鋼鐵件局部熱浸鍍鋁工藝──以炒菜鐵鍋外側(cè)鍍鋁為例

吳元康，溫靖邦

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.廣州市二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，廣東 廣州 510663）

鋼鐵件局部熱浸鍍鋁工藝──以炒菜鐵鍋外側(cè)鍍鋁為例

吳元康1,*，溫靖邦2

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.廣州市二輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所，廣東 廣州 510663）

以家用炒菜鐵鍋(Q235薄鋼板沖壓件或灰口鑄鐵鍋)外側(cè)單面熱浸鍍鋁為例，介紹了鋼鐵件局部熱浸鍍鋁工藝。闡述了鐵鍋熱浸鍍鋁的原理與難點(diǎn)，分析了鍍層的組織形態(tài)，給出了適用于鋼鐵件局部熱浸鍍鋁的阻鍍劑配方以及端部帶螺紋鋼管局部鍍鋁的操作步驟，推薦采用無熔鹽覆蓋法(即使用氟鋁酸鈉)以避免鋁液表面熔鹽對鍍鋁的妨礙。

鋼鐵；熱浸鍍鋁；原理；微觀組織；阻鍍劑

First-author’s address:Institute of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China

某些鋼鐵元件要求單面熱浸鍍鋁，因此國外有用連續(xù)熱浸鍍鋁法生產(chǎn)單面鍍鋁的鋼板卷帶，日本在這方面有較好的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品，已廣泛用于制造汽車用車體面板[1]。在工業(yè)與民用鋼鐵件中，有的要求局部熱浸鍍鋁，如本文介紹的一種家用炒菜鐵鍋，外側(cè)與加熱源接觸，要求耐熱，不起皮，導(dǎo)熱性能好，耐磨性(與爐灶的支架摩擦)好，內(nèi)側(cè)用于盛放被炒的葷素菜，要求維持原鐵質(zhì)。據(jù)說以鐵鍋炒菜，二價(jià)鐵溶于醋和鹽水中，可以起到補(bǔ)鐵作用，減少貧血病人產(chǎn)生。但最好不采用鋁質(zhì)鍋與菜接觸，因?yàn)殇X對人體有害而無益，老年人若血液中含鋁離子多，易造成老年癡呆癥。圖1為筆者從1992年使用至今的一口用了23年的炒菜用外側(cè)鍍鋁的Q235鋼鍋，原膠木鍋把早就斷了，后用一截鍍鋁鋼管套上，尚無損壞跡象。

圖1 一口用了23年的外側(cè)熱浸鍍鋁Q235鋼鍋的外貌Figure 1 Appearance of a Q235 steel wok with hot-dip aluminum coating on its outside being used for 23 years

本文簡介鐵鍋熱浸鍍鋁工藝，分析這種單面熱浸鍍鋁鐵鍋的優(yōu)勢及其歷久不壞的原因。另外簡單介紹鋼件局部熱浸鍍鋁工藝中的關(guān)鍵技術(shù)措施。20多年前鐵鍋外側(cè)鍍鋁產(chǎn)品的一等品率不高，出現(xiàn)漏鍍點(diǎn)、虛鍍點(diǎn)、針孔密等常見缺陷。經(jīng)過長時(shí)期的摸索改進(jìn)，上述缺陷已克服，正品率可達(dá)98%以上。

1 鐵鍋熱浸鍍鋁工藝

1. 1 原材料及設(shè)備

1. 1. 1 原材料

(1) 1.5 mm厚的Q235低碳鋼板經(jīng)裁剪、切割，沖壓成外徑320 mm、深85 mm的弧形底鍋坯。

(2) 純鋁錠用工業(yè)純鋁L1至L7均可，以價(jià)廉物美為宜。

(3) 鍍前處理液[2]：酸洗除銹用工業(yè)鹽酸，15% ～ 20%為宜；除油脂可采用堿性工業(yè)除脂液(NaOH 5% ～ 10%，Na2CO35%，Na3PO4·12H2O 3%，Na2SiO310%)；助鍍劑溶液由6% ～ 8%氟鋯酸鉀[3]和3% ～ 4%氯化鉀組成。

(4) 熔鋁時(shí)用的保溫防氧化固體覆蓋物為氟鋁酸鈉(熔點(diǎn)1 000 °C)[3]。

(5) 鋁用抗氧化合金，以0.1% ～ 0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))置入熔鋁中，可降低鋁液面氧化速度[4]。

1. 1. 2 設(shè)備及夾具

(1) 熔鋁電爐：4 kW自制坩堝電爐，也可訂制碳化硅內(nèi)膽直徑350 mm、深400 mm的熔鋁電爐(能熔鋁25 ～28 kg)，于700 ～ 730 °C保溫，上蓋氟鋁酸鈉，防止鋁液面氧化。鍍前除去覆蓋粉，并加入0.1% ～ 0.2%的鋁用抗氧化合金。

