表面技术课程设计 江苏大学

1、表面技术课程设计J I A N G S U U N I V E R S I T Y表面技术课程设计学 生 姓 名 张 永 雷专 业 班 级 金属 1101学 号 3110702018指导老师 邵红红 纪嘉明完 成 日 期 2014 年 1月目录一、零件图2二、服役条件2三、暴露在大气中的钢管常用涂镀层分析3四、热镀锌工艺流程4（一）热镀锌层形成过程4（二）工艺流程52.1碱洗52.2酸洗62.3助镀液82.4热镀锌11五、镀层性能测试15六、主要工艺设备17七、车间分布图18钢管热镀锌课程设计一、零件图（图1） 图1 钢管零件图二、服役条件分析钢管在 自然条件下的腐蚀钢管在使用过程中接触到 大

2、气、水、土壤 等腐蚀 解质,大量钢 管毁于 这类腐蚀,因此,找到适宜的涂镀技术防止钢管 在自然条件下的腐蚀是十 分重要 的。由钢管的服役条件可知，防腐蚀是钢管所需的最重要的性能。三、暴露在大气中的钢管常用涂镀层分析1、防锈漆:可保护金属表面免受大气、海水等的化学或电化学腐蚀的涂料。可分为物理性和化学性防锈漆两大类。前者靠颜料和漆料的适当配合，形成致密的漆膜以阻止腐蚀性物质的侵入，如铁红、铝粉、石墨防锈漆等；后者靠防锈颜料的化学抑锈作用，如红丹、锌黄防锈漆等。用于桥梁、船舶、管道等金属的防锈。2、镀锌:锌的标准电极电位为-0.76V，对钢铁基体来说，锌镀层属于阳极性镀层，它主要用于防止钢铁的腐蚀

3、，其防护性能的优劣与镀层厚度关系甚大。锌镀层经钝化处理、染色或涂覆护光剂后，能显著提高其防护性和装饰性。近年来，随着镀锌工艺的发展，高性能镀锌光亮剂的采用，镀锌已从单纯的防护目的进入防护-装饰性应用镀锌分为两种：热浸镀锌和电镀锌。电镀锌是利用电解，在制件表面形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程，容易产生氢脆现象，零件必须在电镀后2h内,镀酸盐处理前，在温度190°C220°C下烘干48h，进行去氢处理钝化工艺都采用铬酸钝化，毒性大，严重污染环境。现已逐渐用低浓度铬酸(三价铬)代替高浓度铬酸，但六价铬的污染仍不可避免。镀层表面有一定的光泽，颜色根据钝化的封闭类型来

4、决定。热镀锌是将已清洗洁净的铁件，经润湿作用，浸入锌浴中，使钢铁与熔融锌反应生成一合金化的皮膜。电镀锌是钢铁在冷却的条件下在表面镀锌，而热镀锌是钢管在热浸的条件下对表面镀锌，它的附着力很强，不容易脱落，热镀锌管虽然也出现锈蚀的现象，但在很长的周期可以满足技术、卫生要求。电镀锌的防腐效果要远低于热镀锌。3、磷化：在含有锌、锰、钙、 铁或碱金属磷酸一代盐溶液进行化学处理，在其表面形成一溶于水质磷酸盐膜，磷化膜的硬度低厚度为14m磷化产生的氢脆很小，对机械能能影响小表面无光泽，是哑光的，出现色泽不一的磷膜， 但不允许出现褐色。多数为灰色、黑灰色4、发蓝:是将钢在空气中加热或直接浸於浓氧化性溶液中，使

5、其表面产生极薄的氧化物膜的材料保护技术，也称发黑。钢铁零件的发蓝可在亚硝酸钠和硝酸钠的熔融盐中进行，也可在高温热空气及500以上的过热蒸气中进行，更常用的是在加有亚硝酸钠的浓苛性钠中加热。发蓝时的溶液成分、反应温度和时间依钢铁基体的成分而定。发蓝膜的成分为磁性氧化铁，厚度为0.51.5微米，膜层较薄，膜层附着力和耐磨性差，成本低。颜色与材料成分和工艺条件有关，有灰黑、深黑、亮蓝等。单独的发蓝膜抗腐蚀性较差，但经涂油涂蜡或涂清漆后，抗蚀性和抗摩擦性都有所改善。发蓝时，工件的尺寸和光洁度对质量影响不大。故常用於精密仪器、光学仪器、工具、硬度块等。镀锌和磷化防腐性能都要优于发蓝。而镀锌的防腐性能要优

