。图1是Fe-Zn二元合金相图。 钢中的合金元素对于镀层的质量和性能有着重要影响。Si是镇静钢或半镇静钢的主要除氧剂，同时也是相变诱导塑性钢（Transformation induced plasticity, TRIP）的关键合金元素。对于含有Si 0.20%的钢铁材料，在热镀锌的过程中，会出现镀层厚度急剧增大，镀层黏着性及机械性能下降的现象。这种现象称作Sandlin效应。此时镀层结构仍然完好，但是研究发现（Γ+Γ1）层不再连续，而δ层变得更薄，ζ层不再致密。而且在表面的镀锌层有时还可以见到突出的ζ层。对于含Si 0.20%的钢铁材料，镀层完全变暗，而且非常脆，镀层与基体的粘着性完全消失，易于剥落，这种现象称作Nietssen-Guttman效应[。从微观组织上看，此时合金层不再连续，锌层与基体金属间是扩散的δ层，ζ层由柱状转变成为树枝状，不再存在（Γ+Γ1）层。研究表明，对于含Si为0.1 wt.%钢铁材料，产生Sandelin效应的原因是Si的活性导致生成厚厚的ζ相；对于含Si约为1 wt.%的钢材，产生Nietssen-Guttman效应的主要原因是生成厚厚的（δ+η）混合层。 图 1 Fe-Zn二元合金相图 对于含Si量少于0.2 wt.%的钢，Foct把含Si小于0.06 wt.%的称作亚Sandelin钢，0.07–0.08 wt.%的钢称作Sandelin钢，0.09-0.20 wt.%的称作过Sandelin钢[24]。对含Si低于0.2 wt.%的钢，抑制Sandelin效应，只需抑制ζ相的生成即可。因此，往热镀锌池加入少量的Ni、Mn、Ti、Cr和Co等合金元素，可引进与Zn液平衡的新物相，从而抑制ζ相的生成。 2.2 热镀锌铝物理冶金原理 Al是热镀锌工业常用于抑制Si的活性的合金元素。Al的加入，可以起到改善镀层质量，抑制Sandelin效应的作用。根据锌液中Al的含量，热镀锌铝可分成以下三种：（1）含铝量少于1 wt.%的Galvanized，锌池温度控制在450-460 °C 左右；（2）含铝量为5 wt.%的Galfan，锌液的成分为Zn+5 wt.%Al+0.05%RE (RE=La,Ce,Pr,Nd的混合稀土)，这时，由于锌液成分选择在Al-Zn合金的共晶点附近，热镀锌温度可以降到425 oC左右；（3）含铝量为55 wt.%的Galvolume, 锌液中一般含有1 wt.%左右的Si，这时锌液温度一般选择在600 oC左右。 Al抑制Sandelin效应的主要原因是Al在锌液中的含量达到一定浓度以后，钢铁浸入锌液中，会在基板与锌液间生成一层20-250nm厚的Fe2Al5合金层，由于Zn原子需要通过合金层的扩散才能到达基板，因此这个合金层起到延缓锌液与Fe反应