熱鍍鋅鋅層厚度控制技術(shù)研究

熊 捷，黃 斌

(中電建武漢鐵塔有限公司，湖北 武漢430011)

0 前言

用于鋼鐵材料的防腐方法很多，如涂層法、金屬熱鍍法、陰極保護(hù)法、電化學(xué)保護(hù)法、腐蝕介質(zhì)處理法等[1-3]，但在所有的鋼鐵材料防腐方法中應(yīng)用最為廣泛的是熱浸鍍鋅法。

對(duì)于鋼鐵材料來(lái)說(shuō)，熱浸鍍鋅層具有耐腐蝕性能好、保護(hù)性全面、生產(chǎn)低成本高效率、操作工藝簡(jiǎn)單可靠、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，且鍍鋅生產(chǎn)中可以較好的控制鋅層的厚度、韌性及表面狀態(tài)。故而，熱浸鍍鋅工藝獲得了持續(xù)的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

在整個(gè)熱鍍鋅生產(chǎn)工藝過(guò)程中，鋅層厚度的控制精度將會(huì)直接影響到鍍鋅產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量[7-11]。目前鋅錠的價(jià)格昂貴，鋅層過(guò)厚勢(shì)必會(huì)造成鋅耗量上升，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，且鋅層過(guò)厚易造成鋅浪、邊部增厚等表面缺陷。鋅層過(guò)薄將造成檢驗(yàn)不合格，且鍍層的耐腐蝕性也無(wú)法滿足用戶(hù)要求。因此，如何提高鋅層厚度的控制精度，減小鍍層偏差量，改善熱鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，成為了鍍鋅企業(yè)的研究重點(diǎn)。

試驗(yàn)主要研究批量熱浸鍍鋅工藝。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，并參照傳統(tǒng)熱鍍鋅企業(yè)的實(shí)際情況及鍍鋅工藝，研究助鍍液濃度、鍍鋅時(shí)間、鋅液溫度及合金Al的含量對(duì)鍍鋅層性能及外觀的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定其最優(yōu)工藝參數(shù)，并驗(yàn)證此條件下鍍件的鈍化膜性能，為實(shí)際鍍鋅參數(shù)控制提供理論依據(jù)[12-14]。

1 試樣材料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 鍍鋅工藝

根據(jù)試驗(yàn)研究的實(shí)際情況，熱浸鍍鋅工藝為：基體鋼板酸洗液除銹(20 g/L鹽酸，浸泡30 min)，水洗,助鍍,自然烘干,熱浸鍍鋅,冷卻,鈍化。

1.3 熱浸鍍鋅層質(zhì)量評(píng)定

鍍鋅層的質(zhì)量評(píng)定分為表面評(píng)定和鍍鋅層厚度測(cè)定[15-17]。鍍層的表面評(píng)定主要為檢查鍍層表面的光亮度、平整度；有無(wú)漏鍍情況；是否有鋅瘤、粗糙毛刺、鋅灰等；鍍鋅層的均勻性和附著性是否滿足國(guó)標(biāo)要求。熱鍍鋅產(chǎn)品的鋅層厚度是衡量產(chǎn)品耐腐蝕性能的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評(píng)定鍍層質(zhì)量的直觀表現(xiàn)之一。鍍鋅層厚度是熱浸鍍之后的試樣所表現(xiàn)出的直觀外貌之一。每個(gè)試樣的鋅層厚度用5個(gè)測(cè)試點(diǎn)(四個(gè)角點(diǎn)及中心點(diǎn))的平均值表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 助鍍液液組分優(yōu)化

固定助鍍液的溫度為65 ℃、鍍鋅溫度為440 ℃、鍍鋅時(shí)間為1 min、合金Al的含量為0.2%的條件下，助鍍液組分優(yōu)化，正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 助鍍液組分正交試驗(yàn)表計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以得出以下結(jié)論：

