10--热浸镀优秀课件

1、现代材料表面技术第10章热浸镀,山东科技大学材料科学与工程学院,1,本章主要内容,第一节 概述 第二节 热浸镀原理 第三节 热浸镀锌 第四节 热浸镀铝,2,第一节 概述 1.1 基本概念 （1）热浸镀: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。,3,（2）基体材料：钢 铸铁 镀层金属：锌（419.5）、铝（658.7） 、锡（231.9）、铅（327.4）及它们的合金。 热浸镀层金属的熔点要求比基体材料低的多。,4,热浸镀层的种类,5,（3）热浸镀目的：耐蚀性、耐磨性、耐热性,钢的大气腐蚀 锈蚀产物：FeO、Fe2O3、Fe3O4，当空气中含有SO2气体时

2、，将在锈层的底部生成FeSO44H2O和Fe2(SO4)3等白色结晶。,锌的大气腐蚀 在潮湿的大气中，会生成由ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3组成的锈层（白锈）。比较致密，粘附性较好，所以锌耐大气腐蚀性能好。,6,牺牲阳极保护法,牺牲阳极的阴极保护示意图,锌对钢铁构件的保护：,7,金属电极电位较低的金属优先发生氧化，失去电子，向金属电极电位较高的金属提供电子，防止其发生氧化。,8,锌层对钢铁腐蚀的保护过程,9,热镀锌板的大气腐蚀试验,10,1.3 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 1.3.2 热浸镀分类 根据前处理不同分： （1)熔剂法 （2)

3、保护气体还原法,11,（1)熔剂法热浸镀 溶剂法：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，提高镀层质量。 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,12,（2)保护气氛还原法热浸镀 森吉米耳法： a 氧化：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 还原：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。 c 浸镀：在保护性气氛中，钢材被冷却到合适温度（470-480），浸镀。,13

4、,1.4 热浸镀层的性能 冶金结合：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间化合物，存在于镀层金属和基体金属之间。,镀层金属,合金层,碳钢基体,14,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。 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)。,15,第二节 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

5、种：分批浸镀与连续浸镀 1.1 分批浸镀工艺 应用在成型对象， 如螺拴，螺帽， 钢构，灯杆.等。,16,作业流程 表面清洁浸助熔剂浸入熔融的锌液中，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,17,1.2 连续浸镀工艺过程 1) 主要是应用于钢卷或钢线。 2) 作业流程 物件 还原退火 热浸镀锌 气刀（镀锌辊） 整平 冷却,18,2、镀层的形成 2.1镀层形成理论 2.1.1镀层形成过程 1)铁表面被锌液溶解形成合金相层 2)合金层中锌原子进一步向基体扩 散，形成锌铁互溶层 3)合金层表面包络着一层锌,Galvanized coating,Steel,Fr

6、ee zinc layer,Alloy layers,Micrograph - 100 X,19,2.1.2铁-锌反应 热浸镀锌镀层从表面的纯锌到钢材依序会形成（六方最密堆积），（单斜），（六方最密堆积），（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。,一般镀锌层 65 - 150 微米 Fe-Zn合金层约占总厚度的80%以上,20,图 7 铁-锌平衡相图,21,22,图8 热浸镀锌层横截面金相组织,23,2.2 影响镀层成长的因素 1) 锌液的温度 锌液温度在430-490时,生成的合金层连续致密,有较强保护性,热浸镀锌温度一般控制在450左右。 2) 浸镀时

7、间 锌镀层通常是随着锌与铁之间的扩散时间而成长。,24,3) 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。,25,碳：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。,4) 基材的成份,26,首先进行内表面和外表面的吹锌-再进行冷却和钝化处理，提高镀锌层的耐蚀性和防止锌层变色。 、内表面吹锌：喷吹气体为过热蒸汽，其温度一般为200-250。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。,2.3

8、 镀后处理,钢管直径mm 蒸汽压力atm,12.7-31.75 7-8 38.1-50.8 8-9 63.5-76.2 8-10,27, 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 压缩空气压力atm,12.7-19.0 3 25.4-31.7 4 38.1-50.8 5,63.5-76.2 5-6,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。 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。,28,2.3热浸镀锌的应用 曝露在大气与某种液体的环境

9、中，需要耐腐蚀处理的大部份钢铁件,29,合金层超厚的缺陷组织,热浸镀锌生产现场,30,第四节 热浸镀铝,由于铝的熔点高,化学活性大,其工艺在技术和设备上遇到困难，直到20世纪中期逐步解决。 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。,31,4.1 铁-铝系二元状态图 4.1.1 铝的物理性质 铝的熔点为660，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),32,4.1. Fe-Al二元相图,33,4.2 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

10、铁两种物质的相互浸润、溶解、吸附、不同元素间化学作用及物理扩散等物理化学过程。,34,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。 (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) 柱状晶生长，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，除相外几乎无其他相存在,35,36,a 组织 b Al元素面分布 c Fe元素面分布 A3钢基材经850扩散处理后过渡区域成分面分布,37,高温扩散涂层的选区电子衍射分析,TEM

11、(70000X) Calibration of SAED Pattern TEM (100000X) Calibration of SAED Pattern a Al13Fe4 110 b Fe2Al5 ,c Fe3Al 111,38,4.2.2 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,39,4.2.3 镀层影响因素 1）铝液温度和浸镀时间 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

12、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。,40,3）铝液中各种添加元素 硅可提高铝镀层的耐热性。 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20-30m提高到35-50m。,41,4.3 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

13、材在大气中在450 以下可长期使用，且不改变其颜色。,42,镀铝钢的耐热性远高于未镀铝的钢,43,b 良好的耐腐蚀性 特别耐含有SO2、H2S、NO2 、CO2等工业大气的腐蚀性,耐海洋大气的腐蚀性也优于镀锌钢。 c 对光和热的良好反应性 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。,44,45,4.3.2 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,46,4.3.3镀铝钢材的用途 1、镀铝钢板,47,汽车工业方面的应用,48,镀铝钢板在加热设备方面的应用,4