腐蚀论文

腐蚀与防护论文题目：钢铁表面热浸镀铝技术
专业：材料成型及控制工程
姓名：王文言
学号：1033010203
指导教师：王晓民
钢铁表面热浸镀铝技术
前言
钢产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标之一，也是我国工业化进程中的支柱产业。

由于我国经济持续高速增长，拉动了钢铁工业的快速发展。

钢材产量的快速升高拉动了我国焊材产业的强劲发展。

这不仅使我国成为世界上头号钢铁和焊材生产大国，也成为头号钢铁和焊材消费大国。

钢材除了拥有诸多优良性能（如良好的刚度、强度、韧性及加工性能）外，在大气、海水、土壤或其它特种介质中使用，会发生不同程度的腐蚀。

据统计，世界上每年因腐蚀而损失的钢铁材料占总产量的五分之一[1]，我国每年由于钢铁材料的腐蚀而造成的损失就相当于一个年产300万吨钢的钢铁厂的全部产量[2]，腐蚀对现代工业造成严重破坏，不仅带来严重的直接损失，而且带来难于估的间接损失，甚至会危及人民的生命和财产安全，因而必须采取有效的防护措施。

由于金属腐蚀直接造成金属破坏的现象普遍存在，金属腐蚀与防护问题已日益引起人们的关注。

腐蚀控制技术有以下几个途径：改变腐蚀环境；研制新型的耐腐蚀材料；施加保护涂层[1，3，4]；采用电化学保护技术。

在各种防护途径中，表面涂层防腐法，由于原材料来源充足，制造容易且生产成本低，所以得到了广泛的应用。

与其他金属防腐蚀相比，结合了镀层的物理屏障保护与电化学保护保护特性。

在镀层的致密性、耐久性、免维护性、与基体的结合力、镀层的经济性以及热浸底工艺对钢件形状与尺寸的适应性、生产的高效性上都具有无与伦比的优势。

钢铁表面工程防腐的方法繁多，其中钢基表面热镀耐蚀金属涂层是防止钢铁腐蚀的最重要、最有效的方法之一，这种热镀耐蚀金属涂层的防护方法被称为热浸镀技术[5]。

热浸镀是具有悠久历史的传统工艺，其应用广泛，效果显著。

充分利用我国丰富的铝资源，开发性能优良的镀铝钢材，因此其发展前景是十分广阔的。

热浸镀的产品通常分为两大类：一类是钢材类，包括钢带、钢丝、钢管；二是钢铁制件类，包括各种钢铁结构、冷加工零部件、铸件、螺纹紧固件等[6]。

随着经济建设的发展，在我国已出现对热浸镀铝材料的需求，同时热浸镀铝材料的推广应用也会为国家带来巨大的经济和社会效益。

近年来部分大专院校和研究机构先后对热浸镀铝技术进行了开发研究，并且已经取得了可喜的成果。

综上所述，热浸镀铝技术在我国的发展前景是广阔的，有待于推进更大规模的生产，更广范围的应用。

铝及铝合金镀层具有多方面的优良性能，而且我们已经比较全面地研究掌握了这门镀覆技术。

因此可以认为：热浸镀铝工艺在我国不但有发展的必要，而且已具备了发展的条件。

可以预期：已经开始的工业生产实践会促进其工艺过程和技术经济指标的进一步改善，这些实际推广工作将会不断扩大人们对这种新工艺和由其所形成的新材料的了解和认识。

研究现状
1热浸镀铝技术的研究进展近十几年来国内外对热浸镀工艺的研究较多,已有成熟工艺,进入了稳定的工业生产阶段[7]。

由于镀铝钢材的应用越来越广泛,同时对其实用性能也提出了更高的要求,研究主要集中在三个方面:一是通过研究温度、时间、浸镀铝液组成和助镀剂等因素来有效控制合金层的厚度。

然而,最有效并在生产上得到广泛应用的却是添加硅;二是开发性能更好的金属间化合物镀层,如Al 2Zn 、Al 2Cr 等;三是改变热浸镀的基体材料。

目前,除钢带镀铝采用森吉米尔法外,钢结构部件产品多采用熔剂法。

熔剂法工艺灵活,适合多品种、多
规格的生产,对此许多研究者通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、电子探针(EMPA)等先进测试设备对镀渗铝层形成机理和镀层的显微组织进行了研究。

Heumaunn[8]和Adam[9]等分别提出了不同的镀层生长模型,但由于受到工艺方法的限制,得出的许多结论并不完善。

从目前的文献看,Adam提出的镀层结构模型较为完整,但这种结构模型并未被可靠的检测手段所证实。

目前普遍认为
Fe
2Al
5
虽不是金属间化合物的唯一组成,却在金属间化合物层中占了很大比例,这
与Fe
2Al
5
具有特殊的斜方晶格结构有关[10,11]。