(2) 塑料盆4個(gè)：用于酸洗、堿洗、水洗等前預(yù)處理工序。

(3) 用槽鋼和鐵夾子自制夾持鐵鍋用夾具，便于把鐵鍋外底部按要求部分浸入鋁液中。槽鋼憑自重壓住鐵鍋浸入鋁液，并置于坩堝壁上保溫1 min后取出。

1. 2 鐵鍋外側(cè)熱浸鍍鋁工藝

工藝流程如下：

除油→去銹→浸助鍍劑→烘干→熱浸鍍鋁→用刮板除去底部多余的鋁→檢查。預(yù)處理前，鐵鍋上鉆好手柄安裝孔，用鐵鉤掛起，批量生產(chǎn)時(shí)可用吊車進(jìn)行預(yù)處理。

(1) 除油：由于鐵鍋系剪切鋼板后沖壓而成，有的面上滴有機(jī)械油，若是冷軋鋼板，更需表面除脂。通常，上述除油試劑需加熱至70 ～ 80 °C，方可除油徹底。除油后可用水清洗。

(2) 去銹：熱軋鋼板表面油脂不多，但氧化鐵銹較重，需在室溫下用稀鹽酸除銹，然后水洗。若是灰口鑄鐵鍋，在酸洗時(shí)用塑料刷刷去鐵鍋外側(cè)欲鍍面表面的石墨粉。

(3) 浸助鍍劑：除銹后的鐵鍋必須盡快浸入助鍍劑中，泡2 ～ 5 min。助鍍劑要求加熱至80 ～ 90 °C，因?yàn)橹儎┑娜芙舛入S溫度升高而增大，才能使鋼鐵鍋表面達(dá)到覆有一薄層助劑的效果，否則會(huì)產(chǎn)生漏鍍點(diǎn)。

(4) 除去鐵鍋上的掛鉤，裝上夾具后進(jìn)行熱浸鍍鋁。熱浸鋁之前，鐵鍋由于在熱的(80 ～ 90 °C)助鍍液中取出，表面助劑水分大都已蒸發(fā)，鐵鍋裝在夾具上，徐徐進(jìn)入鋁液中，直至達(dá)到預(yù)定深度為止。雖然鐵鍋在鋁液中有浮力，但鋼夾具可壓住鐵鍋下沉到鋁液中，保溫一般1 min即可(鑄鐵鍋延長至1.5 min)。

(5) 浸鋁后鍋底上可能掛有多余的鋁，可用刮板刮除。

(6) 鍍鋁后的鐵鍋因?yàn)楸?，很快冷卻，修整后用冷水清洗。最后用銼刀和手動(dòng)細(xì)砂輪進(jìn)行精整處理，并完成鍋口沿包不銹鋼邊、裝把柄等工序。

2 鐵鍋熱浸鍍鋁原理及其組織和性能

2. 1 鋼鐵件熱浸鍍鋁的原理及過程

(1) 鋼鐵件與熔鋁的浸潤。冷的鐵鍋與熔融的鋁接觸時(shí)，首先表面會(huì)凝結(jié)一層固態(tài)鋁，由于坩鍋中熔鋁的溫度高于鋁的熔點(diǎn)，因此，剛凝固的鋁層在數(shù)秒鐘之內(nèi)熔化，同時(shí)與熔鋁接觸的鐵鍋表面溫度也會(huì)迅速被加熱到700 °C，這時(shí)鐵鍋與熔鋁之間會(huì)產(chǎn)生浸潤。鍍鋁工藝中，預(yù)處理(包括除油、去銹和浸助鍍劑)的目的就是保證鐵鍋與熔鋁接觸面間達(dá)到完全浸潤效果。若有不浸潤點(diǎn)，則會(huì)形成鋁的漏鍍與虛鍍等缺陷。

(2) 熔鋁與其相浸潤的鐵鍋的鐵素體(超過730 °C時(shí)會(huì)形成部分奧氏體)發(fā)生冶金化學(xué)反應(yīng)，形成FeAl3金屬間化合物，同時(shí)鐵鋁原子間還發(fā)生物理擴(kuò)數(shù)過程。由于形成FeAl3的自由能較低，因此FeAl3的形成異常迅速，它是一種冶金化學(xué)反應(yīng)過程。

(3) 若浸鍍時(shí)間較長，還會(huì)發(fā)生形成的FeAl3從鋁液中脫離并沉入坩堝底部的過程。長時(shí)間鍍鋁后，坩堝的底部會(huì)沉積一層FeAl3渣，需每隔幾天用鐵勺挖除。

