熱鍍鋅工藝操作手冊

添加時間:2014-10-5 19:20:09   【標簽:】 關注:
一、熱鍍鋅的作用:
熱鍍鋅又叫熱浸鍍鋅,是對鋼鐵及及鑄鐵材料進行化學和電化學防護的方法之一.
熱鍍防腐原理,在潮濕的空氣、在含有二氧化碳及含有氧的水中,鍍鋅層表面將覆蓋一層主要由堿式碳酸鋅組成的白色.由于鍍鋅層的電位比鋼鐵件基體的電位(鋅的電位值-0.76伏,鐵的電位值-0.43伏)低,所以當鍍層與基體形成原電池時,鋅受到侵蝕而鋼鐵基面得到保護,這種保護方式通常被稱為電化學保護.
二、熱鍍鋅的原理:
熱鍍鋅和電鍍鋅不一樣.電鍍鋅是在電解過程中,使陰極上形成鋅的鍍層.實際上,電鍍鋅是使鋅原子逐漸沉淀的一個沉積過程.即在開始電鍍時,在鐵基表面生成細微的小結晶核,這種單個的結晶核隨著電鍍時間的延長而增加,最后連成一片而形成了鍍層.與此截然相反,熱鍍鋅不是沉積過程,而是鋅對鐵的溶解過程,是熔融鋅液對鐵的溶解而形成的一種鍍層.熱鍍層的形成是經過以下步驟實現的:
a.鐵基表面被鋅液溶解.
b.鐵在被鋅液溶解的過程中形成鐵鋅合金,并繼續擴散.
c.在鐵鋅合金層的表面包絡著鋅層.因此,經過去污除銹的鋼鐵材料,直接浸入熔融的鋅液中得到的這種鍍鋅保護層,結合非常牢固.同時,它的擴散能力與覆蓋能力遠比電鍍鋅要好.所謂擴散能力和覆蓋能力,就是鍍層在被鍍材料表面上的均勻和完整性.擴散能力又叫均鍍能力,它是指鍍層厚度的均勻分布能力;覆蓋能力又叫深度能力或著落能力.
三、熱鍍鋅的基本工藝過程:
分類---酸洗---水洗----浸溶劑---烘干---浸鍍----冷卻----鈍化------整修---打包
鍍前處理:工件分類:在工件進場后,首先要把有油漆、油污的工件挑選出來做脫脂處理(脫脂分機械法、火焰法、化學法)然后仔細觀察工件有窩氣或兜鋅,如發現有要選擇合理的穿掛方法以避免窩氣、兜鋅現象.不符合要求應聯系廠家做合理的開孔處理.
1.對進廠需鍍鋅材料編號(編號要簡介,內容包括時間、廠家及地點),方便在下個工序及以后質量跟蹤,做到責任明確。
2.由于部分油漆、瀝青、油脂等無法鍍上鋅,而造成鍍后局部缺陷。故鋼件進廠后詳細檢查是否有不當的油漆、瀝青、油脂等通知廠家前來予以去除。
3.為了避免鍍鋅局部缺陷,鍍鋅廠予脫脂前應檢查是否有殘留附者焊接的焊渣,并通知加工部門予以去除。
4.由于鍍鋅后不能在補焊,予脫脂前必須檢查是否有焊接裂縫,并通知廠家進行修補。
5.由于鍍鋅后不能加熱整形,脫脂前必須詳細檢查是否有變形,并要求廠家進行整形。

6.確認吊耳已裝置。通氣孔是否留及大小位置是否正確。

四.酸洗:
鋼鐵是容易氧化和腐蝕的金屬,其表面一般都存在氧化皮和鐵銹.鋼鐵表面常見的氧化物有氧化亞鐵(FeO,灰色)、三氧化二鐵(Fe2O3,赤色)、含水三氧化二鐵(Fe2O3.H2O橙紅色)和四氧化三鐵(Fe3O4,藍黑色)等.熱浸鍍鋅前應將鋼鐵表面的鐵銹除盡,否則將影響助鍍效果,甚至產生漏鍍.
A:酸洗原理:鋼鐵表面因大氣腐蝕產生的鐵銹,一般是氫氧化亞鐵與氫氧化鐵,因高溫而產生的氧化皮,則主要是四氧化三鐵、三氧化二鐵.鐵的氧化物都很容易與酸作用而被溶解.以鹽酸為例其反應如下:四氧化三鐵與三氧化二鐵在硫酸和室溫下的鹽酸溶液中都較難溶解,但當與鐵同時存在時,組成腐蝕電極,鐵為陽極,與氧化皮接觸處的鐵首先溶解,并產生氫氣,促使氧化皮從鋼鐵表面脫落.同時析出的氫把四氧化三鐵、三氧化二鐵先還原為氧化鐵在發生反應而溶解.
B:酸洗除銹過程中析出氫,對鋼件有不利的影響.因為氫原子易擴散到金屬內,引起氫脆,導致金屬的韌性、延展性和塑性降低.而氫分子從酸溶液中逸出時,而造成酸霧,影響環境.為克服這些缺點,生產中常在酸洗液中加緩蝕劑、潤濕劑、 抑霧劑等加以改善.
C:常用的酸洗方法:鹽酸是目前的熱浸鍍鋅企業較廣泛的一種酸洗原材料.現在市面上出售的通常為30%--32%,相當于含有345-372g/LHCI.在酸洗有配方中傳統的方法,鹽酸進廠后直接使用,隨著鐵含量的增加酸洗速度越來越慢,這時在舊酸里面添加新的鹽酸來延長酸的壽命.現在大部分廠家在鹽酸進廠后加水稀釋至10-16%的比例,這樣剛開始酸洗速度稍慢.隨著鐵含量的增高速度越來越快,當FeCl2含量達到200-250g/L后酸洗速度降低,當 FeCL2達到350-380g/L時酸洗速度明顯減慢,這時就可淘汰或再生處理.緩蝕劑(無洛托品、硫脲等)的加入量為0.001--0.05%.表面活性劑的加入量:乳化劑(OP-L0等)0.05--0.1%.
