钢铁构件的热浸镀锌工艺设计以及操作

钢铁构件的热浸镀锌工艺设计以及操作

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ZnCl 2〃2NH 4Cl 或者ZnCl 2〃3NH 4Cl 水溶液进行助焊。经过表面预处理的钢铁合金，被浸入450-470 o C 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(Fe4Zn 9) 和

Г1(Fe11Zn 40) 。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，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 o C 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 o C 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Fe 2Al 5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 反应速度的作用。当锌

液中Al 的含量小于0.133 wt.%，形成的Fe 2Al 5合金层是断续的；当锌液中的Al 含量多于0.140 wt.%，形成的Fe 2Al 5合金层是连续的，此时的镀层就是由Zn 和Fe 2Al 5

两个合金层组成。在连续热镀锌时，钢板或带材浸入锌液的时间很短，Zn-Fe 的反应会完

全受到抑制，从而避免了Sandelin 效应发生。

对于热镀锌，钢板熔池之间的相互作用可视为Fe-Zn-Al 合金体系。为理解Al 合金

元素的作用机理，人们对Fe-Zn-Al 相图做了大量的研究工作。图1-1是Perrot 等人获

得的Fe-Zn-Al 合金在450 o C 分别保温30分钟和1000小时的相图。30分钟的相图对应合金未达到平衡。当合金达到平衡时，在富锌区出现了一个稳定的三元化合物，成分为Fe 8Al 6Zn 86，图中表示为Γ2。这个Γ2相与Γ1（Fe 11Zn 40）同构，都为面心立方结构，点阵常数相近。2002年，唐乃泳[重新研究Fe-Zn-Al 富锌区的450 o C 等温截面，