熱鍍鋅鋅層厚度控制技術研究

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、陰極保護法、電化學保護法、腐蝕介質處理法等[1-3]，但在所有的鋼鐵材料防腐方法中應用最為廣泛的是熱浸鍍鋅法。

對于鋼鐵材料來說，熱浸鍍鋅層具有耐腐蝕性能好、保護性全面、生產低成本高效率、操作工藝簡單可靠、易于實現機械自動化等優點[4-6]，且鍍鋅生產中可以較好的控制鋅層的厚度、韌性及表面狀態。故而，熱浸鍍鋅工藝獲得了持續的發展和廣泛的應用。

在整個熱鍍鋅生產工藝過程中，鋅層厚度的控制精度將會直接影響到鍍鋅產品的產品質量[7-11]。目前鋅錠的價格昂貴，鋅層過厚勢必會造成鋅耗量上升，導致生產成本提高，且鋅層過厚易造成鋅浪、邊部增厚等表面缺陷。鋅層過薄將造成檢驗不合格，且鍍層的耐腐蝕性也無法滿足用戶要求。因此，如何提高鋅層厚度的控制精度，減小鍍層偏差量，改善熱鍍鋅產品質量，節約生產成本，成為了鍍鋅企業的研究重點。

試驗主要研究批量熱浸鍍鋅工藝。通過查閱文獻，并參照傳統熱鍍鋅企業的實際情況及鍍鋅工藝，研究助鍍液濃度、鍍鋅時間、鋅液溫度及合金Al的含量對鍍鋅層性能及外觀的影響，并通過正交試驗確定其最優工藝參數，并驗證此條件下鍍件的鈍化膜性能，為實際鍍鋅參數控制提供理論依據[12-14]。

1 試樣材料及測試方法

1.1 試驗材料

1.2 鍍鋅工藝

根據試驗研究的實際情況，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 熱浸鍍鋅層質量評定

鍍鋅層的質量評定分為表面評定和鍍鋅層厚度測定[15-17]。鍍層的表面評定主要為檢查鍍層表面的光亮度、平整度；有無漏鍍情況；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標要求。熱鍍鋅產品的鋅層厚度是衡量產品耐腐蝕性能的關鍵指標，也是評定鍍層質量的直觀表現之一。鍍鋅層厚度是熱浸鍍之后的試樣所表現出的直觀外貌之一。每個試樣的鋅層厚度用5個測試點(四個角點及中心點)的平均值表示。

2 試驗結果與分析

2.1 助鍍液液組分優化

固定助鍍液的溫度為65 ℃、鍍鋅溫度為440 ℃、鍍鋅時間為1 min、合金Al的含量為0.2%的條件下，助鍍液組分優化，正交優化試驗結果見表1。

表1 助鍍液組分正交試驗表計及試驗結果

由表1可以得出以下結論：

(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，可以發現氯化鋅濃度的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時鋅層厚度最小。

導師:徐軍(1963-)，男，教授，碩士，主要研究方向為光電成像、光電對抗和強激光武器. Email: yujun63@sohu.com

(3)比較氯化鋅濃度和氯化銨濃度的R值，發現R(氯化鋅)略大于R(氯化銨)，說明氯化鋅濃度和氯化銨濃度對鋅層厚度的影響作用相差不大。

(4)在實際鍍鋅過程中發現，當氯化鋅濃度遠大于氯化銨濃度時，鍍件不易干燥且鋅灰含量會增加，當氯化銨濃度遠大于氯化鋅濃度時會產生大量煙霧，鋅灰含量同樣會增加。氯化鋅濃度為150 g/L，氯化銨濃度為150 g/L時鍍件易干燥，鍍鋅時極少煙霧、煙灰生成，且鍍鋅層厚度最小為38.5 μm，故最優助鍍液成分為氯化鋅150 g/L，氯化銨150 g/L。

2.2 助鍍液溫度對鋅層厚度的影響

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

圖1 助鍍液溫度對鋅層厚度的影響

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。助鍍液溫度較低時液體流動性大但鍍件不易干燥，故常溫或低溫時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；溫度較高時分布較均勻。當溫度高于80 ℃時，會造成助鍍液過度沉積而形成雙層鹽膜，鍍鋅時易引起爆鋅。故實際鍍鋅中助鍍液的溫度控制在60～80 ℃之間。

2.3 鋅液溫度對鋅層厚度的影響

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

圖2 鋅液溫度對鋅層厚度的影響

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，鋅層厚度最小為38.5 μm。這是因為鋅的熔點為420 ℃，當鋅液溫度過低時，鋅液流動性差，鋅層較厚，且鍍層不均勻，易產生流掛，外觀質量也較差。當鋅液溫度升高時，鋅液流動性好，鋅液易脫離工件，鋅層厚度降低，此時鍍層的附著力強，外觀也好，但隨著溫度的繼續升高，鐵和鋅的反應速率也越來越快，兩者的生成物附著在鐵表面的物質也越來越多， 鋅層厚度變厚，當鋅液溫度過高時，工件及鋅鍋鐵損嚴重，會產生大量鋅渣，影響鋅層質量的同時還容易造成色差使鍍件表面顏色難看，影響外觀。實際生產過程中，溫度控制呈波動狀態，故實際鋅液溫度控制在435～440 ℃時較為適宜。

