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(zhǎng)期面臨的難以解決問(wèn)題就是鋼鐵的腐蝕。腐蝕遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，包括幾乎所有的行業(yè)，如機(jī)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(shù)的實(shí)現(xiàn)到尖端科學(xué)的發(fā)展，都存在不同程度的腐蝕問(wèn)題。腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失十分驚人，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約7000億美元，占各國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值（GNP）的1%～5%。腐蝕損失為自然災(zāi)害（水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)、地震、火災(zāi)等）損失總和的6倍。美國(guó)近年來(lái)每年因金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3000億美元，平均每年每位美國(guó)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(guò)采用防腐蝕材料或防腐蝕技術(shù)來(lái)避免的^[1]。在我國(guó)，對(duì)于腐蝕損失，20世紀(jì)90年代以前尚未進(jìn)行過(guò)全面統(tǒng)計(jì)。據(jù)估計(jì)，我國(guó)每年金屬腐蝕的損失至少在400億元以上^[2]。我國(guó)1995年統(tǒng)計(jì)腐蝕經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1500億元人民幣，約占國(guó)民生產(chǎn)總值的4%，每天4億元^[3]。1998年，我國(guó)因腐蝕造成的損失高達(dá)2800億元人民幣，約占當(dāng)年國(guó)民生產(chǎn)總值的4%以上。

因?yàn)榻饘黉\具有物理阻擋和優(yōu)異的電化學(xué)保護(hù)作用^[4-5]，所以鋼鐵產(chǎn)品和制品的表面多年來(lái)大多采用鋅、鋅-鋁、鋅基多元合金鍍層進(jìn)行長(zhǎng)期防護(hù)，在發(fā)達(dá)國(guó)家鍍鋅鋼材用量為鋼年產(chǎn)量的30%～40%，我國(guó)目前達(dá)到10%左右。通常，人們獲得鋅鍍層的方法機(jī)理是電化學(xué)、化學(xué)沉積和高溫冶金反應(yīng)。電鍍、電刷鍍等，其形成鍍層過(guò)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(guò)程是在外電場(chǎng)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(jié)晶層。熱浸鍍、熱噴涂等，其形成鍍層過(guò)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(guò)形核、長(zhǎng)大而形成鍍層，即經(jīng)過(guò)結(jié)晶過(guò)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(kuò)散和凝固結(jié)晶為固態(tài)。例如，熱浸鍍鋅時(shí)鋅在鋼鐵表面形核，隨后擴(kuò)散生長(zhǎng)，發(fā)生了冶金結(jié)晶，最終形成由α、γ、δ、ζ、η等相組成的鍍層。熱噴涂鋅時(shí)，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(jié)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(shí)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(guò)程是金屬原子的結(jié)晶和晶核的長(zhǎng)大過(guò)程，可以用金屬學(xué)中的形核理論、擴(kuò)散理論、晶體螺旋式或二維晶核成長(zhǎng)理論等進(jìn)行解釋，鍍層為結(jié)晶形層；形層過(guò)程中或發(fā)生電解沉積，或發(fā)生高溫冶金反應(yīng)。欲鍍金屬因?yàn)殡x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(guò)程需要額外消耗能量；且因?yàn)閺U液排放、處理和金屬蒸氣、金屬沉渣的存在造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。如果使得欲鍍金屬在形成鍍層過(guò)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(duì)工作環(huán)境和周邊生態(tài)的壓力。

由于近幾年國(guó)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(lái)鋅價(jià)上漲了45%。此外，傳統(tǒng)的熱浸鍍、電鍍過(guò)程伴隨有嚴(yán)重的三廢排放，受環(huán)境及生態(tài)保護(hù)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(jī)械鍍鋅、冷噴涂、粉末軋制鍍、無(wú)機(jī)水性金屬微粉涂層逐漸在一些領(lǐng)域代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍍鋅技術(shù)，這些工藝技術(shù)都是利用金屬粉末顆粒在不通過(guò)電沉積結(jié)晶或高溫熔體冶金反應(yīng)的情況下，依靠外電場(chǎng)產(chǎn)生的機(jī)械能或較少的熱能，直接在鋼鐵基體表面形成鍍層。