(1)由表1可以看到氯化鋅濃度為150 g/L，氯化銨濃度150 g/L時(shí)鍍鋅層厚度最小為38.5 μm。

(2)比較氯化鋅和氯化銨濃度的k值，可以發(fā)現(xiàn)氯化鋅濃度的k4最小，氯化銨濃度的k4最小，故在相同鍍鋅條件下，氯化鋅濃度為150 g/L，氯化銨濃度為150 g/L時(shí)鋅層厚度最小。

導(dǎo)師:徐軍(1963-)，男，教授，碩士，主要研究方向?yàn)楣怆姵上?、光電?duì)抗和強(qiáng)激光武器. Email: yujun63@sohu.com

(3)比較氯化鋅濃度和氯化銨濃度的R值，發(fā)現(xiàn)R(氯化鋅)略大于R(氯化銨)，說(shuō)明氯化鋅濃度和氯化銨濃度對(duì)鋅層厚度的影響作用相差不大。

(4)在實(shí)際鍍鋅過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氯化鋅濃度遠(yuǎn)大于氯化銨濃度時(shí)，鍍件不易干燥且鋅灰含量會(huì)增加，當(dāng)氯化銨濃度遠(yuǎn)大于氯化鋅濃度時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，鋅灰含量同樣會(huì)增加。氯化鋅濃度為150 g/L，氯化銨濃度為150 g/L時(shí)鍍件易干燥，鍍鋅時(shí)極少煙霧、煙灰生成，且鍍鋅層厚度最小為38.5 μm，故最優(yōu)助鍍液成分為氯化鋅150 g/L，氯化銨150 g/L。

2.2 助鍍液溫度對(duì)鋅層厚度的影響

選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定鋅液溫度為440℃、鍍鋅時(shí)間為1 min、合金Al的含量為0.2%，改變助鍍液溫度對(duì)鍍鋅層厚度及外觀的影響如圖1所示。

圖1 助鍍液溫度對(duì)鋅層厚度的影響

由圖1可知，隨著助鍍液溫度的變化，鋅層厚度變化不是很大。助鍍液的溫度決定鍍件表面上已干燥助鍍液附著的多厚寡薄，較高的溫度可獲得較多的附著，且會(huì)影響助鍍液是否能夠均勻分布于鍍件的表面。助鍍液溫度較低時(shí)液體流動(dòng)性大但鍍件不易干燥，故常溫或低溫時(shí)鍍件干燥后助鍍液分布不均勻，鍍件上端表面助鍍液附著較薄而下端附著較厚；溫度較高時(shí)分布較均勻。當(dāng)溫度高于80 ℃時(shí)，會(huì)造成助鍍液過(guò)度沉積而形成雙層鹽膜，鍍鋅時(shí)易引起爆鋅。故實(shí)際鍍鋅中助鍍液的溫度控制在60～80 ℃之間。

2.3 鋅液溫度對(duì)鋅層厚度的影響

選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定助鍍液的溫度為65 ℃、鍍鋅時(shí)間為1 min、合金Al的含量為0.2%，改變鋅液溫度對(duì)鋅層厚度及外觀的影響如圖2所示。

圖2 鋅液溫度對(duì)鋅層厚度的影響

由圖2可知，隨著鋅液溫度的升高，鋅層厚度先降低后增加，鋅液溫度在440 ℃時(shí)，鋅層厚度最小為38.5 μm。這是因?yàn)殇\的熔點(diǎn)為420 ℃，當(dāng)鋅液溫度過(guò)低時(shí)，鋅液流動(dòng)性差，鋅層較厚，且鍍層不均勻，易產(chǎn)生流掛，外觀質(zhì)量也較差。當(dāng)鋅液溫度升高時(shí)，鋅液流動(dòng)性好，鋅液易脫離工件，鋅層厚度降低，此時(shí)鍍層的附著力強(qiáng)，外觀也好，但隨著溫度的繼續(xù)升高，鐵和鋅的反應(yīng)速率也越來(lái)越快，兩者的生成物附著在鐵表面的物質(zhì)也越來(lái)越多， 鋅層厚度變厚，當(dāng)鋅液溫度過(guò)高時(shí)，工件及鋅鍋鐵損嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生大量鋅渣，影響鋅層質(zhì)量的同時(shí)還容易造成色差使鍍件表面顏色難看，影響外觀。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，溫度控制呈波動(dòng)狀態(tài)，故實(shí)際鋅液溫度控制在435～440 ℃時(shí)較為適宜。