2.4 鍍鋅時間對鋅層厚度的影響

選用正交優化助鍍液配方，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%，改變鍍鋅時間對鋅層厚度及外觀的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著鍍鋅時間的延長，鋅層厚度逐漸增大，且具有類似線性的生長規律，當鍍鋅時間為150 s時，鋅層厚度達到了86.1 μm，可以滿足國家標準鍍鋅層厚度要求。

圖3 鍍鋅時間對鋅層厚度的影響

鍍件進入鋅液以后會發生化學反應，首先生成Fe-Zn合金并不斷向鋼鐵基材方向擴散，隨著擴散的不斷進行陸續生成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相相對較厚時，ζ相則會相對較薄，反之ζ相相對較厚時，δ相相對較薄。δ相與ζ相具有良好的可塑性，增加其厚度可以增加其對金屬本身的保護程度。

2.5 鋅液合金Al含量對鋅層厚度的影響

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

圖4 合金Al含量對鋅層厚度的影響

由圖4可以看出，鍍鋅層厚度隨鋁元素含量的變化趨勢為先降低后增加，當鋁的加入量為0～0.2%時，鋅層厚度逐漸降低，含量為0.2%時，鋅層厚度降到最低值，之后隨著鋁元素含量繼續增加，鋅層厚度不降反增，且在不添加Al元素時鍍鋅層厚度最大，由此可以說明在鋅液中加入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元素對鍍鋅層厚度的作用主要體現在對流動性能的影響。主要原因兩方面，一是鋁可以和鋅液中的鐵發生反應，生成三種化合物，分別為FeAl、FeAl2、FeAl3(也有稱Fe2Al5)，從而增加鋅液的流動性，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構，鋁和鐵的親和力強，鋅液中的鋁會優先和鐵基體發生反應，生成Fe2Al5，從而抑制鐵-鋅合金鍍層的進一步生長[13]。當鋁元素繼續增加之后，抑制作用更加明顯，因此降低鍍鋅層厚度。但鋁元素繼續增加到一定量之后，鋅液的流動性會明顯變差，尤其是鍍鋅溫度較低時，鋅液甚至會變粘稠。因此鍍層厚度增加，鋅耗增加。

2.6 正交試驗與分析

鍍鋅反應雖然很簡單但其涉及的過程卻十分復雜，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選取鍍鋅時間、鋅液溫度和合金成分3個因子，并且各取4個水平進行試驗，選用正交優化助鍍液配方，固定助鍍液溫度為65 ℃。

制定因子水平表如表2所示，正交試驗結果見表3所示。

表2 因子水平表

表3 熱浸鍍鋅試驗正交結果表

由正交試驗結果表3可知，極差R鍍鋅時間=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試驗指標的變化幅度，極差值越大，該影響因子對試驗指標的影響程度越大，越重要。

由極差值的大小順序可以得出，各影響因子對熱浸鍍鋅鋅層厚度影響從大到小的順序為鍍鋅時間、鋅液溫度、合金Al的含量，主次順序為A→B→C。

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

單因素試驗：鋅時間為150 s，鋅液為440 ℃，合金Al的含量為0.2%時，獲得的鋅層厚度為86.1 μm，滿足國家標準要求。故，最優鍍鋅工藝參數為鋅時間為150 s，鋅液為440 ℃，合金Al的含量為0.2%。

2.7 鈍化膜性能測試

依據《輸電線路鐵塔制造技術條件》GB/T2694-2018 附錄A 進行硫酸銅試驗，附錄B進行落錘試驗，試驗結果如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，選用正交優化助鍍液配方，固定助鍍液溫度為65 ℃，鋅液溫度為440 ℃，鍍鋅時間為150 s，合金Al的含量為0.2%(質量濃度)時，鍍鋅試樣未發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條件》GB/T2694-2018的要求，且鋅層厚度為86.1 μm。

圖5 硫酸銅試驗對比圖

圖6 落錘試驗對比圖

3 結論

(1)最優助鍍液成分為：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，鍍鋅時極少煙霧、煙灰生成，且鍍鋅層厚度最小為38.5 μm。

(2)最優鍍鋅工藝：正交優化助鍍液配方，助鍍液溫度為60-80℃，鍍鋅時間為150 s，鋅液為440℃，合金Al的含量為0.2%(質量分數)。

(3)通過最優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及落錘試驗，未發生漏鐵且鍍鋅層不凸起、不剝落，鋅層厚度也滿足國家標準要求。