D: 酸洗時間視工件銹蝕程度而定(一般10分鐘檢查一次是否酸洗干凈)。
五、溶劑助鍍:

溶劑助鍍是熱浸鍍鋅前處理中一道重要處理工序,他不僅可以彌補前面幾道工序可能存在的不足,還可以活化鋼鐵表面,提高鍍鋅質量.這是其他鋼鐵防腐工藝中所沒有的.它的好壞,不僅直接影響鍍層質量,還對鋅耗成本有很大影響.

早期有許多企業并未采用溶劑助鍍,往往在制件經過鹽酸洗和完全干燥以后,就直接浸到鋅液中進行熱浸鍍鋅.這種操作是不可靠的.容易產生漏鍍.另外,產生較多的鋅渣,因為酸后的制作上往往表面覆蓋有一層鐵鹽(呈FeCI2存在).這種鐵鹽會與鋅液起反應:FeCI2+8Zn7=FeZn7+ZnCI2.
這樣將產生出比鐵鹽本身重量大很多倍的鋅渣,造成鋅耗增加,影響鍍鋅質量.因此這種老式干法鍍鋅是不可取的,已基本被淘汰.現在最常用的采用氯化鋅和氯化銨混合溶液作為溶劑來助鍍.
1.助鍍的作用機理
所謂助鍍就是將酸洗后的制件再浸入一定成分的氯化鋅銨助鍍液中,提出后再制件表面形成一層薄的氯化鋅銨鹽膜的過程.
(1)助鍍的作用
1)對鋼鐵表面起到清潔的作用,去除鹽酸洗清后殘留再制件表面的鐵鹽或氧化物,使鋼鐵件再進入鋅浴時最大的的表面活性.
2)再制件表面沉積上一層鹽膜,可防止制件從助鍍池到進入鋅鍋這一段時間內在空氣中銹蝕.
3)凈化制件浸入鋅浴處的液相鋅,使制件與液相鋅快速浸潤并反映.
(2)制作表面覆蓋的氯化鋅銨鹽膜的活化作用

1】低于200℃時,在制件表面會形成一種復合鹽酸,近似形式為H2[Zn(OH)2CI2],這是一種強酸,從而保證再干燥過程中制作表面無法形成氧化膜而保持活化狀態.
2】在200℃以上時,制作表面助鍍液鹽膜中的NH4CI會在較高溫度下分解成NH3和HCI,此時HCI對鋼基體的侵蝕占了主導,使鋼基體表面不能形成氧化物,保持鋼基體的活化狀態.故在熱浸鍍鋅時正確使用含有NH4CI的助鍍劑是很重要的.
2.助鍍劑成分范圍及工藝參數
助鍍液質量濃度一般指助鍍液中氯化鋅和氯化銨的總質量濃度,對于助鍍液,除了對其質量濃度需要控制外,氯化氨與氯化鋅的比例、溶液中的二價鐵鹽(通常以FeCI2計)含量、pH值、溫度以及雜質含量等因素均會對助鍍效果產生較大影響.
3.助鍍劑成分及工藝參數的影響
(1)助鍍劑質量濃度.助鍍劑質量濃度的高低對助鍍效果影響較大.當助鍍液質量濃度在(氯化氨低于100g/L,氯化鋅低于40克/L)時鍍件浸鋅蝕容易產生“漏鍍”;當助鍍液質量濃度偏高(氯化氨高于200g/L,氯化鋅高于150g/L)時,由于制作表面鹽膜過厚,不易干透,在浸鋅時將引進鋅的飛濺,產生更多的鋅灰、更濃的煙塵,以及更厚的鍍層;當助鍍液質量濃度過高(氯化氨高于250g/L,氯化鋅高于180g/L)時,制作表面形成的鹽膜層將分成內外兩層,外層薄而干,內層潮濕且呈糊狀.這種新增鹽膜結構不易干透,而當鹽膜中的水與高溫鋅浴接觸時,會因水的迅速汽化而引起強烈的爆鋅.為避免鋅的飛濺,制作只能緩慢的浸入鋅浴,使浸鋅時間延長,造成鍍層厚度增加.因為,助鍍液的質量濃度并不是越大越好,應控制在一定的范圍,通常為氯化氨150--180g/L,氯化鋅80--130g/L.現在有些廠家使用防爆劑濃度可降低些.(2)氯化銨與氯化鋅的比例.氯化銨助鍍效果明顯,但其分解溫度低,受熱時易分解失效,故制件浸助鍍液后的烘干溫度不宜超過140℃.另外,制件表面助鍍鹽膜中的氯化氨還會引起較大煙塵.氯化鋅容易受潮,但熱穩定性較好,浸鋅時產生煙塵較少.因此,兩種鹽按一定比列混合后可通過互補產生較好的效果,當助鍍液質量濃度一定時,氯化氨與氯化鋅的比例不同,助鍍效果也不同.
一般來說,當氨鋅比例小于1時,制件浸助鍍液侯形成的鹽膜不能很快干燥,并且容易在空氣中吸潮.當帶有濕鹽膜的制件進入鋅浴中,會引起爆鋅.然而,銨鋅比越低制件表面鹽膜的熱穩定性越好.故助鍍后烘干條件較好時,宜采用銨鋅比低的助鍍液.當銨鋅比大于2時,則制件表面鹽膜熱穩定性較差,同時由于鹽膜中氯化氨含量較高,宜產生較多煙塵.在歐洲,制件烘干時采用烘干爐設備,烘干溫度高,助鍍液通常采用雙鹽ZnCI2●2NH4CI溶液,銨鋅比約為0.8.而在美國及日本,助鍍后制件很少采用有效的專用烘干設備,而主要依靠從助鍍池中到處的余熱使制件干燥,故通常采用三鹽ZnCL2●3NH4CL溶液或四鹽ZnCI2●4NH4CI溶液,銨鋅比約為1.2~1.6.國內熱浸鍍鋅企業通常不采用烘干或烘干效果不佳,同時考慮使用成本的問題,推薦采用1.2~1.6銨鋅比.
