第二章　鋼鐵熱鍍鋅基礎(chǔ)理論

第一節(jié)　鋼鐵材料熱鍍鋅的性質(zhì)

一、鋼鐵熱鍍鋅的特征

熱浸鍍（hot dip）簡稱熱鍍，是將被鍍金屬材料浸于熔點較低的其他液態(tài)金屬或合金中進行鍍層的方法。鋼鐵材料是熱浸鍍的主要基體材料，因此，作為鍍層材料的金屬的熔點必須比鋼鐵的熔點低得多。常用的鍍層金屬有鋅（熔點為419.5℃）、鋁（熔點為658.7℃）、錫（熔點為231.9℃）和鉛（熔點為327.4℃）等。鋼鐵材料熱鍍鋅基本特征是在鋼基體與鋅鍍層之間有合金層（alloy layer）形成，且當鋼鐵件表面從熔融的金屬鋅液中提出時，在此合金層表面附著一層熔融金屬鋅，經(jīng)冷卻凝固后形成金屬鋅鍍層。

1.熱鍍鋅的過程

熱浸鍍鋅的整個過程，是將經(jīng)過預(yù)處理的鋼鐵件浸入溫度為445～460℃熔融的鋅液（浴）之中去。首先，在瞬間鋼鐵制件就吸收了大量的熱量，使鋼鐵制件表面上的鋅液突然受冷，使之在瞬間內(nèi)凝固于鋼鐵制件表面，形成了一層固體外殼，由于熱量的繼續(xù)大量供給，這層外殼很快受熱而熔化。當鋼鐵制件表面溫度與鋅液溫度達到平衡時，熔融的鋅液就開始與鋼鐵相互作用。經(jīng)過一段時間，使鋼鐵表面上就產(chǎn)生了鐵-鋅合金層；鐵-鋅合金層的外側(cè)連接著純鋅層，當冷卻后純鋅層結(jié)晶，在鋅層內(nèi)側(cè)連接著鋼基體。其整個過程較為復(fù)雜，它包括了物理變化、化學變化，鋼鐵的固體與熔融的鋅液發(fā)生了浸潤、擴散、溶解，其過程進行的速度隨著鋼材的化學成分、鋅液的溫度、浸鋅的時間與深度有很大的關(guān)系。

2.適應(yīng)熱鍍鋅的鋼材

用于鋼管熱鍍鋅的鋼材，通常為低碳鋼（含碳量為0.10％～0.20％），但對于一些特殊用途，則采用中碳或高碳鋼，低碳鋼即通常講的Q195、Q215、Q235、Q295和Q345鋼。低碳鋼化學成分見表2-1。

二、熱鍍鋅與電鍍鋅的區(qū)別

先介紹一下什么是電鍍鋅，電鍍鋅俗稱冷鍍鋅，也稱為水鍍鋅；它是采用電化學的方式，將鋅錠作為陽極，鋅原子失去電子后成為離子狀態(tài)溶解到電解液中，而鋼材料作為陰極，鋅離子在鋼材上得到電子還原成鋅原子沉積到鋼材的表面，實現(xiàn)鍍層形成均勻、致密、結(jié)合良好的金屬或合金沉積層的過程。與其他金屬相比，鋅是相對便宜而又易鍍覆的一種金屬，屬于低值防蝕電鍍層，被廣泛用于保護鋼鐵件，特別是防止大氣腐蝕，并用于裝飾。鍍覆技術(shù)包括槽鍍（或掛鍍）、滾鍍（適合小零件）、自動鍍和連續(xù)鍍（適合線材、帶材），目前，國內(nèi)按電鍍?nèi)芤悍诸悾煞譃樗拇箢悾呵杌镥冧\；鋅酸鹽鍍鋅；氯化物鍍鋅；硫酸鹽鍍鋅。

熱鍍鋅也稱熱浸鍍鋅（galvanizing），是鋼鐵構(gòu)件浸入熔融的鋅液中獲得金屬覆蓋層的一種方法。熱鍍鋅層形成過程是鐵基體與最外面的純鋅層之間形成鐵-鋅合金的過程，鋼制件表面在熱浸鍍時形成鐵-鋅合金層，才使得鐵與純鋅層之間很好結(jié)合，其過程可簡單地敘述為：當鐵工件浸入熔融的鋅液時，首先在界面上形成鋅與α鐵（體心）固溶體。這是基體金屬鐵在固體狀態(tài)下溶有鋅原子所形成一種晶體，兩種金屬原子之間是融合，原子之間引力比較小。因此，當鋅在固溶體中達到飽和后，鋅鐵兩種元素原子相互擴散，擴散到（或叫滲入）鐵基體中的鋅原子在基體晶格中遷移，逐漸與鐵形成合金，而擴散到熔融的鋅液中的鐵就與鋅形成金屬間化合物FeZn₁₃，沉入熱鍍鋅鍋底，即為鋅渣。當鋼制件件從浸鋅液中移出時表面形成純鋅層，為六方晶體。其含鐵量不大于0.003％。

以“干法”熱鍍鋅為例分析，鋼管涂上氯化鋅、銨助鍍?nèi)軇┰诤娓蔂t上預(yù)熱至150～200℃的溫度后，進入溫度為440～450℃的鋅液中去。首先，在瞬間鋼管就吸收了大量的熱量，使鋼管表面上的鋅液突然受冷，使之在瞬間凝固于鋼管表面，形成了一層固體外殼，由于熱量的繼續(xù)及大量的供給，這層外殼很快受熱熔化。當鋼管表面溫度與鋅液溫度達到平衡時，鐵與鋅就開始相互作用。因此，鋼管表面鍍鋅的實際過程，是按下列步驟進行的：固體鐵溶解；鐵與鋅結(jié)合成鐵-鋅合金化合物，產(chǎn)生了鐵-鋅合金層；鐵鋅合金層的外側(cè)連接著純鋅層，當冷卻后純鋅層結(jié)晶，在鋅層的內(nèi)側(cè)連接著鋼基體。因此，熱鍍鋅過程主要是由于擴散作用而形成鍍鋅層的過程。電鍍鋅與熱鍍鋅具體過程的主要區(qū)別在以下七個方面。