6、于磷化。工艺方面，防锈漆使用简单，但维持时间较短，适用于修补工件。成本方面，发蓝的成本最低。电镀锌与磷化的成本相当，热镀锌最贵。综合使用性能、工艺性能、经济性能，对于钢管的防腐应采用热镀锌技术。四、热镀锌工艺流程（一）、热镀锌层形成过程热镀锌层形成过程是铁基体与最外面的纯锌层之间形成铁-锌合金的过程，工件表面在热浸镀时形成铁-锌合金层，才使得铁与纯锌层之间很好结合，锌层形成主要是由于界面反应与扩散反应的结果。其过程可简单地叙述为：当铁工件浸入熔融的锌液时，首先在界面上形成锌与铁(体心)固熔体。这是基体金属铁在固体状态下溶有锌原子所形成一种晶体，两种金属原子之间是融合，原子之间引力比较小。因此，

7、当锌在固熔体中达到饱和后，锌铁两种元素原子相互扩散，扩散到(或叫渗入)铁基体中的锌原子在基体晶格中迁移，逐渐与铁形成合金，而扩散到熔融的锌液中的铁就与锌形成金属间化合物FeZn13，沉入热镀锌锅底，即为锌渣。当工件从浸锌液中移出时表面形成纯锌层，为六方晶体。其含铁量不大于0.003%。（二）、工艺流程（见图2）钢管碱洗(脱脂) 水洗 酸洗(除锈) 清水漂洗浸助剂烘干热浸镀锌 外吹 内吹空冷 水冷钝化水漂洗检验称量包装入库图2 热镀锌工艺流程图钢管表面预加工的目的主要保证镀层能很好地附着在钢管表面, 如果表面预加工不彻底, 表面上残留的污物, 就会减弱和阻止铁和锌之间的扩散渗透作用, 使镀层与钢

8、管表面不能很好的结合, 最后导致剥落。实际生产证明, 热镀锌管的大部份废品都是由于表面准备的不完全所造成。2.1碱洗(脱脂)热碱溶液法： 大多数钢结构件尺寸较大，油污较轻，故在脱脂方式上宜选用成本较低的化学脱脂方法。热碱溶液法即是化学脱脂方法的一种。热碱脱脂溶液适合用于大多数油污表面，并对某些油漆、快干漆及清漆也有清除作用。常用的热碱溶液为 NaOH浓溶液（表1），这是一种强力清洗剂，可出去大部分皂化油及非皂化油。碱脱脂液通常使用温度为85，根据污染的性质和程度，浸渍时间为120分钟，一般处理时间小于5分钟。若增加搅动还可以缩短时间。将制件悬挂在脱脂浴中，让循环溶液在制件表面部分自由循环流动，

9、反应产物将沉于池底淤积。脱脂浴表面若有泡沫聚集应及时清除。制件脱脂后应立即浸入热水中清洗，如果有可能的话，可再以流动冷水清洗。若制件未经水洗即浸入酸洗工序，则制件表面附着的碱会与酸反应，造成酸的不必要浪费。另外，脱脂后的清洗也不宜与酸洗后的清洗在同一个池内进行。 表1 脱脂工艺参数脱脂液成分用量温度/时间/min氢氧化钠g/L15020070901015水玻璃g/L70802.2酸洗(除锈)大部份酸洗都使用盐酸，在某些国家是用硫酸，两者各有其特性，我们应该个别视之。我们在酸液当中也会添加抑制剂。 HCl 盐酸 工业用盐酸浓度一般是28-32% w/w，再