一些企業常常將返鍍件不經酸洗而直接浸助鍍液后在鍍,這個過程會使溶液中的氯化鋅增多.另外,還有企業會將飛濺在外的鋅滴、鋅灰甚至鋅渣加入助鍍液中,這樣均可以使助鍍液中的氯化鋅含量、銨鋅比下降,pH值和波美度升高.要進行這些操作時,應注意溶液的含量、銨鋅比以及pH值變化情況.

這就需要加強對助鍍液的檢驗工作,定期分析助鍍液中的氯化鋅及氯化銨的質量濃度,及時調整.(3)二價鐵鹽.助鍍液中的鐵鹽是由經過酸洗的制件帶入和制件浸在助鍍液中反應生成的,這些二價鐵鹽在助鍍液中完全溶解并不斷積累.當助鍍中的鐵鹽再帶入鋅浴,則會與鋅形成鋅渣,造成鋅耗上升.通常1份鐵會消耗25份的鋅來形成鋅渣.故必須控制溶液中的二價鐵的含量.一般助鍍液中的FeCI2質量濃度宜控制在1g/L以下,一些歐美國家熱浸鍍鋅企業控制在0.5g/L以下.溶液中的FeCI2質量濃度可通過重鉻酸鉀標準滴定的方法檢測.
當助鍍液中的Fe2+含量過高時,應予以去除.目前常用的方法有兩種.一種是倒槽法,即將需去除Fe2+的助鍍液全部轉入另一個槽中,測定溶液中Fe2+含量,用氨水調整溶液pH值為5.7 再加入計算好的適量雙氧水,將Fe2+氧化成Fe3+,以形成Fe(OH)3沉淀去除.整個沉淀過程往往需要較長的時間才對助鍍液中的Fe2+清除一次,溶液中的Fe2+含量波動較大.另一種方法是采用溶劑除鐵設備,將助鍍液連續不斷抽入專門的除鐵設備中,利用氧化劑或空氣將Fe2+氧化成Fe3+,再經過沉淀器沉淀后,過濾溶劑返回助鍍池中.整個過程不斷循環,可以將溶液中的二價鐵鹽含量維持在較低的水平.
(4)PH值.助鍍液的pH值問題往往是熱浸鍍鋅企業容易忽略的.助鍍液適宜的pH值范圍為4~5.這個pH值范圍的助鍍液可以給酸洗后的制件表面進一步清潔,彌補酸洗時可能存在的不足..當pH值低于4時,會使制件在溶液中腐蝕而產生過量的Fe2+,pH值越低,這個情況越嚴重;pH值超過5,會使清潔表面的效果變差.pH值過高時,還可能使Zn(OH)X析出,使助鍍液有效含量下降,出現漏鍍.
溶液pH值的測量應選用在pH值4~5范圍內具有非常明顯顏色的差別的精密pH試紙,也可采用pH計.溶液pH值的調整可通過添加新鹽酸或氨水來實現.往助劑池中加入鋅滴、鋅灰或鋅渣,會引起助鍍液中的pH值快速變化,因此,更應該注意溶液pH值的變化,及時作出調整.
(5) 助鍍劑的溫度控制.助鍍液的溫度宜控制在60~80℃.溫度低于60℃時,提出助鍍池后的制件表面助鍍鹽膜不容易干透,易引起爆鋅;溫度過低使還會引起溶液沒有足夠的活性清潔的制件表面,同時沉積在制件表面的鹽膜也不充分,助鍍液的效果變差,需要增加助鍍液的質量濃度.溫度高于80℃使,會造成在助鍍液在制件表面過度沉積沉聲雙層鹽膜結構,會造成爆鋅,鍍層增厚及鋅灰增多,更高的溫度還將消耗更多的熱能,故助鍍液溫度并非越高越好.

制件應在助鍍液中保持3~5min使制件在溶液中充分清洗并使制件盡量熱透.這樣較熱的制件提出助鍍液后,其表面的助鍍液鹽膜可以很快干透.
(6)溶液中的雜質含量.熱浸鍍鋅實踐表明,助鍍液中含有質量分數超過1%的NaCI或KCI等雜質,會引起助鍍效果降低,造成漏鍍返鍍件大大增加.雖然有關無煙助鍍液的研究中提到,在助鍍液中不加NH4CI而加入NaCI或KCI有助于減少浸鋅時煙塵的產生,但研究仍處于實驗階段,未有世界的工業應用.
另外,配助鍍液的水質也需要注意,水質太硬,即含鈣、鎂等離子過多也會影響助鍍效果.
4.鋅浴中含鋁量的影響
當熱浸鍍鋅浴中含一定量的鋁時,由于鋁會與助鍍鹽膜中的NH4CI反應生成無助鍍效果的ALCI3 使助鍍鹽膜的作用減弱,嚴重時導致鋼不能被鋅浴浸潤,形成漏鍍區.對于一定工藝條件下的助鍍液(主要是NH4CI的含量)鋅浴有一個最大的:“安全”含鋁量.根據多家工廠的實踐結果,鋅浴中Al≦0.006%~0.007%時,助鍍液中的氧化鋅銨總質量濃度維持在180~250g/L是“安全”的.當鋅浴中的鋁量偏高時,助鍍液中的NH4CI質量濃度應加大.
當鋅浴中的含鋁量較高時可在助鍍液中添加冰晶石Na3AIF6,這種化合物有溶解氧化鋁的能力.在助鍍液中添加Na3AIF6使Na3AIF6,可以使AI小于0.04%的鋅浴表面形成一層薄的氧化物覆蓋層,即可防止鋅浴氧化,又不影響助鍍效果.