①熱鍍鋅鍍層一般鋅層較厚，大約在40μm以上，甚至高達200μm以上，熱鍍鋅覆蓋能力好，鍍層致密，沒有污物夾雜。防腐能力較強，所以是通常采用的一種鍍鋅工藝。而電鍍鋅鍍層很薄，大約3～15μm，鍍層重量只有10～50g/m²，熱鍍鋅層一般是電鍍鋅層的10～20倍。當鋅層破壞嚴重甚至危及到鐵基體時，鋅對基體產(chǎn)生電化學保護，鋅的標準電位-0.76V，鐵的標準電位-0.44V，鋅與鐵形成微電池時鋅作為陽極被溶解，鐵作為陰極受到保護。顯然熱鍍鋅對基體金屬鐵的抗大氣腐蝕能力優(yōu)于電鍍鋅。

②熱鍍鋅層表面較粗糙、明亮，嚴重者有鋅花，電鍍鋅層則光滑、灰暗（發(fā)污）。電鍍法制造鍍鋅鋼板具有良好的加工性能，但鍍層較薄，耐腐蝕性不如熱浸鍍鋅板；電鍍鋅板附著的鋅量很少，只在外管壁鍍鋅（熱鍍，內(nèi)外都鍍），其本身的耐腐蝕性比熱鍍鋅板管相差很多。

③熱鍍鋅板一般用于電力設(shè)備和構(gòu)件，適用于大的部件和設(shè)備。熱鍍鋅板是先將鋼管進行酸洗，為了去除鋼管表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。電鍍鋅適用于小部件，采用電鍍?nèi)芤海瑢︿摪搴碗婂內(nèi)芤悍謩e施加正負電極。

④熱鍍鋅板和電鍍鋅板在鍍鋅量上有很大的差別。熱鍍鋅板的鍍鋅量不可能太小，一般最小為雙面50～60g/m²，最大可達600g/m²。而電鍍鋅板的鍍鋅層可以很薄，最小達15g/m²，但要求鍍層較厚的話則生產(chǎn)線速度很慢，不適應(yīng)現(xiàn)代化機組的工藝特點，一般最大為100g/m²。正因為如此，電鍍鋅板的生產(chǎn)受到很大的限制。

⑤熱鍍鋅板和電鍍鋅板在鍍層組織結(jié)構(gòu)上有根本性的不同。熱鍍鋅板純鋅鍍層與鋼板基體之間有一層稍脆的化合物層，純鋅鍍層結(jié)晶時大多形成鋅花，鍍層均勻無孔隙。而電鍍鋅層的鋅原子只是在鋼板表面沉積析出，而且是靠物理作用附著在鋼帶表面，有許多孔隙，極易因腐蝕性介質(zhì)引起點蝕，所以熱鍍鋅板比電鍍鋅板更耐腐蝕。

⑥熱鍍鋅板和電鍍鋅板的熱處理工藝也完全不同，熱鍍鋅板一般以冷硬板為原料，在鍍鋅線上連續(xù)進行退火和熱鍍鋅，鋼帶在短時聞內(nèi)加熱后又冷卻，所以強度和塑性受到一定的影響，其沖壓性能比同樣的冷硬板經(jīng)專業(yè)生產(chǎn)線脫脂退火后的冷軋板差。電鍍鋅板以冷軋板為原料，基本上保證了冷軋板同樣的加工性能，不過其復(fù)雜的工藝流程也增加了生產(chǎn)成本。總之，熱鍍鋅板的生產(chǎn)成本更低，應(yīng)用范圍更廣，也成為鍍鋅板市場的主要品種。

⑦熱鍍鋅板、管是使熔融金屬與鐵基體反應(yīng)而產(chǎn)生合金層，從而使基體和鍍層兩者相結(jié)合。熱鍍鋅板具有鍍層均勻、附著力強、使用壽命長等優(yōu)點。

三、鋼管材質(zhì)成分與性能

1.鋼管的牌號和化學成分

適應(yīng)熱鍍鋅的鋼管牌號和化學成分（熔煉分析）應(yīng)符合GB/T 700中牌號Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B和GB/T 1591中牌號Q295A、Q295B、Q345A、Q345B的規(guī)定。根據(jù)需方的要求，經(jīng)供需雙方協(xié)商，并在合同中注明，也可采用其他易焊接的鋼牌號。

2.鋼管的力學性能要求

鋼管的力學性能要求見表2-2。用于石油管道熱鍍鋅鋼管材料的力學和工藝性能參見第十五章附件二。

3.不適宜熱鍍鋅的鋼材

一般認為，適合于熱浸鍍鋅的鋼是低硅量的沸騰鋼，美國的金屬手冊中指明要求硅含量w_Si小于0.05％。在國內(nèi)有文獻指出Q235鋼中B類鋼最適宜熱鍍鋅，這類鋼熱浸鍍鋅后得到緊密、連續(xù)、均勻的金屬間化合物組織。連續(xù)鑄鋼技術(shù)的普及，給熱鍍鋅帶來了新的問題。這種新的鋼種硅含量大于0.05％。因此說，如果不是低碳鋼，或其中硅含量低或過高的工件，則使熱鍍鋅工作很困難，但是可以通過其他工藝方法實現(xiàn)熱鍍鋅。