纳米复合粉末渗锌与热浸镀锌工艺比较分析-改

纳米复合粉末渗锌与热浸镀锌工艺比较分析天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司2010年8月一、 引言钢铁构件的腐蚀与防护对国民经济的可持续发展具有重要的经济和社会意义。由于金属锌做钢铁构件的防腐材料，具有耐腐蚀性好、黏附性强、熔点低、易于涂覆以及“牺牲”阳极的电化学保护作用等特点，因而采用锌作为保护涂层材料是目前应用最广泛的工艺方法。据有关资料统计，世界上金属锌总产量的70用于镀锌，在我国约65的锌产量用于镀锌防腐工程。目前已开发了多种镀锌防腐工艺：如电镀锌（包括电镀、离子镀或离子注入等）、冷镀锌（包括机械镀、化学镀、涂刷镀等）和热镀锌（包括热浸镀锌、热喷涂镀锌）工艺等。本报告对热浸镀锌与纳米复合粉末渗锌工艺的特点进行了详细比较分析，为工程实际中合理选择与应用这两种工艺提供重要依据。二、 纳米复合粉末渗锌与热浸镀锌工艺特点比较传统粉末渗锌工艺是采用微米级的工业锌粉来实现渗锌过程的，而纳米复合粉末渗锌工艺利用纳米粉末特殊的热学性能及化学活性，对传统粉末渗锌工艺进行，降低渗锌过程加热温度、缩短保温时间并提高渗锌效率，可以获得防腐蚀、抗高温氧化、涂装及力学等综合性能更为优异的渗锌合金层。热浸镀是目前工程实际中常用的镀锌工艺之一，与热浸镀锌比较纳米复合粉末渗锌主要有以下优势和独特性：（1）、渗锌层厚度尺寸大、均匀型好且可以准确控制。镀层厚度是衡量其耐腐蚀性能的重要指标。粉末渗锌层厚度只取决于规范加热温度和持续时间，与构件的形状和不同位置无关。当处理形状比较复杂的构件时，渗锌层具有突出的优点，无论螺纹、内壁或凹槽等部位，通过控制规范即可获得在20-110um之间变化渗层，且渗层的厚度几乎相同；而热浸镀锌层厚度在15-110um，构件平面和边角渗层厚度有明显差别，厚度均匀性差。（2）、渗锌层硬度高，耐磨损和抗划伤能力强。试验表明纳米复合粉末镀层显微硬度最高可达586.7Hm、外层硬度可达279.7 Hm；而热浸镀层表面为纯锌，锌层硬度一般为75-88Hv。硬度越高表明镀层耐磨损性能越好、抵抗表面划伤能力也越强。（3）、渗锌层与基体金属的结合强度高。纳米复合粉末渗锌层为扩散冶金结合，当镀层厚度85um时渗层与基材有很高的结合强度；而热浸镀层虽为冶金结合但由于加热时间短，其结合强度低于粉末渗锌层。（4）、渗锌层耐腐蚀性强。粉末渗锌层为铁-锌合金组织，渗锌层与铁的电位差低于锌与铁的电位差。因而作为阳极性保护层，渗锌层具有更好的保护效果。实验表明在海洋大气、恶劣的工业大气等多种环境下，渗锌层的耐蚀性优于热浸镀锌和不锈钢。在同一种工业大气中，不锈钢腐蚀600天表面就会出现锈点，而粉末渗锌构件表面在1600多天后其表面仍不会出现锈迹。（5）、渗锌层涂覆性能好。粉末渗锌层均匀与油漆和高分子涂层材料之间具有很好附着强度，其复合涂层的耐腐蚀性优于热浸镀锌层。（6）、纳米复合渗锌过程温度低，不影响构件机械性能，没有氢脆现象。渗锌处理的温度比热镀锌低100-280，此温度下吸入钢基体的氢原子已扩散逸出。因此在应用中没有清脆的危害，也能避免弹簧等一些高强度件因处理温度高造成机械性能下降的局限性。（7）、锌粉消耗量低，节省原材料。热浸镀锌由于新蒸汽、锌灰、产生的锌渣及锌液飞溅、锌瘤毛刺等造成较多锌原料浪费；而粉末渗锌在密封容器中进行，所加锌粉可根据构建表面积和镀层厚度准确控制，耗锌量明显低于上述镀锌工艺。试验统计表明，粉末渗锌工艺耗锌量是热浸镀锌的60。（8）、生产过程无污染，劳动条件好。纳米复合粉末渗锌技术为固体渗锌，没有锌蒸气产生，构件与渗剂在密闭的容器中进行渗透和分离，生产过程以电力或油燃料作为主要能源，对周围环境没有污染，而热浸镀锌过程释放的锌蒸气对大气环境有很明显污染，操作人员容易产生锌蒸气中毒和高温锌液灼伤的事故。