10、加水以50:50 比例稀释，得到浓度约14-16% w/w 的盐酸。使用盐酸通常在1821之室温下，若温度在18以下酸洗反应非常缓慢。 H2SO4 硫酸 用硫酸H2SO4 酸洗比起盐酸HCl快很多，但必须在65的高温。买来的H2SO4 是未经稀释的纯酸，使用时稀释H2SO4溶液浓度至1014%。通常在酸洗槽周围有吸烟设备。然而市场价格H2SO4比HCl便宜，但这节省下的成本可能被额外增加的加热成本所抵销。另外酸洗过后的钢件必须经过水洗，因为需要处理费用，所以清洗水是在静止槽，当酸洗槽无法再用，这清洗水是用来配制新酸

11、溶液。 1、盐酸酸洗的特点盐酸除锈速度快, 效率高, 酸洗时间随着温度的升高、浓度的增大而缩短。实验数据见表2 。表2 温度、浓度对盐酸洗的影响但在高温下酸洗有多种不利: 氯化氧气体挥发造成酸的损耗, 有害人体, 污染环境, 且渗氢作用增强。另外, 用盐酸强腐蚀, 虽然浸蚀速度加快, 但当盐酸浓度在20%以上时, 基体金属的浸蚀速度比氧化物的浸蚀速度要快得多( 见图3) , 而且酸雾较大, 故一般使用15%左右的盐酸进行除锈。 图3 室温时钢和氧化铁在盐酸中的浸蚀速度与HCl 浓度的关系以HCl酸洗后的钢件，再以清水清洗，理想上要洗两次。无论如何，实际上只有一次，有时连一次都没有。&

12、#160;清洗包括一些目的： 1）减低过量的HCl被带入助熔剂。 2）减低过量的铁被带入助熔剂。 过量的酸带入助熔剂将导致PH 降低，这个转变将使在助熔剂处理时，增加铁离子分解到助熔剂，铁离子的增加虽不会减低助熔剂效用，但将增加镀锌槽锌渣的产量。记住锌渣包含5%的铁和95%的锌，过量的铁带入助熔剂的影响和HCl相似，将增加锌灰的产生。2、管内除锈用除锈剂浸泡钢管。所除下的锈层通过斜置于通池水洗段的轨道, 将清水从高端冲下, 低端流出, 从而冲掉管内的锈层。再将低端的水用耐酸泵抽至高端, 如此循环往复。烘干段也照样将轨道斜置, 使管内余水流尽。2.3助镀液 

13、;现今助镀液是镀锌过程必要的一部份，但也有例外。最早钢件以酸洗去除杂质和铁锈，之后直接浸入溶锌槽。虽然此过程简单，但因耗锌量高、成本昂贵。助镀液的导入，能使热浸镀锌业者降低钢件之锌层的厚度，改善成品质量，增加产能及降低成本。 1、 助镀剂（三基盐和60 助镀剂） 以热浸镀锌而言，钢件在经过脱脂、酸洗和水洗之后，助镀剂溶液本身是以氯化锌铵组成而发展出来的。 助镀液以不同比率的氯化锌与氯化铵混合而成: (1)60% w/w ZnCl2 ： 40% w/w NH4Cl- 

14、特殊的Tego(2)1 份 ZnCl2 ： 3 份 NH4Cl - 三基盐  另外，添加润湿剂以改善助镀液的功能。 2、功用 助镀剂有几点功用： 1）防止烘干时钢件表面氧化。 2） 分解溶融锌液附着在金属表面的氧化锌层。氧化锌产生是因为空气中的氧和溶融锌液之反应（450460），当钢件浸入溶融锌时，氧化锌层附着其上。金属表面形成氧化锌，则内层的锌铁反应将受很大的影响，将造成镀件的浸镀时间较原来长，时间加长，最终将增加钢件上锌层厚度。氯化锌是易受潮