2.4 鍍鋅時(shí)間對(duì)鋅層厚度的影響

選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定助鍍液的溫度為65 ℃、鍍鋅溫度為440 ℃、合金Al的含量為0.2%，改變鍍鋅時(shí)間對(duì)鋅層厚度及外觀的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著鍍鋅時(shí)間的延長(zhǎng)，鋅層厚度逐漸增大，且具有類(lèi)似線性的生長(zhǎng)規(guī)律，當(dāng)鍍鋅時(shí)間為150 s時(shí)，鋅層厚度達(dá)到了86.1 μm，可以滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鍍鋅層厚度要求。

圖3 鍍鋅時(shí)間對(duì)鋅層厚度的影響

鍍件進(jìn)入鋅液以后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，首先生成Fe-Zn合金并不斷向鋼鐵基材方向擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散的不斷進(jìn)行陸續(xù)生成δ相(FeZn10)、ζ相(FeZn13)和η相(Zn)，三相的含鐵量逐漸減少。δ相與ζ相同時(shí)影響著鍍鋅層的厚度及理化特性，合金中兩相厚度不一致，δ相相對(duì)較厚時(shí)，ζ相則會(huì)相對(duì)較薄，反之ζ相相對(duì)較厚時(shí)，δ相相對(duì)較薄。δ相與ζ相具有良好的可塑性，增加其厚度可以增加其對(duì)金屬本身的保護(hù)程度。

2.5 鋅液合金Al含量對(duì)鋅層厚度的影響

選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定助鍍液溫度為65 ℃、鍍鋅溫度為440 ℃、鍍鋅時(shí)間為1 min，改變合金Al的含量對(duì)鋅層厚度及外觀的影響如圖4所示。

圖4 合金Al含量對(duì)鋅層厚度的影響

由圖4可以看出，鍍鋅層厚度隨鋁元素含量的變化趨勢(shì)為先降低后增加，當(dāng)鋁的加入量為0～0.2%時(shí)，鋅層厚度逐漸降低，含量為0.2%時(shí)，鋅層厚度降到最低值，之后隨著鋁元素含量繼續(xù)增加，鋅層厚度不降反增，且在不添加Al元素時(shí)鍍鋅層厚度最大，由此可以說(shuō)明在鋅液中加入Al元素可以起到降低鍍鋅層厚度的目的，并且效果很明顯。

Al元素對(duì)鍍鋅層厚度的作用主要體現(xiàn)在對(duì)流動(dòng)性能的影響。主要原因兩方面，一是鋁可以和鋅液中的鐵發(fā)生反應(yīng)，生成三種化合物，分別為FeAl、FeAl2、FeAl3(也有稱(chēng)Fe2Al5)，從而增加鋅液的流動(dòng)性，并且減少鍍鋅層的附著量。二是鋁元素的存在可以改變鍍層的結(jié)構(gòu)，鋁和鐵的親和力強(qiáng)，鋅液中的鋁會(huì)優(yōu)先和鐵基體發(fā)生反應(yīng)，生成Fe2Al5，從而抑制鐵-鋅合金鍍層的進(jìn)一步生長(zhǎng)[13]。當(dāng)鋁元素繼續(xù)增加之后，抑制作用更加明顯，因此降低鍍鋅層厚度。但鋁元素繼續(xù)增加到一定量之后，鋅液的流動(dòng)性會(huì)明顯變差，尤其是鍍鋅溫度較低時(shí)，鋅液甚至?xí)冋吵?。因此鍍層厚度增加，鋅耗增加。