5.煙氣控制
當氧化鋅銨助鍍劑與鋅浴接觸時會產生濃煙,雖然這種煙氣對人并無毒害但影響生產車間的操作環境,應該盡可能減少到最低程度,通過助鍍劑煙氣除塵系統,可以將所生產煙氣的75%~95%抽出并進行除塵處理,這是目前歐美國家普遍采用的一種方式,但運行費用較高.另外,無煙助劑的開發也在深入進行,但尚未有工業應用.
六、烘干
當表面未干的制件浸入鋅浴時,上面的水與高溫的鋅浴接觸迅速汽化,引起鋅液爆炸飛濺.因此,在助鍍后,対制件還應采取烘干工序,以使附有助鍍劑的制件盡可能地干透.
由于制件表面助鍍劑鹽膜中的氯化銨容易分解,烘干溫度通常不宜超過15
0℃,否則制件只能較長時間的放于烘干坑中,這樣容易造成制件表面助鍍劑鹽膜中的氯化銨吸潮.
烘干常用的方式有熱板烘及熱風吹.熱板烘時煙氣或其他熱源加熱烘干坑底部的鑄鐵板或厚鐵板,利用空氣導熱將制件烘干.這種方式烘干效率不高,容易造成烘干炕底部溫度過高而使靠近底部的制件表面助鍍劑失效,而烘干炕頂部因溫度低而使靠近頂部的制件表面助鍍劑不能干透.其優點在于以煙氣作為熱源方便簡單.可利用煙氣余熱加熱置于煙道中換熱氣中的空氣,再用風機將熱空氣吹入烘干坑中.其缺點是需要額外加一臺風機增加成本.
總的來說,如制件結構復雜、體積龐大,烘干效果往往不太理想.而將助鍍溶劑溫度控制在70°C,有利于制件快速干透,效果比較明顯.
七、熱浸鍍鋅
鍍前處理的目的是提供潔凈的制件與鋅浴自由的反應形成連續的、附著性好的鍍層.如果制件已經很好的進行了鍍前處理,那么在鋼鐵制件上表面獲良好鍍層就取決于鋅的質量、鋅浴成分、鋅浴的溫度、浸鋅的時間、鍍件從鍍鋅鍋中鋅時間和提升速度等條件.低碳鋼制件鍍層重量與鋅浴溫度、浸鋅時間和提升速度制件的關系可看出,鋅浴溫度增高、浸鋅時間延長及提升速度增大,將使鍍層厚度增大.
1.熱浸鍍鋅用鋅的質量要求
熱浸鍍鋅所用的鋅一般采用以鋅精礦和含鋅物料為原料,用蒸餾法、精餾法或電解法生產的鋅錠.熱浸鍍鋅用的鋅錠應該具有公認的等級、一致的成分,GB/T470---1997«鋅錠»所要求的鋅化學成分.從理論上來說,牌號在Zn98.7以上的鋅錠符合熱浸鍍鋅的要求.但在價格相差不大的情況下,通常熱浸鍍鋅企業采用的牌號為Zn99.995和Zn99.99級的鋅錠.選購熱浸鍍鋅用鋅錠時,尤其是選用重熔鋅時要特別注意,因為大多數重熔鋅中可能某種元素含量特別高,可能對熱浸鍍鋅生產危害.如鐵含量太高會產生鋅渣過多,鋁含量太高可能引起漏鍍等.
鍋底部墊一層鉛,已利于清楚鋅渣,此時鋅液中的鉛處于飽和狀態,常規鋅浴溫度.鉛在鋅中可溶解到pb為1%.pb>1%的鋅錠在使用上是沒有什么問題的,因為多余的鉛在鋅熔化是會沉到鍋底.根據研究結果,鋅浴pb<0.5%對熱浸鍍鋅產品質量有不良影響.近年來,由于歐洲各國政府對鉛的使用進行了限制,一些熱浸鍍鋅企業不再使用PW級鋅錠,而大多采用SHG級鋅錠.
鋅錠的化學成分(摘自GB/T 470--1997«鋅錠»)


2.鋅錠的檢驗
(1)表面質量.鋅錠表面不允許有熔洞、縮孔、夾層、浮渣及外來雜物,但允許有自然氧化膜.
(2)化學成分.對于每批次的鋅錠,按等間隔抽取6~20塊,將抽取的樣錠分組,每組樣錠最多為10塊.樣錠按長邊相靠并排擺放,第一塊澆鑄面向上,第二快澆鑄面向下,依次交替排列成矩形,在此矩形上劃出兩對角線.再把每塊鋅錠表面等分成該組錠數加L個相等的部分,劃出平行于錠長變的等分線.等分線與對角線的交點為鉆孔取樣的位置,即第一塊鋅錠在第一條等分線交點上鉆孔,第二塊鋅錠在第二條等分線交點上鉆孔,依次類推.
取樣用直徑ø10~ø15mm鉆頭,鉆孔時不得使用潤滑劑,鉆孔速度以鉆屑不氧化為宜,去掉表面鉆屑,鉆孔深度不小于樣錠厚度的三分之一.


錠樣鉆孔位置示意圖
將所得鉆屑減碎至2mm以下,混合均勻,用磁鐵除盡鐵質后進行化學分析.
3.混合元素的添加
a.鋁的添加
在熱浸鍍鋅時,常常會在鋅浴中加入少量鋁,它可以起到下列作用:①提高鍍層光亮性;②減少鋅液面鋅的氧化,減少鋅灰的產生.然而,如果鋅浴中鋁含量控制不好,不但不能夠提高產品質量,反而會造成鍍層表面出現顆粒,甚至漏鍍等缺陷.
(1)對鍍層光亮性的影響.鋅浴中加入少量鋁可使鍍層表面的純鋅層更光亮.由于鋅浴中的AI被選擇性氧化而使表面形成一層連續的AI2O3膜,對鋅層提供可一個物理屏障而阻止了鋅被空氣氧化,有利于保持鋅的金屬光澤.實驗表明,當鋅浴中Al在0.001%,鍍層光亮性就會顯著提高;但鋅浴中0.001%--0.005%時,對鍍層光亮性的作用隨浸鍍溫度、制件提升速度等因素影響而變得不穩;鋅浴中Al超過0.005%后,鍍層的光亮性隨鋁含量增加穩步提高,并在鋅浴中Al超過0.02%左右達到最高值,Al超過0.02%后鍍層光亮性不再提高甚至會緩慢下降.因此,在熱浸鍍鋅生產中,為提高鍍層光亮性,可在鋅液中加入鋁使Al為0.005%~0.02%.