宋世昆等[12]采用熔剂法钢丝热浸镀铝工艺,制备了镀铝钢丝,通过扫描电子显微镜、能谱和MEF3金相显微镜对镀层形成机理和镀层的组织结构进行分析,结果同Adam所提出的镀层形成机理相一致。

在进一步对热浸镀铝形成机理研究的基础上,许多研究者对热浸镀铝的扩散过程进行研究,提出镀层生长的动力学关系是符合Arrhenius抛物线规律的[13]。

Hrbek从森吉米尔法连续化生产时铝液黏度受温度影响较小的理论出发,提出了镀层厚度与提升速度的经验公式并试图解释熔剂法热浸镀铝的镀层厚度变化规律,但因工艺原因未能得到证实。

张伟、文九巴[14]研究了扩散型热浸镀铝钢扩散层的微观结构和成分,结果发现,在距扩散层表面30 m内存在大量Fe-Al合金非晶相和纳米晶粒,表面非晶程度很高,往基体方向,非晶逐渐减少。

通过对热浸镀铝后表面层组织的微观分析表明,扩散层的Fe-Al合金非晶相是在热浸镀铝后的冷却过程中形成的,非晶相的形成是共晶反应和界面扩散导致的。

20世纪80年代以来,人们已对稀土在热处理中的应用问题进行了深入细致的研究,相继开发了稀土硼共渗、稀土碳共渗、稀土碳氮共渗等新工艺。

研究结果表明:稀土不仅自身可以渗入钢中,同时稀土的存在可以加速非金属元素诸如碳、氮、硼的渗入过程。

此外,稀土的渗入也可改变各种渗层的某些性能从而基本形成了稀土渗入理论、催渗理论及对渗层的改性作用理论。

对热浸镀渗铝来说稀土元素的加入,增加了镀液的流动性,净化了钢基表面,从而提高了镀液的浸润性和镀层的附着力。

稀土元素还能使镀渗层组织均匀,细化晶粒,细小的共晶组织能阻止裂纹的扩展,从而降低镀渗层脆性。

从已报导的研究结果可以看出,加入适量的稀土元素在热浸镀渗层中将会有效地改善镀层耐蚀性、耐高温氧化性、成形性和装饰
性。

高化伟[15]研究了热浸镀铝液中添加微量稀土元素对低碳钢热浸渗铝时铝的扩散系数的影响,结果表明:稀土元素能增大铝原子的扩散激活能,降低铝原子的扩散系数。

张伟等[16]研究了稀土对Al
2O
3
/镀铝层界面空洞生长和抗高温氧化性能的影响,
结果表明:渗铝稀土试样单位面积上的空洞数量少于渗纯铝试样。

稀土可抑制界面空洞的形核和生长,阻止空洞向渗层纵深扩展,提高渗铝钢的抗高温氧化性能。

文九巴等[17]研究了添加稀土铈对热浸镀渗铝钢耐高温氧化性能的影响,结果表明:在所研究的0%～1%的范围内,随着稀土含量的增加,渗层的耐高温氧化性能逐渐提高。

2人们在熔剂法热浸镀铝工艺方面做了大量的工作，并相继研究出多种助镀剂、表面熔剂，以改善钢材浸镀铝的表面质量，提高镀层与基体的结合力。

熔剂法热浸镀铝的应用要优于Sendzimir法，因而对熔剂法热浸镀铝工艺进行研究是十分必要的。

国内外很多学者对助镀剂、覆盖剂以及Fe-Al金属间化合物的形成机理作了大量的研究。

助镀剂作用及机理
熔剂法以使用专用的助镀剂及熔剂为其工艺特点。

助镀处理是将上个工序来的钢材浸入专门的助镀剂中，以在钢件表面生成一层助镀薄膜。

助镀处理的作用在于：进一步清除钢材表面上的残存污物，以达到更净化的目的；防止钢材表面与空气中的氧接触时再次生成浮锈；进一步活化钢材表面，提高镀铝液对钢材的浸渍能力，即提高钢材的镀覆性能。

