钢铁构件的热浸镀锌工艺设计以及操作

钢铁构件的热澆镀锌工艺设计以及操作广西民扶大学会属材料11级综合卖训二指导教师梁建烈祝会明蒙洁丽一、 实验目的理解热镀锌的原理，字握热镀锌工艺参数对镀层质豎的彩响，掌握热镀锌镀层质童检验技术。热镀纯锌的镀层；2.热镀锌时间对镀层质量的衫响；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隶热镀锌涂恳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。热镀锌钢板大董应用在汽车、家电、建材等领域。根据工件的种类，热镀锌可分为(1)批蚩热浸镀锌(Batchhot-dipGalavanizing), (2)连续热镀锌(ContinuousHot-dipGalvanized)[o连续热镀锌又分成热镀纯锌(Galvanized,GI)和合金化热镀锌(Gabvann3ud,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•2NHQ或奢ZnCL•3NHQ水溶液进行助焊。经过表面预处理的钢铁合金，被浸入450-470°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Fc-Zn化合物，用希腊字母分别表示为，”(Zn),《FeZnQ,8(FeZn10),r(FC4Zn9)和「(FsZg)。这与Fc-Zn相图的结果是一致，靠基体金属越近，化合物的含狭莹越髙〔。图1是Fc-Zn-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衫响。Si是镇烽钢或半镇静钢的主要除氧剂，同时也是相变诱导塑性钢(Transformationinducedplasticity,TRIP)的关键合金元素。对于含有Siv0.20%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(r+r,)恳不再连续，而5恳变得更薄，©层不再致密。而且在表面的镀锌恳有时还可以见到突出的©层。对于含Si>0.20%的钢狭材料，镀层完全变暗，而且非常脆，镀层与基体的粘看性完全消失，易于剥落，这种现象称作Nictssen-Gutunan效应【。从微观组织上看，此时合金层不再连续，锌恳与基体金属间是扩散的5层，匸层由柱状转变成为树枝状，不再存在(r+「J层。研究表明，对于含Si为0・1时％钢铁材料，产生Sandelin效应的原因是Si的活性导致生成厚厚的匸相；对于含Si约为1W.%的钢材，产生NigsumGutiman效应的主妥原因是生成厚厚的（5+Q混合层。10 20 30 40 50 60 ?0 80 90 100图1Fc-Zn—元合金相图对于含Si莹少于0.2wt.%的钢,Foci把含Si小于0.06wt.%的称作亚Sandelin钢,0.07-0.08wt%的钢称作Sandelin钢，0.09-0.20皿・％的称作过SnneMin钢卩旬。对含Si低于0.2wt%的钢，抑制Sandelin效应，只需抑制匸相的生成即可。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，从而抑制匸相的生成。2.2热镀锌铝物理冶金原理A1是热镀锌工业常用于抑制Si的活性的合金元素。A1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A1的含量，热镀锌铝可分成以下三种：（1）含铝量少于1Wt.%＞的GnlmniNcd,锌池温度控制在450-460°C左右；（2）含铝童为5wt.%的GalFan,锌液的成分为Zn+5wt%Al+0.05%RE（RE=La,Cc,Pr,Nd的混合稀土），这吋，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"C左右；（3）含铝量为55皿.％的Galvolumc,锌液中一般含有1皿.％左右的Si,这时锌液温度一般选择在600"C左右。A1抑制Sandelin效应的主妥原因是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・250ntn厚的合金层，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氏反应速度的作用。当锌液中A1的含莹小于0.133wt%,形成的Fe2Al5合金层是断续的；当锌液中的A1含童多于0.140wt%,形成的FqA"合金层是连续的，此时的镀层就是由Zn和Fc2A"两个合金层组成。在连续热镀锌时，钢坂或带材浸入锌液的时间很短,Zn-Fc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Fc-Zn-Al合金体系。为理解A1合金元素的作用机理，人们对Fc-Zn-Al相图做了大莹的研究工作。