15、所以优先吸收钢件表面水分，因此可防止浸过助镀液的钢件，在烘干时生氯化铵在锌槽中会分解产生盐酸和氨水，盐酸会和氯化锌吸收的结晶水，结合产生两种Hydroxy 酸(HCl(OH)2)H2和 (ZnCl2(OH)2)H2 + HCl。此两种Hydroxy 酸可以分解钢件表面所生之氧化锌层。 3）活化钢管表面，从而提高锌液润湿铁基体的能力，使钢管机体金属与镀锌层之间能很好地结合。3、助镀液工艺条件1）温度 助镀液的最适温度是60-65，温度较低，助熔剂附着会较不均匀且较没效果；温度较高，则助熔剂附着太厚，增加消耗。当然若附着较厚助熔

16、剂在工件上锌灰产生会降低。不过太厚时则成反效果。 2）时间 一般需 2  5 分钟即可得到好的助熔剂附层，这也让钢件充分加热以助烘干。延长在助镀液浸泡时间，将增加在酸性助熔液中铁的含量。另外在助熔剂附层会产生FeCl3 氯化铁，它将吸收干躁时残留的水份，导致浸镀时，熔融锌液与铁离子和水反应，增加氧化锌和锌灰之生成。 3）PH 助镀液的PH 控制在 3 5.5 。当PH 降低，更多的铁将被分解入助镀液，导致氯化铁FeCl3 含量增加，锌灰产生将增加

17、。 4）铁Fe 助镀液应该控制铁的最大含量 10g/L，维持低含量铁是低锌灰产生的关键。助熔剂的铁含量超过10g/L。仍可继续操作，但锌灰和锌的耗费将增加.5） 润湿剂 添加0.20.5% V/V的润湿剂，将有助于增加助镀剂附层的效果和均匀性。4、 镀锌用之FLUX FLUX 目前被广泛使用于镀锌，它改善铁与锌在锌槽中之反应，可以获得较佳之镀件外观，降低表面瑕玼之不良率。 一般而言有两种FLUX 方式：湿式和干式。 我们在此仅考虑， 广泛使用的干式法。 F

18、LUX 之最佳状况如后： 组成 ： ZnCl2 ： 40-60% NH4Cl： 40-60% 浓度 ： 400 - 500 克/升 温度 ： 40- 60PH值 ： 4.2  4.5 ZnCl2 作用在于形成保护膜，降低工件在酸洗到镀锌过程间氧化之机会， ZnCl2 容易吸收水份，所以此膜必须薄，避免干躁后吸入水份。 NH4Cl是FLUX

19、之基本组成，它可以降低钢件表面氧化铁之残存2NH4Cl + FeO FeCl2 + 2NH3  + H2O NH4Cl之挥发性高，所以FLUX中它的成份比例不应超过以免浸镀时浓烟产生。5、烘干 助熔剂层在浸入镀锌槽时必须彻底烘干，金属最高温应在110140间。温度必须热得足够蒸发助熔剂层里剩余的水，但不应超过150，因为氯化锌的结晶水也会蒸发，结晶水会产生两种 Hydroxy酸，它们将可分解钢件浸入锌槽时表面所形成之氧化锌层。钢管的干燥时间为37分钟，也可根据钢管的规格、壁厚不同掌握烘

20、干温度。常用的烘干方法有热板烘和热风吹。2.4热镀锌：钢管的热镀锌采用齿盘全浸式半自动镀锌方式拨入、压下、螺旋、拔出、提升的机械原理，完成热镀锌过程。工艺参数控制：锌液温度应控制在440-480之间；温度过高就会使镀层塑性急剧降低, 同时缩短锌锅寿命, 镀锌温度过低则增加锌液的粘度, 造成镀层过厚或不均浸锌。钢管在锌液中的浸渍时间应当尽可能的少，因为增加镀锌时间会促进形成脆性相，它降低了镀层的塑性，时间应控制在25-50秒之间（表3）；加铝量（锌液面含铝量0.01-0.02%）表3 不同规格钢管镀锌工艺参数钢管规格（外径）/mm浸锌时间/s浸锌温度/21.313047026.83047033.

