第1章 金屬微粉涂鍍工藝現(xiàn)狀

1.1 概述

在鋼鐵行業(yè)，人類長期面臨的難以解決問題就是鋼鐵的腐蝕。腐蝕遍及國民經(jīng)濟的各個領域，包括幾乎所有的行業(yè)，如機械、冶金、化工、能源、交通、航空航天、信息、海洋工程等行業(yè)。從日常生活到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從新工藝、新技術的實現(xiàn)到尖端科學的發(fā)展，都存在不同程度的腐蝕問題。腐蝕造成的經(jīng)濟損失十分驚人，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約7000億美元，占各國國民生產(chǎn)總值（GNP）的1%～5%。腐蝕損失為自然災害（水災、風災、地震、火災等）損失總和的6倍。美國近年來每年因金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失達3000億美元，平均每年每位美國人因腐蝕而損失1500美元，這其中有1/3（約1000億美元）是可以通過采用防腐蝕材料或防腐蝕技術來避免的^[1]。在我國，對于腐蝕損失，20世紀90年代以前尚未進行過全面統(tǒng)計。據(jù)估計，我國每年金屬腐蝕的損失至少在400億元以上^[2]。我國1995年統(tǒng)計腐蝕經(jīng)濟損失高達1500億元人民幣，約占國民生產(chǎn)總值的4%，每天4億元^[3]。1998年，我國因腐蝕造成的損失高達2800億元人民幣，約占當年國民生產(chǎn)總值的4%以上。

因為金屬鋅具有物理阻擋和優(yōu)異的電化學保護作用^[4-5]，所以鋼鐵產(chǎn)品和制品的表面多年來大多采用鋅、鋅-鋁、鋅基多元合金鍍層進行長期防護，在發(fā)達國家鍍鋅鋼材用量為鋼年產(chǎn)量的30%～40%，我國目前達到10%左右。通常，人們獲得鋅鍍層的方法機理是電化學、化學沉積和高溫冶金反應。電鍍、電刷鍍等，其形成鍍層過程中欲鍍金屬發(fā)生了固態(tài)→離子態(tài)→固態(tài)的變化。例如，電鍍過程是在外電場的作用下，使鋅離子在鋼鐵件表面還原為金屬鋅，即形成電沉積結晶層。熱浸鍍、熱噴涂等，其形成鍍層過程中欲鍍金屬發(fā)生了固態(tài)→液態(tài)→固態(tài)的變化，欲鍍金屬原子經(jīng)過形核、長大而形成鍍層，即經(jīng)過結晶過程形層；形成鍍層的金屬首先由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再在待鍍基體表面上經(jīng)擴散和凝固結晶為固態(tài)。例如，熱浸鍍鋅時鋅在鋼鐵表面形核，隨后擴散生長，發(fā)生了冶金結晶，最終形成由α、γ、δ、ζ、η等相組成的鍍層。熱噴涂鋅時，鋅的線材或粉狀顆粒在瞬間高溫作用下熔化，噴射到鋼鐵基體表面上冷卻形成結晶鍍層。類似工藝中欲鍍金屬的存在狀態(tài)往往是金屬錠（熱浸鍍的鋅錠、鋁錠、鋅基合金錠等）、金屬板材（如電鍍時銅板、鋅板、鎳板等）、金屬線材或顆粒（如熱噴涂用的線材、金屬粉末等）。這些傳統(tǒng)鋅鍍層形成過程是金屬原子的結晶和晶核的長大過程，可以用金屬學中的形核理論、擴散理論、晶體螺旋式或二維晶核成長理論等進行解釋，鍍層為結晶形層；形層過程中或發(fā)生電解沉積，或發(fā)生高溫冶金反應。欲鍍金屬因為離子態(tài)或液態(tài)等中間態(tài)的轉(zhuǎn)變，不可避免地在生產(chǎn)過程需要額外消耗能量；且因為廢液排放、處理和金屬蒸氣、金屬沉渣的存在造成嚴重的環(huán)境污染。如果使得欲鍍金屬在形成鍍層過程中僅發(fā)生固態(tài)→固態(tài)的轉(zhuǎn)移，不但可以大大降低能耗，而且可以緩和工藝本身對工作環(huán)境和周邊生態(tài)的壓力。

由于近幾年國內(nèi)的加工業(yè)發(fā)展已造成鋅資源的匱缺，自2005年4季度以來鋅價上漲了45%。此外，傳統(tǒng)的熱浸鍍、電鍍過程伴隨有嚴重的三廢排放，受環(huán)境及生態(tài)保護的壓力逐漸增大，利用金屬粉末直接在鋼鐵制件表面形成鍍層逐漸受到人們的青睞。例如，機械鍍鋅、冷噴涂、粉末軋制鍍、無機水性金屬微粉涂層逐漸在一些領域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍍鋅技術，這些工藝技術都是利用金屬粉末顆粒在不通過電沉積結晶或高溫熔體冶金反應的情況下，依靠外電場產(chǎn)生的機械能或較少的熱能，直接在鋼鐵基體表面形成鍍層。