图1-1是Purrot等人获得的Fc-Zn-Al合金在450°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FcgAl.Zn^,图中表示为G。这个G相与(FcnZn41l)同构，祢为面心立方结构，点阵常数相近。2002年，唐乃泳〔重新研究Fc-Zn-Alt锌区的450°C等温截面，研究结果证实Perrot的结论，确定匚相是一个新三元化合物，该化合物与(FqZgJ同构，唐乃泳称作T相。热镀锌工业中，锌锅中铝的含莹是锌渣和锌液中的铝的含量的平均值。其中只有锌液中的铝对镀层的生长有彩响，这部分铝在热镀锌行业称作有效铝。当熔池中有效铝的含量由0逐渐增加到0.14wt%,钢板上与锌液平衡的金属间化合物由匸(FcZn13)—8(氏ZnQ-T2(Fc8Al6ZnS6)—Fc,Al.迅速转变；当铝的含量达到1.3曲.％时，e(Fc,Al)就成了与锌液相平衡的金属间化合物。这个有效铝成分就是图1-1(b)中锌液的相界线。在热镀锌工业中，研究人员和热镀锌工程师最为关心的是Fc-Zn-Al合金富锌区的相图，特别是锌液的相界线，即Fc在锌液中的固溶度线。为获得氏在锌液中的固溶度线，唐乃泳(通过不断地往锌液(A1含量固定)添加Fc,立到在金相显微镜下观察到金属间化合物的析出，测出对应不同的铝含莹时的氏的溶解度。唐乃泳测定Fc-Zn-Al富锌区的合金相图并没有包括三元合金相T,是一

个亚稳平衡的相图。在连续热镀锌过程中，钢板或钢带浸入锌液的时间很短，只有几秒钟,此时三元合金相是不会出现的。因此，亚稳相图更接近于实际的情况。根据实验数据和优化计算的相图数据，可以确定，Fc-Zn-Al亚稳相图中的(L+5+FC2AI5)三相区液相的成分点，就是热镀锌成分控制的关键点。这个成分点，在460"C时，唐乃泳测莹的結呆是(0.03wi.%Fc,0.135wt%AU锌液成分处于这个成分附近时，钢板与镀层之间会生成一层薄薄的连续的合金恳，这个阻挡层会很快溶解】。这有利于外面的镀锌恳在随后的退火过程中转化为所需的Fc-Zn金属间化合物。而如果锌液含铝莹丈于0.15wt%(GI),就会生成较厚的、连续的FC,A1-合金层，这个合金层会抑制内层的Fc与Zn的反应,从而获得易于成型，而且基本是纯锌的镀层。热镀锌的过程中，锌液会发生氧化，形成锌灰，钢铁基板的氏或其它合金元素会融入熔融的锌液中，这些合金元素会与Zn反应，生成金属间化合物，也就是锌渣。这些金属间化合物，有些比重大，沉到池底，形成沉渣(如Fc.Al.Zn^);比重小的，浮在锌液表面，形成浮渣(如Fc2A15)o锌渣的性质，与锌液中的合金元素种类和含童有关。图3是唐南勇在实验的基础上优化计算得到的Zn-Fc-Al富锌区的相图。这个相图的有效性得到热镀锌行业的实际检验。根据Zn-Fc-Al相图的研究，氏在锌液中的最大溶解度在0.04).05g%;当锌液中的A1的含量由0~0.2wt.%变化时，与锌液平衡的金属间化合物分别为5(FcZnl3)、c4-8(FcZn13+FcZn10)^8(FcZnQ、8(FcZnQ+MFqAls)、耳(F^Ah)。因此,控制锌液的成分就可以控制镀层析出的物相〔。汽车工业妥求镀层的厚度小于10f.im,根据Zn-Fc-Al的相图,Zn-Al合金热浸度的最佳锌液成分应该是Zn-Fc-Al相图中三相区［Zn(liquid)+Fc->AL+8］的顶点，其成分为A10.134wt.%oaoz0.04O.OG0.03 0.)00.12O.H0.16048Ol2OAluminumContentwt^-93765432)©Q.o.c.oeQQa000000000aoz0.04O.OG0.03 0.)00.12O.H0.16048Ol2OAluminumContentwt^-93765432)©Q.o.c.oeQQa000000000Z?金qnos12图3.Zn-Fe-AI富锌区465°C相图。在热镀锌工业中，熔池的成分是锌液（liquidZincwhichsolutessomeamounteffectiveAlandironcontent.）的成分和其他两个平衡相（FeZn^和氏05）的成分的平均值。而在热镀锌工业中，只有;容解在锌液的A1才会对镀层的生长起到有效地作用，这部分的铝称作有效铝。利用上述的Zn-Fc-Al相图我们可以知道，不管熔池成分如何变化，只要溶池落在［Zn（liquid）+Fc2A15+8］三相区范囤内，那么锌液中的有效铝铝成分就不会有变化。这样热镀锌钢板上的析出产物就不会生变化。三、 实验材料1、 纯锌（99.9wt.%）的工业纯锌2、 纯铝（99.9E.%）的工业纯锌3、 钢筋若干4、 金相试样辕嵌、磨制、抛光、腐蚀材料5、 预处理的酸碱等材料四、 实验设备1、 100ml的AI2O3址竭。2、 带温度控制器的址堀电阻炉。3、 天平4、 童筒5、 烧杯五、 实验安全注意事项1、 人身安全（电极、离温、酸碱腐蚀）2、 设备安全（接地）六、 热镀锌工艺过程？原板打磨脱脂碱洗（70~80“C,100-200g/L）—水洗酸洗（室温，15%HC1）-—水洗稀盐酸处理溶剂