从这个意义上说，热浸镀铝用的助镀剂，不一定要有“助镀”作用（有最好），只要不起阻碍作用即可。

助镀熔剂性能的优劣直接影响着镀层的质量。

经酸洗除锈后的钢材若不及时助镀，表面很快被氧化形成疏松的氧化膜。

该膜因有阻止铝液与钢基体的润湿性接触的特点，易造成镀件出现漏镀、假镀现象。

因此，助镀是热浸渗铝的最关键工序，必须重视对助镀剂的研究。

水溶性助镀剂，首先应使钢件表面活化，提高铝与钢之间的浸润能力；其次应保持钢件经助镀、干燥后在空气中不被氧化。

分析表明，熔剂法热浸镀铝的关键是使净化的钢表面在镀铝前先粘附一层助镀剂保护膜，这样可以减少钢基
体镀前氧化，同时在镀铝时活化钢表面提高铝对钢的浸润性。

铝液成分
在热浸铝中，为了提高渗件的使用性能，在铝液中常添加一些其它元素，以满足不同的使用要求。

镀铝合金的组成对扩散层厚度和性质有较大的影响。

加入铝液中的各种元素，有些可改善镀铝过程，有些对镀铝不利，有些则无影响。

例如，锌、硅、镁、稀土等都对涂层的性能有影响。

硅
硅常被用作镀铝熔融合金的添加元素，可降低铝液的熔点，降低铝液的粘度，增加其流动性，因而能使镀层的整体厚度变薄，还可提高镀铝层的耐蚀性。

镀液中的硅对镀层的影响主要体现在可以降低化合物层的厚度[18-24]。

添加硅的作用机理是硅填充了Fe ,Al结构中的原子空位、阻碍了铝原子的扩散[24]。

硅对Fe-Al金属间化合物层脆性相Fe, Al生成有抑制作用，使铁铝金属间化合物层厚度减薄，向铝液中添加0.25 %~6 %的硅，金属间化合物层减薄大约为4 %~7.5 %。

当以含7 %~9 %的Al-Si合金为镀液浸镀钢件时，镀层厚度大约为25 μm，镀层质量为76g/m，相当于纯铝液层的一半[25]。

国外一般称这种含硅镀层为Ⅰ型镀层，纯铝镀层为Ⅱ型镀层[26]。

在钢丝热浸铝中，加人少量的硅，可以提高钢丝的延展性，硅含量过高时，使耐腐蚀性降低，一般硅含量以2 %~5 %为宜。

硅含量进一步提高时，这种影响逐渐降低。

铍
铍作为合金元素在降低金属间化合物层厚度方面的作用比硅更有效。

镀液中加人0.6% 的铍，Fe-Al金属间化合物层厚度可以降低83 %[19]。

铍元素有毒且价格比较昂贵，因而实际应用受到了限制。

铜
铝液中添加铜元素含量可抑制合金层的生长，其作次于硅和铍。

但必须控制铜元素的添加量，铜的加入可降低金属间化合物层的厚度，但是却同时也降低了镀层的耐腐蚀性，当添加量大于3 %时，会降低热浸镀铝层的耐蚀性。

此研究方法的缺陷
1此研究方法虽然添加了许多微量元素以提高热浸镀铝合金的延展性、抑制合金层生长等相关性能，但未能提高合金层的强度、抗高温氧化性等相关性能。

因此，我们在研究多种助镀剂、表面熔剂，以改善钢材热浸镀铝的表面质量，提高镀层与基体的结合力，提高合金表面的延展性等相关性能的同时也要去提高镀层的强度、耐腐蚀性及抗高温氧化性等一系列性能，从而得到高性能的热浸镀铝合金。

2热浸镀铝层中可能存在针孔，结果致使已有的热浸镀铝产品其抗腐蚀性能没有达到理论上铝合金材料的水平。

解决方法
1 镁
微量镁使镀层中的第二相显著细化，这减少了作为阴极的第二相和夹杂物上的阴极电流密度，减少了阴极极化程度[27]，一般认为镁的含量在0.3 %左右为好。

铝液中添加质量分数大于0.5 %的镁，可使合金层厚度减小。

镁的加入可提高合金层的强度。

铬
铬的加入能提高钢的耐腐蚀性及抗高温氧化性，加入少量，一般以4%左右为宜。

加入量过少，对渗铝钢性能的提高不明显，加入量过多，会增加渗铝温度，铬的加入可使熔铝的使用温度提高100 ℃~200 ℃。

2用二浴法消除热浸镀铝层中的针孔，所谓二浴法就是用两台加热炉，一台炉用来加热熔融溶剂，另一台加热熔融铝。

热浸镀铝时镀件现在熔融溶剂中被加热到与吕液相同的温度，然后再浸入铝锅中镀铝的方法，其工艺流程为：镀件→
除油→除锈→水洗→助镀→烘干→熔融溶剂处理→热浸镀铝→冷却→后处理。

与其他热浸镀铝方法相比，就是镀件在助镀后增加了一道在700摄氏度的熔融溶剂中处理的工序。

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