热浸镀

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-dip zincing)
1. 工艺过程(Technical process)
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 1)
分批浸镀工艺过程
应用 Applition
现代表面工程学导论 ——5、热浸镀(Hot Dipping)篇
本章主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 热浸镀原理 热浸镀锌 热浸镀铝
第一节 概述（Summary）
1.1 基本概念（Basic conception） 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。
heat durability
1.2 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
钢管直径mm 12.7-31.75 38.1-50.8 63.5-76.2 蒸汽压力atm 7-8 8-9 8-10

ⅱ、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 12.7-19.0 25.4-31.7 38.1-50.8 63.5-76.2 压缩空气压力atm 3 4 5 5-6
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。
• 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。
• 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
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
iii、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
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 product 1.3.2 热浸镀分类 根据前处理不同分： 1)熔剂法 Method of flux 2)保护气体还原法 Method of protective gas reduction
(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
• 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 (Principle of Hot dipping)
• 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
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％)
4.1.２ Fe-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。
• 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。
第四节 热浸镀铝 (Hot-dip aliumining)

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。
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。
2、基体材料(Parent material)：钢 铸铁 • 镀层金属(Clad metal)：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 Corrosion resistance wear resistance
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)： α γ Γδ δ
1
ζ
η
• 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：70 DPN， ζ：179 DPN， δ：244 DPN， 碳钢硬度:159 DPN。 DPN(Diamond Pyramid Hardness Number) 威氏硬度值
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
• 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
பைடு நூலகம்

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。
• 4.3.3镀铝钢材的用途
• 1、镀铝钢板
1)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
2.2 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。
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
4) 基材的成份

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。


2.3 镀后处理

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200250℃。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）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－2
2、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
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
锌 铝 铅
231.9
419.45 658.7 327.4
是用于热浸镀最早的金属
在热浸镀层中是应用的最广泛的金属。 在热浸镀层中是应用较晚的金属 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