(2)對鋅渣及鋅灰的影響.鋅浴中Al為0.005%~0.02%.時,通常不會形成密度低而浮于表面及鋅浴中的富AI浮渣.同時,鋅灰會減少,這是由于在鋅浴中含有鋁而在表面形成了一層AI2O3的保護層,阻止了鋅被氧化形成鋅灰.
(3)對助鍍劑的影響.常規熱浸鍍鋅助鍍劑通常采用的是氧化鋅銨,由于AI會與氧化鋅銨中的NH4CI發生反應生成AICI3使助鍍作用減弱或失效.
(4)鋅浴中鋁的添加方式.鋁的熔點為658.7℃,在450℃鍍鋅溫度下,鋁的溶解擴散速度很慢.同時,鋁在空氣中容易被氧化而在表面形成一層致密的AI2O3保護層,阻止了鋁在鋅浴中的溶解擴散.因此,在鋅浴中直接采用添加鋁錠使不可取的,因為鋁錠的表面氧化膜使鋁很難溶解在鋅液中,一旦溶解,又易使鋅浴局部鋁含量過高,這樣既容易形成浮渣有可能造成局部助鍍劑失效而出現漏鍍.故鋅浴中鋁的添加宜采用Zn-AI中間合金的添加方式,這種中間合金中AI一般為3%--5%.
為了使鋁能夠迅速充分的混合,要將合金裝入帶孔的容器中投到鋅鍋底部.另外,還需要經常地添加以補償鋁的損失(由于氧化和鍍層上的消耗),添加的量和次數必須根據每次鋅浴的化驗結果而定.為了防止鋁過量,添加時宜采取“少而勤”的原則(如每班添加兩次).為了快速確定鋅液中的含量的情況,可取少量氯化銨晶粒撒在輕微氧化的鋅液表面上.當Al低于0.007%時,氧化膜被溶解,晶粒自由移動;而當鋁含量較高時,晶粒便停在表面上不動,而且漸漸揮發.
b.鎳的添加
目前,越來越多的熱浸鍍鋅企業在熱浸鍍鋅時,在鋅浴中加入少量鎳,它可以起到下列作用:①抑制小于0.25%鋼在鋅浴中的異常鐵鋅反應,減小這類鋼出現灰暗、超厚、粘附性差的鍍層;②提高鍍層光亮性.但鎳的添加過量,可能會在鋅浴中出現顆粒增加及浮渣現象.
(1)對鍍層組織的影響.鋅液中加入大約為0.1%的鎳可降低鐵鋅反應速度,消除活性鋼鍍鋅時相符的異常生長,使鍍層粘附性提高,表層可形成連續的η相自由鋅層,鍍層外觀保持光亮.
在鋅浴中加入鎳為0.04%--0.12%的鎳時,能起到減緩或消除Si小于0.25%活性鋼的圣德林效應的作用,并隨著加入鎳量的提高其作用則越明顯.但對高硅鋼(Si>0.25%),鋅浴中鎳的加入對減薄鍍層的效果不大.
(2)對鍍層性能的影響.鋅浴中加鎳可提高鍍層中ζ相層的硬度,這可能時ζ相與η
相之間出現了富鎳相引起的.硬度的提高使鍍層耐磨性得到得到提高,可減少鍍件在搬運、貯存、運輸及使用時鍍層因碰撞或摩擦損壞.對鋅鎳合金鍍層鋼管進行與常規鍍鋅鋼管相同的彎曲操作,鍍層不發生任何損壞,其加工性能保持不便.對該鍍層進行沖擊實驗也可驗證其具有良好的粘附性能,鋅鎳合金鍍層的耐蝕性與鍍鋅層基本相當.
(3)對鋅渣及鋅灰的影響.鋅浴加鎳會使鋅渣增加.由于制件及鋅鍋上的鐵不斷溶入鋅中,使鋅浴中鐵含量增加,在450℃時鐵在鋅中的溶解度為0.03%,當鐵含量超過該值時,便會生成FeZnI3金屬間化合物沉入鍋底形成鋅渣.當鋅液中加入Ni0.06%--0.10%的鎳后,鐵的溶解度將下降,這意味著加鎳促使一部分鐵形成鋅渣.為減少鋅渣的形成,鋅浴含量應盡量減少.鋅渣由原先的Zn-Fe二元合金相轉變為Zn-Ni-Fe三元合金§相.
鋅浴加鎳后鋅灰的生成量會減少.
(4)鋅浴中鎳的加入方式.由于鎳的熔點大大高于鋅,鋅浴中添加鎳,往往需要首先轉化成鋅鎳中間合金或采用鎳粉直接合金化技術.目前國際上曾采用的鋅鎳中間合金由Zn-1%Ni、Zn-0.5%中間合金和Zn-0.24%Ni預合金.
表中為幾種常用的鋅鎳合金及鎳粉在熱浸鍍鋅中的使用特性.


由于鎳加入鋅浴中,鍍層、鋅渣中所帶走的鎳量均大于鋅浴中的含鎳量.當鋅浴中Ni為0.055%--0.06%的范圍時,鍍層中的含鎳量比鋅浴中更高;而鋅渣中Ni為0.5%,比鋅浴中高出10倍,若形成Γ2相浮渣,含鎳量將更高;鋅灰中Ni約0.04%,略低于鋅浴中.因此,要維持一定鎳含量的鋅浴,鋅鎳合金的實際加入量要高得多.這樣涉及到鎳的有效利用率問題.