21、52747542.3274754825480603048075.530480锌锭参数：锌锭使用应为国标Zn0-3锌锭。向锌锅内加锌时，锌锭要先预热，加锌时决不允许一捆捆加锌，加锌每次最多不多于五块，应将锌锭纵向贴向锌锅壁面缓缓划下，以免冲击损坏锌锅和溅出大量锌伤人；锌液内严禁铁类物质掉入，以防产生大量锌渣。熔锌时应缓慢加热，不可烧急火，否则会有损镀锌锅的寿命，而且有大量的锌蒸汽挥发出来。要定时清出锌液表面的锌灰。1、镀锌：经烘干处理的钢管通过烘干炉链条逐根移出,进入炉辊道, 然后运送至镀锌机（见图4）, 由锌锅侧面自动滚入镀锌机中的3根浸锌螺旋内。为了排出钢管内的空气, 3根螺旋的相位不同,

22、使钢管在螺旋上成倾斜状态(向后上方倾斜)。随着浸锌螺旋的转动, 钢管一面向下移动一面形成倾斜角, 然后进入锌液, 并继续向下移动, 与此同时, 钢管内的空气由高端排除。最后钢管自动跌落在锌锅内的滑轨上, 由拨料机构将其横向拨至外侧, 再由提管机的两个提升钩将钢管以14°倾斜角提出锌液, 抽出速度控制在11.2m/s，这时钢管内的锌液从较低的一端流出，抽出速度过低，在钢管抽出过程中铁锌合金层于纯锌层相互扩散，使得纯锌层几乎全部变成合金层，并形成茶褐色的薄膜，降低镀层的弯曲性能。过快，钢管表面上过剩的锌液来不及滴尽，则在钢管表面附着过量的锌液，使镀层凹凸不平，也不光滑。当钢管提升至磁力辊

23、辊面时, 便被其吸住并纵向移动到曳出辊道上。图4 立式镀锌机示意图2、镀锌管的引出控锌与外吹：(1)控锌大多数机组中，钢管由锌液中提出后，需要在锌锅上方停留一段时间，以使得多余的锌液刘霞，称为控锌。其目的：滴落多余的锌液，使锌层趋于均匀；降低锌的单位消耗；减少磁力辊冷却黏附锌片，避免划伤锌层。(2)外吹 镀锌管提出后，采用磁力辊道把镀锌管引出，引出机的转数不要太快，让锌在内吹前流净，钢管沿磁力辊道前进时, 通过一个外吹环（图5）, 外吹环上有一排小孔, 通过压缩空气, 可将钢管多余的锌液吹去获得光洁的外表面, 外吹气压约0.25 0.4MPa。外吹环角度要与磁辊成平行直角，纵向、横向位置要正，

24、保证镀锌管在风环中间通过。磁力辊道倾斜置放, 倾角为14° , 在满足生产节奏的前提下, 降低曳出速度, 可以控制上锌量,降低锌耗。但曳出时间过长, 钢管温度下降过多,会造成管表面附着的锌液粘度过大, 不但影响内吹质量, 而且使锌耗增加。安装磁力辊时，五个磁力辊上下左右必须在一条中心线上，保证外吹的后的镀锌管锌层均匀。外吹风环在无风条件下禁止镀锌管通过，以免造成风孔堵塞，影响外吹的质量。根据镀锌钢管规格更换同规格的风环，风环不能用其它规格代替。在下列情况下应调整风压： 镀锌管外表面锌层太厚。外吹后锌层表面发暗。外吹后锌层表面粘附着杂物和条状不干净物应调节风量。图5 外吹环示意图3、镀

25、锌管的内吹、横移及水冷1) 钢管在14°倾斜的曳出辊道上移至辊道端部时, 步进机构动作, 将钢管横移至内吹工位, 夹紧机构随着动作将钢管头夹紧, 进行内吹（见图6）, 内吹利用高压的过热蒸气, 其压力为1 1.2 MPa, 温度为275 , 内吹时间可调整操纵台上的时间继电器予以控制。内吹可除去钢管内表面多余的锌液, 获得光洁的内表面, 被除去的锌液形成锌粉, 吹入内吹箱, 并被引到布袋除尘器, 予以回收。2) 钢管在步进机上逐根横移, 一直到钢管落在3个升降拖架上为止。此时托叉下降, 将钢管抛入到水冷槽的输送链上, 并浸入水中进行水冷, 钢管经冷却后, 由输送链逐根移出水冷槽, 3