2.6 正交試驗(yàn)與分析

鍍鋅反應(yīng)雖然很簡(jiǎn)單但其涉及的過(guò)程卻十分復(fù)雜，鍍鋅工藝中很多因素都可能影響鋅層厚度，因此合理選擇影響鋅層厚度的影響因子十分重要。前期單因子探索試驗(yàn)選取鍍鋅時(shí)間、鋅液溫度和合金成分3個(gè)因子，并且各取4個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定助鍍液溫度為65 ℃。

制定因子水平表如表2所示，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表2 因子水平表

表3 熱浸鍍鋅試驗(yàn)正交結(jié)果表

由正交試驗(yàn)結(jié)果表3可知，極差R鍍鋅時(shí)間=max(水平1鋅層厚度，水平2鋅層厚度，水平3鋅層厚度，水平4鋅層厚度)-min(水平1鋅層厚度，水平2鋅層厚度，水平3鋅層厚度，水平4鋅層厚度)=40，其它影響因子的極差依次類(lèi)推得到R鋅液溫度=10.7，R合金Al含量=4.6。極差值反映了影響因子變化時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的變化幅度，極差值越大，該影響因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度越大，越重要。

由極差值的大小順序可以得出，各影響因子對(duì)熱浸鍍鋅鋅層厚度影響從大到小的順序?yàn)殄冧\時(shí)間、鋅液溫度、合金Al的含量，主次順序?yàn)锳→B→C。

由k值可知，鍍鋅時(shí)間為120 s，鋅液為440 ℃，合金Al的含量為0.2%時(shí)，獲得的鋅層厚度最小為68.7 μm，無(wú)法滿足《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》GB/T2694-2018中關(guān)于鋅層厚度的要求。

單因素試驗(yàn)：鋅時(shí)間為150 s，鋅液為440 ℃，合金Al的含量為0.2%時(shí)，獲得的鋅層厚度為86.1 μm，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。故，最優(yōu)鍍鋅工藝參數(shù)為鋅時(shí)間為150 s，鋅液為440 ℃，合金Al的含量為0.2%。

2.7 鈍化膜性能測(cè)試

依據(jù)《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》GB/T2694-2018 附錄A 進(jìn)行硫酸銅試驗(yàn)，附錄B進(jìn)行落錘試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，選用正交優(yōu)化助鍍液配方，固定助鍍液溫度為65 ℃，鋅液溫度為440 ℃，鍍鋅時(shí)間為150 s，合金Al的含量為0.2%(質(zhì)量濃度)時(shí)，鍍鋅試樣未發(fā)生漏鐵且鍍鋅層不凸起、不剝落，鋅層厚度也滿足《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》GB/T2694-2018的要求，且鋅層厚度為86.1 μm。

圖5 硫酸銅試驗(yàn)對(duì)比圖

圖6 落錘試驗(yàn)對(duì)比圖

3 結(jié)論

(1)最優(yōu)助鍍液成分為：氯化鋅150 g/L，氯化銨150 g/L，此條件下鍍鋅層厚度最小，且鍍件易干燥，鍍鋅時(shí)極少煙霧、煙灰生成，且鍍鋅層厚度最小為38.5 μm。

(2)最優(yōu)鍍鋅工藝：正交優(yōu)化助鍍液配方，助鍍液溫度為60-80℃，鍍鋅時(shí)間為150 s，鋅液為440℃，合金Al的含量為0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

(3)通過(guò)最優(yōu)鍍鋅工藝獲得的鍍鋅層表面平整光亮，鍍鋅試樣的硫酸銅試驗(yàn)及落錘試驗(yàn)，未發(fā)生漏鐵且鍍鋅層不凸起、不剝落，鋅層厚度也滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。