早期有報道稱當鋅浴中剛加入Zn-2%Ni合金時,鋅浴中的鎳含量很快上升,但持續的添加,鎳的有效利用率(鋅浴中的鎳含量與添加量之比)降低很快,僅為20%~30% .Zn-0.5%Ni和0.24%Ni預合金最早時用于維持鋅浴中較高含鎳量(Ni為0.08%~0.2%)而產生的,預合金的意思就是直接使用而不再與純鋅進行稀釋.但后來由于鋅浴中鎳的使用含量降低,Zn-0.5%Ni合金也就作為中間合金使用了.由于Zn-0.5%Ni合金中NiZn8,金屬間化合物相量較少且分布更均勻,故鎳的有效利用率更高,有報道稱可達到33%,但使用該合金的成本是Zn-2%Ni合金的2倍以上.Zn-0.24%Ni合金接近共晶成分,它的熔點低,可迅速溶解于鋅浴中,但這種合金使用成本過高而未被廣泛采用.
目前國外使用較多的為Zn-0.5%Ni合金,而國內處于出于成本的考慮,使用較多的仍為Zn-1%Ni合金.
鎳粉直接合金化使由加拿大Cominco公司研究開發的.采用該技術設備制作簡單、成本低.操作方便,但在目前尚未取得廣泛應用.
C.稀土的添加
1、稀土在熱鍍鋅中應用的起源和發展
關于稀土在熱鍍鋅行業中的應用,最早是由國際鉛鋅研究組織(ILZRO)與Leige 冶金研究中心(CRM)開始研究,并于1980 年研究成功了Zn - 5 % Al- 0.05% RE 熱鍍鋅鋁稀土鍍層—Galfan 鍍層.1982 年,法國的Fical 公司實現了鋼絲熱鍍Galfan 鍍層的工業化生產.該鍍層成型性、耐腐蝕性、附著性等均較傳統熱鍍鋅層好,鍍層致密均勻,鹽霧試驗及SO2 氣氛試驗結果均顯示其耐腐蝕性較傳統鍍層高出很多.1984 年,美國內陸鋼鐵公司公司和比利時Leige 冶金研中心,聯合研究生產的Galfan 合金鍍層鋼絲,其鍍層平均厚度12μm,耐大氣腐蝕相當于20μm 的傳統鍍層,鹽霧試驗結果表明,其耐腐蝕性比鍍鋅絲高出2~3 倍.到上世紀90 年代,隨著人們對鍍鋅材料需求量的不斷擴大,Galfan 合金鍍工藝獲得了飛速的發展,取得了巨大的成功.
2、稀土元素對熱鍍鋅層的作用和影響
在鋅浴中添加微量稀土后,熱鍍鋅鍍液的表面張力降低.按照非均勻形核的動力學條件,鍍液表面張力降低,導致固液界面的比表面能減小,形核臨界晶核半徑減小,提高了形核率,細化表面晶粒尺寸.鍍層表面晶界密度增加,雜質分布均勻,同時亞晶界逐漸變淺,使亞晶界的耐蝕性得到了一定的提高.但稀土的添加有一個最佳范圍,超過該范圍,鍍層的耐蝕性將隨著稀土的添加而降低,實驗表明,稀土添加的最佳范圍為不超過0.069 %. 合金加入微量稀土可提高鋼件與合金鍍層界面的浸潤性,使合金鍍層晶粒細化,減少晶間腐蝕.實驗表明,鍍層的耐腐蝕性能與所加稀土含量有關,當稀土加入量為0.06 %時,鍍層耐鹽霧腐蝕性能達到最佳.對鋅基合金中添加微量稀土元素對熱鍍鋅層性能影響的研究后發現,當純鋅中添加微量稀土元素后,由于稀土能凈化雜質,減少了合金中的活性陰極相,阻止了陰極過程的進行,從而提高了合金鍍層的耐蝕性.同時,合金中的稀土元素為表面活性物質,有富集表面的傾向,能在鍍層表面形成致密均勻的氧化層,阻礙了外界雜質原子向鍍層內部擴散,減緩鍍層的氧化和腐蝕過程.此外,微量稀土元素的加入,能降低鍍液的表面張力,降低形核臨界尺寸,使核心增加,為鍍液結晶提供了異質晶核,而未成為異質晶核的稀土元素,則富集在合金結晶前沿,阻礙晶粒長大,促使晶粒細化,使基體組織更細密,從而使鍍層的保護作用更強,同樣對阻礙外界原子向鍍層內部擴散起到作用,延緩了腐蝕過程.研究人員宋人英等對Zn 基熱鍍合金中微量稀土元素的作用和影響,進行了深入的研究.結果顯示,稀土能降低鍍液的表面張力,減小潤濕角,提高鍍液流動性,從而改善鍍層成型性;同時,稀土使鍍層合金組織更加均勻、細密,晶粒細化,且稀土對合金還有凈化和細化變質作用,能延緩合金表面的氧化作用;另外,添加微量稀土后,合金鍍層表面以ZnO 為主要成分的疏松膜層,將會轉變為以ZnCl2·4Zn(OH)2的致密膜層,且該膜層導電性差,能有效抑制腐蝕反應的進一步進行,提高鍍層的耐腐蝕性能.盡管目前對稀土的作用機理尚不明確,造成在實際操作時稀土添加量沒有一個統一的標準,但一致的觀點是:稀土含量不宜過高,一般不大于0.2%.
因為根據原子半徑相似相溶的固溶理論,稀土原子半徑比鋅原子半徑大得多,所以它在鋅液中的固溶度很小.若稀土添加量過多,過量的稀土可能會與Zn 發生反應形成Zn- RE 金屬間化合物,從而影響鍍層質量,并無謂地增加鋅耗和浪費稀土材料,而且也會造成鋅鍋的腐蝕加快.