（9）、生产设备相对简单，使用维修成本较低。除前后处理外，粉末渗锌设备主要是加热保温炉，通常以电力或有燃料作为主要能源。设备具有控制简单、使用寿命长和维修量小等特点。三、 粉末渗锌层与热浸镀锌层综合性能比较通过试验对渗层的耐腐蚀性、抗磨损特性、抗高温氧化及力学性能等进行了研究。有关具体的试验结果如下。（1）、渗层的物理性能实验表明在合理的渗锌工艺下，渗锌层与基体之间为扩散冶金结合，因而具有良好的结合强度，在各种弯曲和冲击载荷作用下，渗层不会起皱和脱落。渗锌层为铁-锌合金，其硬度高于电镀锌、热镀锌和热喷涂锌，具有良好的耐磨损性。由于扩散冶金反应，在构件表面的拐角和凹槽部位都会形成厚度均匀的渗层组织结构。（2）、渗层耐腐蚀性能试验纳米复合粉末渗层具有良好的耐腐蚀性能和厚度均匀性。中性盐雾试验和渗层均匀性检测的硫酸铜试验结果如表1和2所示。渗锌层性能明显高于热镀锌试样和有关国家标准规定的使用性能要求。表1 粉末渗锌层中性盐雾试验结果检验单位检验标准试验时间(h)试验结果结论天津市质量监测站66站GB/T10123-19971080渗锌试样1080小时未出现锈蚀渗锌试样防腐性能明显优于热镀锌试样96热镀锌试样96小时出现锈蚀注：天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司的检验报告对渗锌的有关螺母和螺柱进行了渗层均匀性硫酸铜试验，其结果均超过国家标准GB5958对产品性能的规定值，如表2所示。表2 粉末渗锌层硫酸铜试验结果试样名称渗层厚度（）出现镀铜色试验次数单个最小值单个平均值全部平均值螺母60-8090-1131107螺柱70-96101-1021125-6GB5958规定值3558654对渗锌层的耐海水腐蚀和抗高温流动水腐蚀进行试验研究，试验结果分别见表3、4所示。模拟海水浸泡加速腐蚀试验在30%NaCl水溶液中进行（一般海水为3%NaCl）；流动水冲刷试验条件为：pH=7.2，水温60，冲刷腐蚀3500h。对公司原来的粉末渗锌（S1渗剂）与纳米复合粉末渗锌（S5渗剂）的耐腐蚀性能进行了对比试验，试验在3%硫酸（H2SO4）溶液和3%的盐酸（HCL）溶液中进行，试验结果如表5和6所示。表3 粉末渗锌层在30%NaCl水溶液中加速腐蚀试验试验材料腐蚀时间（day）结 果Q235钢热浸镀锌30030%-40%表面出现锈蚀Q235钢渗锌300表面颜色变暗、无锈蚀表4 粉末渗锌层抗流动水冲刷腐蚀试验镀锌类型腐蚀速率（g/m2.h）腐蚀深度（）腐蚀深度比热浸镀锌0.036117.61.00渗锌0.023211.21.57注：流动水温度为60，pH=7.2，参考文献1试验条件。表5 S1和S5渗剂渗层在3%硫酸（H2SO4）腐蚀液中腐蚀速率渗剂 编号试样尺寸（mm）试样原重（g）腐蚀5min后重（g）5min减重（g）腐蚀速率（g/m2.h）腐蚀15min后重（g）15min减重（g）腐蚀速率（g/m2.h）S15.6647.024.549.968549.22460.74392868.247.62072.34783017.4S55.5847.624.3448.945948.41550.53042040.047.11691.82902344.8表6 S1和S5渗剂渗层在3%盐酸（HCL）腐蚀液中腐蚀速率渗剂 编号试样尺寸（mm）试样原重（g）腐蚀5min后重（g）5min减重（g）腐蚀速率（g/m2.h）腐蚀15min后重（g）15min减重（g）腐蚀速率（g/m2.h）S15.8249.025.053.123752.73250.39121417.752.13750.98621191.3S55.7847.5424.6650.401149.96960.43151357.249.42570.97541227.2由上述结果可看出，粉末渗锌层耐腐蚀性能明显高于热浸镀锌层。