26、根输送链倾斜布置, 使钢管内部的水及时排出。水冷槽的温度控制在80 左右, 冷却水用泵送到冷却塔进行冷却后循环使用, 冷却塔的冷却能力为20万大卡/h, 冷却塔的温降为7, 冷却水的循环流量为30 t /h。3) 钢管经水冷后由输送链移出水冷槽, 脱落在检验台架上, 经检验将漏镀管挑出放入废品筐内, 成品管送入输出辊道。图6 内吹装置示意图4、钝化：含义：当制件需要较长时间的贮运时，应对之间进行钝化处理，以防止在储运过程中产生腐蚀。其腐蚀产物通常称为白锈。常用钝化方法有铬酸盐（参数见表4）。成品管在辊道输送过程中经一个钝化液喷淋吹环, 使管表面得到钝化处理, 再经一个外吹环, 用压缩空气将多余

27、的钝化液吹除, 之后钢管被拨上一个烘干台架, 台架下铺设蒸汽加热管排, 将钢管烤干。1、钝化方式采用热镀锌管在跑道上面直接喷淋钝化液，在距离喷淋位置一米的地方经汽刀抹拭吹净附液，注意一定要吹净。2、采用压缩冷气抹拭，吹掉钢管表面的附液并使涂层均匀。通过调整气压大小调整涂层的厚度，决不能有多余液珠附在锌管表面上。表4热镀锌钝化工艺参数成分用量温度/钝化时间/s铬酐（CrO3）/g·L-166.5152030氢氧化钠（NaOH）/g·L-145水/g·L-1990五、镀层性能测试为了评定镀层质量必须对镀层进行性能测试及质量检查。1、被层外观检查这是最从本和常用的检查方

28、法, 外观不合格的镀件无需进行其他项目的测试。外观主要用目力加以观察。对于热浸镀锌钢管要求内外壁必须光滑、密致、无漏镀现象, 不允许有大面积的局部超厚及锌珠、锌毛刺等。2 . 镀层结合力试验结合力是把单位面积镀层从基休金属分离出来所需的力, 镀层结合力不好多数由于镀前表面处理不良所引起。评定结合力的方法很多, 但定量测定则较困难, 只下列五种方法来评定镀层结合力。( 1 ) 弯曲试验: 将钢管展开并切成5 0 mm宽试样, 夹在台钳上反复弯曲直至从体断裂, 不允许镀层起皮脱落。( 2 ) 锉刀试验: 将试验的镀件夹在台钳中, 用粗锉刀锉镀件边棱, 锉刀与镀件表面成45°角, 由基体金

29、属向镀层方向锉, 镀层不得脱落和揭起。( 3 ) 划痕试验: 在试验的镀件表面纵横交错划痕, 直划到基体金属, 划痕交错处无镀层脱落与剥离现象。3 、镀层均匀性试验试验主要检验镀层在零件上分布的均匀性和完整性及零件的保护性能。试验时任意选> 1 50 m m 试样, 表面去油污并擦洗干净, 浸渍在硫酸铜溶液中进行试验, 每次浸渍时间一分钟, 取出后用清水冲洗并用软刷将黑色沉淀物刷净, 再用软布擦干, 先后连续浸渍5 次, 经最后清洗擦干后不得在母材上呈现金属铜的红色沉积, 如有红色铜沉积, 表明母材部份已腐蚀。4 、镀层加速腐蚀试验加速腐蚀试验是模拟自然条件, 强化腐蚀环境, 快速评定镀层的抗腐蚀性能。加速腐蚀试验的方法较多, 试验采用中性盐水喷雾试验。试验在Y 62 一1 A 型盐雾试验箱中进行, 试验温度3 5 士2 , 相对湿度9 5 士3 % , 盐溶液浓度5 % N a Cl, PH 值6.57.2。盐雾收集量: 1.2ml/ h/ 8 0 cm,喷雾时间: 连续喷雾8 小时, 停喷密闭1 6 小时为一周期。5、镀层厚度测定镀层厚度对于镀层质量特别重要, 它在很大程度上影响产品的