3. 鍍鋅操作
由于目前國內熱浸鍍鋅企業均面臨一個較大的難題,就是客戶提供的鋼結構制件鋼材成分及類型千差萬別這就對熱浸鍍鋅操作提出了較高的要求.不同成分及類型的鋼結構制件需采用不同的熱浸鍍鋅操作工藝.適當的鍍鋅操作對獲得良好的鍍鋅質量及較低的生產成本是非常關鍵的.熱浸鍍鋅操作主要是對鋅浴溫度、浸入速度.浸鋅時間、提升速度以及扒鋅灰、撈鋅渣等操作步驟進行有效控制及實施.
a.鋅浴溫度
實踐表明,大多數制件在430~460℃的溫度范圍內熱浸鍍鋅能夠得到滿意的效果,而通常使用的工作溫度是450℃.熱浸鍍鋅的最低溫度應以在制件取出時鋅液能自由的從制件流下來為準.一般來說,鋅鍋容量大,一次鍍鋅制件量少,鋅液溫度可以低些.低的鍍鋅溫度可以減少硅對熱浸鍍鋅層的影響,減少灰暗、超厚度層產生,減少鋅灰和鋅渣的形成,并能保證鋅鍋的安全的節約燃料.鋅浴溫度過高,則鍍層厚度增加.鋅浴溫度從450℃升到470℃,鋼材浸鍍30s所產生的鋅渣將增加一倍,因為溫度越高合金層形成越迅速.但溫度過低會使鍍層太厚,鍍件不光滑,這是因為低溫下鋅液的流動性變差.因此,要想使產品質量良好同時鋅耗較低,就必須注重控制鋅浴的溫度.
鋼與鋅液反應的臨界溫度使495℃.當鋅浴溫度低于這個溫度、鋅鍋表面的鐵與鋅液形成的致密合金層附著于鋅鍋表面,這個合金可以減慢甚至至阻止鋅鍋與鋅浴的反應.當鋅浴溫度高于495℃,鋅鍋表面的合金層會被破壞而成為非附著的結晶,于是鋅將不斷地與鋅鍋中的反應,加快對鋅鍋的浸蝕,減少鋅鍋的壽命,同時也會產生更多的鋅渣.
為保護鍍鋅鍋及獲得良好的鍍鋅質量,準確的測量鋅浴溫度時很重要的.通常將熱電偶插入鋅鍋兩端的鋅浴中測量,并及時調節控制鋅鍋的加熱.
為了克服含硅的鎮靜鋼和半鎮靜鋼鍍鋅時出現灰暗、超厚及粘附性差的鍍層問題,除在鋅浴中加入合金元素外,在530~560℃的高溫下鍍鋅也是一種有效的方法.但此時由于鋅浴溫度太高,不能使用鐵制鋅鍋,而需采用耐火材料制作的鋅鍋,并需改變加熱方式.高溫鍍鋅通常只應于小制件的鍍鋅生產中.
b.浸入速度
在保證操作工人安全的前提下,制件浸入鋅浴的速度盡可能地塊.這就要求已處理好的制件應盡可能干透,否則會引起嚴重的鋅的飛濺,造成鋅耗增加且不安全.制件浸入的速度還影響著鍍層的均勻性,特別是長制件,若保持傾斜角度不變,先進入鋅浴的一端在鋅浴中浸沒的時間是不同的,可以采用“先進先出”的辦法來加以彌補.制件快速浸沒于鋅浴還有助于減少制件變形.
c.浸鋅時間
制件進入鋅浴時,表面的助鍍劑鹽膜將與鋅發生劇烈反應.一般來說,把制件進入鋅鍋中直至“沸騰”現象停止,即應立刻將鍍件取出來.這樣所獲得的鍍層在大多數情況下均可滿足標準要求.當制件浸入鋅浴后的前一兩分鐘,制件表面的鐵與鋅液之間的反應迅速進行,形成鐵鋅合金層,但隨著制件在鋅浴中浸泡時間延長,合金層的生長速度將逐漸減小.但如果是含硅活性鋼,其鍍層的增長與時間成正比,因此浸鋅時間應盡可能縮短.
d.扒鋅灰
由于制件表面助鍍劑鹽膜與鋅反應后,會在鋅浴表面形成一層鋅灰,在鍍件從鋅浴中取出之前,鋅浴表面的鋅灰必須去除,才能獲得光滑表面的鍍件.可用鋅灰扒將表面鋅灰輕輕扒至鋅鍋的兩端.鋅灰扒可用木板或薄鋼板制作.如果取出制件時鍍件表面粘附上鋅灰,將影響鍍件的外觀質量.扒鋅灰時應注意不要過于用力,使鋅浴面產生較大的攪動,這樣容易使鋅鍋內壁形成的鐵鋅合金保護層脫落,加速鋅鍋腐蝕.
e.提升速度
鍍件從鋅浴中提出時的提升速度,對鍍層的外觀及厚度均可能產生較大的影響.一般說來,對于大多數制件,適宜的提升速度大約1.5m/min.但對于不同材質不同類型的制件,提升速度也應作相應調整.對于含硅量較低的非活性鋼,在不影響生產效率的前提下,提生速度可以更低一些,這樣可以將制件表面的鋅液充分回流,所獲得的鍍件更平滑光亮,厚度更薄.但對于含硅量較高的活性鋼,需要較快地將鍍件提出,但提升速度太快,鍍件表面的鋅液來不及充分回流至鋅浴而凝結在鍍件上,形成毛刺、滴瘤和流痕,嚴重影響鍍層表面質量并使鋅耗增高.
鍍鋅時宜采用雙速的電動起重機,若采用無級變速起吊的電動起重機更佳.這樣可以使制件快度浸入而慢速取出.對于較長制件,提升速度慢會導致較長的操作時間,為了維持相當的生產量,須采用較快的速度.但制件取出速度一定要比鋅在制件表面自由流動的速度慢些,以便得到均勻的純鋅層.
f.撈鋅渣
熱浸鍍鋅的過程中,會不斷形成鋅渣.