2. 2 鋼鐵鍋與熔鋁反應(yīng)后的組織形貌

從鋼鐵鍋中取樣磨制金相樣品，觀察其顯微組織，得到如圖2和圖3所示的掃描電鏡照片。圖2為Q235鋼板沖壓的炒菜鍋經(jīng)外側(cè)鍍鋁后形成的鍍鋁層顯微照片。從圖中可見，純鋁鍍層中含有一些條狀或點(diǎn)狀的淺色夾雜物，這是與鋼板形成的FeAl3合金鍍層中脫離下來的，因?yàn)樵?00 °C鋁液中只能熔解3%的鐵(見Fe-Al二元合金相圖[5])，鐵多了的話，冷卻時(shí)會(huì)以FeAl3的條狀沉積析出。FeAl3合金鍍層以齒狀向基體內(nèi)生長，層薄處只有30 μm，最長的有100 μm，極不均勻。鐵鍋使用后會(huì)因不斷被加熱而變得較平直。

圖2 Q235鋼板熱浸鍍鋁后的微觀組織SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM image showing the microstructure of hot-dip aluminum-coated Q235 steel sheet

圖3 灰口鑄鐵鍋熱浸鍍鋁后的SEM微觀組織形貌Figure 3 SEM image showing the microstructure of hot-dip aluminum-coated gray cast iron wok

圖3為灰口鑄鐵鍋鍍鋁后的SEM微觀組織形貌。從中可以看出，灰口鑄鐵基體中含有許多石墨片(條)；純鋁鍍層厚100 ～ 120 μm，其中含有少量FeAl3細(xì)條；FeAl3合金層的厚度則在30 ～ 75 μm之間變化。

上述SEM分析結(jié)果表明，鍍鋁層與鋼鐵基體之間由合金反應(yīng)層FeAl3相連，鋁與鐵基之間的結(jié)合均勻、連續(xù)，非常牢固。在炒菜鐵鍋的使用過程中，鍍鋁層長期與1 200 °C以上的液化氣火焰接觸，表層的鋁會(huì)繼續(xù)向鐵鍋基體擴(kuò)散并反應(yīng)，不斷形成FeAl3合金層，促使原來厚薄不均的FeAl3合金鍍層逐漸均勻平直起來并變厚。這是在滲鋁過程中常見的現(xiàn)象[2]，表層鋁的消失而滲入鋼鐵基體中形成了更厚、更平直的FeAl3合金層，它更耐熱和耐磨。

2. 3 鍍鋁形成的合金組織性能

上述圖2和圖3中純鋁層質(zhì)地柔軟，但FeAl3合金層很堅(jiān)硬耐磨，因?yàn)镕eAl3是金屬間化合物，其特征是堅(jiān)硬、較脆，顯微硬度為8 000 ～ 10 000 MPa[1,6]，比鋼銼刀還硬，這也是筆者家中的鍍鋁鐵鍋之所以能使用23年而不壞的原因，爐灶卻已換過5件，因?yàn)闋t灶上的鐵支架是低碳鋼沖壓件，其耐磨性不及鍍鋁合金鍋底。

2. 4 鐵鍋鍍鋁的主要工藝難點(diǎn)及解決方法

(1) 為保證鐵鍋外側(cè)面都鍍上鋁，要求精確控制鐵鍋沉入鋁液中的深度。在操作中要定時(shí)不斷向坩堝內(nèi)添加鋁及抗氧化合金，保證鋁液凈化，無氣體夾雜。

(2) 不能采用常規(guī)熔劑法鍍鋁工藝。由于熱鋁液表面不能覆蓋熔劑，因此容易造成漏鍍或虛鍍。必須用無覆蓋熔劑法特殊工藝[7]，采用更嚴(yán)格的前處理工藝和規(guī)范的操作手段。

(3) 采用優(yōu)質(zhì)助鍍劑，并在操作中保證與鋼鍋底面良好浸潤，無氣泡或雜質(zhì)附著。

3 鍍鋁鐵鍋的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用展望

鍍鋁鐵鍋具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 節(jié)約能源。鍍鋁鐵鍋為外側(cè)熱浸鍍鋁，接觸火焰的鍍層面的熱導(dǎo)率加快，可節(jié)約能源。把鍍鋁與不鍍鋁的鐵鍋放在同一爐灶上加熱1 L水，煮開時(shí)間節(jié)0.5 ～ 1.0 min。

(2) 保持鐵鍋原有優(yōu)勢。鐵鍋內(nèi)側(cè)與菜肴接觸，醋酸和鹽易使鐵溶出，產(chǎn)生的二價(jià)鐵溶于水，據(jù)說能補(bǔ)鐵，減少貧血，這是鐵質(zhì)炒菜鍋獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)，得以保持不變。