（3）、渗层硬度和耐磨损性能试验表明粉末渗层具有良好的硬度和耐磨损性能。硬度试验结果如表7所示，Q235钢渗层和热浸镀锌的标准圆环磨损试验结果如表8所示。表7 粉末渗层硬度试验比较镀层类型显微硬度（Hm）渗层内侧渗层中部渗层外层一般碳钢-140-165热浸镀锌26514771纳米渗锌404-587309-365224-283表8 粉末渗锌标准圆环磨损试验试样类型原始直径（mm）磨后直径（mm）磨损量（mm）磨损率（1/100）Q235母材32.02031.9880.0320.999热浸镀锌32.15032.1140.0361.120渗锌132.14032.1250.0150.467232.16032.1460.0140.435332.09032.0750.0150.467注：标准试样外径D=32mm，内径d=15mm，厚度t=5mm。（4）、渗锌过程对母材力学性能的影响粉末渗锌加热最高温度为350-450范围，保温时间一般为40-150min，加热温度低于钢材的相变温度，不会影响母材的抗拉强度b和屈服应力s。试验结果如表9所示，试样为Q235钢经渗锌后加工成10的标准拉伸试样，在材料万能拉伸试验机上进行。表9 粉末渗锌工艺对Q235钢力学性能的影响渗锌处理试样屈服应力s（Mpa）抗拉强度b（Mpa）124841822664233253428Q235钢标准值（40）240410-430表10 粉末渗锌对材料力学性能的影响检验单位检验标准试样类型屈服应力s（Mpa）抗拉强度b（Mpa）天津市质量监督检测站66站GB2317-85热浸镀锌（LL650）520650粉末渗锌（LL650）620715天津市质量监督检测站12站GB3098.1-82热浸镀锌（8.8S）-788粉末渗锌（8.8S）-880注：天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司的检验报告（5）、渗锌层抗高温氧化性 试验表明，渗锌层具有较高的抗高温氧化能力，在600炉中保温4小时，渗层表面完好无变化；在900炉中保温2.5小时，外表仍完整。而普通钢构件在600表面已全部氧化，螺栓螺母紧固件将完全烧死很难拆开，经渗锌后不会出现烧死现象。四、分析结论许多研究表明，渗锌扩散层与热浸镀锌比较具有一系列优良的性能。渗锌层良好的综合性能是由其本身的物理冶金特征所确定的。由于扩散冶金结合，渗锌层与基体的结合强度明显比较高，而在渗层中随着铁-锌合金中锌浓度的变化，使其性能也逐渐改变；铁-锌渗层是阳极覆盖层，比被保护钢铁的电位负、且电位差值较低，因而在腐蚀介质中具有更有效的保护作用。即使在渗层局部损坏的情况下，渗层与基体形成的电解偶也能有效保护基体金属不腐蚀。另外，渗锌层为致密的完全没有空隙的冶金层，具有很高的硬度和抗磨损特性，这种均匀的渗层也会对基体性能起到良好的保护作用。在大气环境、酸性工业气氛、中性和微碱性（pH=6-12）等各种介质中，渗锌层均具有良好的耐腐蚀性能。这主要是由于在锌表面形成的一层致密的ZnCO3.3Zn(OH)3保护膜，这种保护膜与渗层结合牢固并且是很难溶解的腐蚀产物，它阻挡了腐蚀剂与金属的接触，阻止了腐蚀的进一步发生。因而，粉末渗锌层具有更高的耐腐蚀寿命。五、结论与热浸镀锌比较，纳米复合粉末渗锌利用了纳米粉末特殊的热血性能（由于颗粒细小导致比表面能高、活性大，实现金属原子扩散过程的温度较低）及化学活性（随颗粒比表面提高，扩散速大幅度上升），可以获得硬度较高、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能及力学等综合性能更为优异的渗锌防护层。参考文献1（苏）利亚霍维奇主编，孙一唐等译，金属和合金的化学热处理手册，上海科技出版社，198