鋅渣在靜止的鋅浴中會沉到鋅鍋底部,在制件浸鋅操作時應盡量不要攪動它,以免將大量鋅渣攪入鋅浴中,使鍍層中因粘附著鋅渣而產生顆粒,影響鍍件外觀質量,使鋅耗提高.不宜采用太淺的鋅鍋,以免在鍍鋅過程將鋅渣攪起.
應注意定期打撈鋅渣,以免鋅鍋底部堆積過厚的鋅渣層.一方面過厚的鋅渣層容易在鍍鋅過程中被攪起;另一方面糊狀的鋅渣導熱性差,過厚的鋅渣層會使鋅鍋壁產生局部過熱的現象,加速鋅對鐵的腐蝕,從而影響鋅鍋的使用壽命,嚴重時可能產生鋅鍋穿孔而漏鋅.故必須用帶孔的鏟子和撈渣器定期從鍍鋅鍋中清除掉積累的鋅渣,間隔時間可根據工廠的實際情況,一般在一周或半個月內撈渣一次.
八.鍍后處理
1.離心法
用籠子裝的小制件鍍鋅以后,在鍍層仍然處于熔化狀態時,立即用離心法除去多余的鋅液,使制件得到良好的光澤表面.這就需要盡快的將制件從鍍鋅鍋移到離心機中.此外,還有一點也很重要,離心機需要由一臺起動轉炬大的電動機傳動,以便在2~3s內使它加速到最高速度.常用的離心法使采用大約750r/min的速度,多余的鋅液在最初及秒鐘內就可甩掉,離心時間再長并無明顯效果.在生產過程中還必須適當注意零件的配合公差,因為這些制件在鍍鋅后還要進行裝配,例如,螺栓孔、交聯栓孔,或那些已經組裝但在鍍鋅后還要活動自如的制件,鍍鋅的螺栓和螺母的正常工藝規程使螺栓制成標準螺紋后才鍍鋅;螺母要先鍍鋅作為坯料,然后再進行內螺紋加工,將內螺紋擴徑.
經過離心處理以后,制件立即倒入水中,使鍍層凝結并防止制件粘在一起.
2.螺紋刷光法
大制件上的螺紋用離心法是不適用的,應在鍍鋅后鍍層凝結以前用旋轉的刷子進行清理.這種處理注意減少鍍層的厚度,但同時降低了鍍層的保護價值,因此這種處理只限于制件的螺紋部分.
3. 水冷
制件從鋅浴中取出后應盡快水冷,以防止在緩慢冷卻時合金層的過量生長導致灰暗鍍層.為了改進鍍層的平滑度和光澤度,可在水里經常加少量表面活性劑.
對于含硅量低的非活性鋼,為防止制件變形,也可采用水冷而直接在空氣中緩慢冷卻
4.純化
當制件需要較長時間的貯、存、運時,應對制件進行純化處理,以防止在儲運過程中產生腐蝕.其腐蝕產物通常成為白銹.常用純化方法由鉻酸鹽法、磷酸鹽法.
a.鉻酸鹽法
可采用一系列的專利或非專利的鉻酸鹽溶液對制件進行純化.制件在溶液中短時間浸漬后,可在鍍層表面產生一層鉻酸膜,膜的顏色由黃色到金色,較薄的鉻酸膜幾乎是無色的,在多數情況下已能起到滿意的保護作用.
最常用的一種有效的處理方法是,將鍍后的制件立即投入溫度30~40℃的0.15%(重鉻酸鈉溶液中.這種處理對防止白銹能得到令人滿意的結果.
鉻酸鹽純化處理可能降低漆層的附著力,因此,如果制件還要進行涂漆處理,經應該避免采用鉻酸鹽純化處理.
b.磷酸鹽法
磷酸鹽純化處理在防止潮濕銹斑方面一般要比鉻酸鹽純化處理的效果差些.
但是,如果鍍件隨后還要涂漆時,就應采用磷酸鹽純化處理而不用鉻酸鹽純化處理.普遍使用的溶液是磷酸和重金屬磷化物,再加一些專用的添加劑,促使鍍層的形成和產生細晶粒結構,溶液一般要加熱使用.
5. 檢測與修整
制件鍍鋅后應按GB/T13912---2002或ISO 146L,對鍍件的厚度及外觀質量即時進行檢測.對鍍件表面的鋅瘤、掛鋅等缺陷可進行必要的修整.
6. 堆放及貯運
空心件、板材、角鋼以及同類型的鍍件在熱浸鍍鋅以后常常需要立即堆放儲存起來.
這就可能由于鍍件接觸緊密,冷卻太慢,而引起鍍層的剝落.故鍍件不要堆的太高,或在鍍件之間加墊.另外.鍍鋅件貯存在潮濕條件下,鍍層會產生腐蝕,形成白銹,使制件失去金屬光澤,嚴重影響外觀質量.白銹的產生主要是由于鍍件緊密堆放的表面間存有水點或水膜所致.鍍件在潮濕條件下堆放、在運輸中雨淋、潮濕空氣的冷凝都是引起白銹的原因.在有腐蝕劑(如酸,蒸汽、海水浪、花等)存在的條件下,腐蝕還會加劇.因此,鍍件堆放及貯運過程中,除了防止碰撞劃傷鍍層外,還應注意防止白銹的產生.
a.白銹形成機理
鋅是非常活潑的金屬,鋅的表面與周圍的潮濕空氣接觸,會首先與潮濕水汽發生化學反應,生成一層多孔的、膠粘狀的Zn(OH)2腐蝕產物.隨后,氫氧化鋅會進一步與大氣中二氧化碳反應生成一層薄的、致密的、有一定粘附性堿式碳酸鋅2ZnCO3●3Zn(OH)2腐蝕產物,可以阻止鍍層進一步腐蝕.
當鍍鋅件緊密的堆積并置于潮濕的空氣中時,由于鍍件間的表面沒有自由流動的空氣,鍍層的局部表面將不能發生形成上述腐蝕產物保護膜的化學反應,而時發生電化學腐蝕,形成白銹.白銹的形成機理實際上就是“氧濃差腐蝕電池

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