(3) 使用壽命長，節(jié)約成本。一只鐵鍋鍍鋁后成本增加幾元錢，費(fèi)用增加不多，但使用壽命得以數(shù)倍、數(shù)十倍地增加，這是有較好效益的。因?yàn)闊徨儗邮且苯鸱磻?yīng)層，鋁鐵結(jié)合牢固，不會(huì)剝皮脫落，不像其他涂鍍層那樣與鍋只是機(jī)械接觸，不牢固，不耐用。所形成的鐵鋁合金層是一種耐熱耐磨合金，在炒菜加熱中會(huì)不斷增厚并變平整。

飯店用炒菜鐵鍋由于接觸火焰溫度高，使用頻率大，損壞較快，因此建議大量采用此類鍍鋁鍋。

4 鋼鐵件局部熱浸鍍鋁工藝中的幾個(gè)技術(shù)問題及解決措施

4. 1 適用于鋼鐵件局部熱浸鍍鋁的阻鍍劑

某些鋼鐵件局部不要求鍍鋁，如某些鋼管端部的螺紋不鍍鋁，因此需在鍍鋁前用阻鍍劑進(jìn)行刷涂。

4. 1. 1 阻鍍劑配方的技術(shù)要求

(1) 易與鋼板附著，并形成致密的阻鍍膜。

(2) 不與熔鋁浸潤和粘附，能阻止熔鋁與鋼件接觸。

(3) 鍍后易被除去。

4. 1. 2 阻鍍劑的配方

(1) 1質(zhì)量份磷酸 + 1質(zhì)量份水 + 3質(zhì)量份耐火粉，配好后攪勻并放置24 h以上，即可用于刷涂。

(2) 1質(zhì)量份水玻璃 + 1質(zhì)量份水 + 2質(zhì)量份耐火粉，混合后攪拌均勻即可用。

4. 2 端部有螺紋的鋼管的局部鍍鋁工藝

鋼管除油→除銹→浸助鍍劑(80 ～ 90 °C)→用刷子在螺紋部分刷上阻鍍劑并用電吹風(fēng)機(jī)吹干→熱浸鍍鋁→除去端部阻鍍劑并清洗。

4. 3 鋁液表面熔鹽對鍍鋁的防礙

對于鐵鍋外側(cè)鍍鋁而言，采用無熔鹽覆蓋法[7]就可以解決此難點(diǎn)。

[1] 劉邦津. 鋼材的熱浸鍍鋁[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1995: 269-272, 9-11

[2] 沈品華. 現(xiàn)代電鍍手冊(下冊)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 10-39.

[3] 化學(xué)工業(yè)部天津化工研究院. 化工產(chǎn)品手冊──無機(jī)化工產(chǎn)品[M]. 2版. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1993: 429.

[4] 吳元康. 鋁、鋅及其合金用抗氧化光亮添加劑: 99114115.6 [P]. 2000-09-27.

[5] 戴永年. 二元合金相圖集[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009: 47.

[6] 顧國成, 劉邦津. 熱浸鍍[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1988: 84-86.

[7] 吳元康. 鋼鐵件熱浸鍍鋁工藝比較(III)──無熔鹽覆蓋法[J]. 材料保護(hù), 2011, 44 (12): 67-68, 71.

[ 編輯：周新莉 ]

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Process for partial hot-dip aluminum coating on iron and steel articles: hot-dip coating aluminum on the outside of

iron wok

WU Yuan-kang*, WEN Jing-bang

The partial hot-dip aluminum coating process for steel and iron articles was introduced, taking the hot-dip aluminum coating on the outside of a household wok made of Q235 sheet by stamping or made of gray cast iron as example. The principle and difficulties of hot-dip aluminum coating for iron wok were described. The microstructure of hot-dip aluminum coating was analyzed. The composition of an inhibitor for not-to-be-coated areas on iron and steel articles and the operation procedure for partial hot-dip aluminum coating for thread-ended steel pipes were presented. It is recommended to adopt molten salt-free covering method i.e. application of sodium hexafluoroaluminate to prevent hot-dip aluminum coating from being hindered by the presence of molten salts on aluminum bath surface.

iron and steel; hot-dip aluminum coating; principle; microstructure; inhibitor

TG174.443

A

1004 - 227X (2016) 19 - 1025 - 04

2016-06-23

2016-10-12

吳元康（1937-），男，教授，主要研究方向?yàn)椴牧系臒峤?鋁、鋅及錫)和動(dòng)態(tài)法人造六方和立方金剛石技術(shù)。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 1249082225@qq.com。