钢铁制件热镀锌表面缺陷分析及控制

第 36 卷 第 12 期 2003 年 12 月
材 料 保 护 MATERIALS PROTECTION
Vol. 36 No. 12 Dec. 2003
钢铁制件热镀锌表面缺陷分析及控制
苗立贤1 ,冯 玲2 ,史宪海1 ,刘 颖3 (1. 河南省驻马店热浸镀铝厂总师办 ,河南 驻马店 463000 ;2. 河南省驻马店市农校 ,河南
由参考文献[6 ]Zn2Ni2Fe 三相系统的相图可知 ,450 ℃下热镀 锌时 ,Ni 含量为 0. 055 %的条件下 ,锌液中形成浮渣的可能性是 非常小的 ,因此 ,要十分讲究其添加方法与合金和锌液中的 Ni 含 量[7] 。
悬浮在锌液表面而且十分粘稠 ,极容易粘附在钢铁制件上 ,严重 损害了镀层质量 ,此时仅靠降温捞渣是无济于事的 。一旦发现这 种情况应立即停止添加合金 ,同时采取锌液净化措施 ,把铝含量 降下来 ,在情况不严重时可以考虑适当延长空冷时间 ,以防止镀 层表面急剧水冷后出现气泡和皱纹 。
(3) 锡 、铅 一般情况下锌锭中不含锡 ,仅有微量的铅 。近 年来一些锌合金供应商为了使镀锌温度下降 ,并获得白亮镀层 , 在所谓的多元合金中加入锡 、铅 。当锌液中添加了这种多元合金 后 ,锌液面在 430 ℃下可以出现镜面并能保持 10～20 min ,但在热 镀钢铁制件时 ,镀层表面会出现羽毛状花斑和细小难看的白斑 , 含锡 、铅的合金添加量一旦达到 0. 5 %时 ,就会出现锌花 ,锌灰明 显增多 ,生产效率也下降了 ,给企业造成不应有的损失 。铅和锡 因其熔点低 ,含量过高时 ,迅速使锌液的凝固温度下降 ,在镀锌层 冷却过程中极易形成粗大的结晶和出现龟裂纹现象 ,影响锌层的 表面光滑度和耐腐蚀性能 。晶间腐蚀对杂质铅最敏感 ,腐蚀速度 随镀层中铅含量的增加而加快 ,铅量达到 0. 02 %就会出现晶间腐 蚀 ,在镀层中沿晶界破裂而失去附着力 ,严重时表面会出现黄豆 粒大小的气泡 。因此我们在应用锌铝合金或多元合金时一定要 弄清楚其中铅 、锡 、铝的含量 ,决定是否在锌液中添加 。
在热镀焊接变截面 、不同直径的同一路灯杆时 ,有时在相同 的温度和提升速度下 ,表面会出现不同的质量状况 ,如凹坑 、桔子 皮皱纹状 ,这主要是由不同材质造成的 。文献 [ 4 ]描述了这种表 面凸凹不平的原因 ,在镀锌过程中 ,钢基表面的凸凹会使 Fe2Zn 合金层的生长形态发生变化 。热镀锌层在不含硅钢的不规则表 面上的生长特点是 :在凸起处 ,刚形成的ζ晶体相分离 ,使液态锌 可穿透到ζ/δ界面附近 ,支持ζ相连续快速生长而形成迸发状晶 粒 。在凹入区域 ,由于生长受扩散控制 ,得到紧密稳定的结构 。 其原因在于在凹处由于体积收缩 ,产生足够的压应力使 Fe2Zn 合 金相层稳定 。一旦稳定层形成 ,无论产生稳定性的原因是否存 在 ,稳定性都会保持下来 ,此外在表面凹陷处具有支持富铁层形 成的条件 。由于提供了大面积的表面供体积收缩的合金层生长 , 使反应所需的铁的供应充足 ,而同时锌的供应却由于锌难以进入 凹陷处而减少 ,在这些位置 ,经常发现厚的Γ 层 。钢基体表面弥 散性分布的凸起或凹坑麻点 ,一般是因为锈蚀严重或者过度酸洗 形成的 。对于电力金具类产品 ,应消除机加工时留下的刀纹 ,或 通过布轮抛光等措施来消除表面凹坑麻点 。
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钢铁制件热镀锌表面缺陷分析及控制
增长而使ζ相破裂并被挤出凹处开始形成较厚的ζ相 ,形成凸起 物[3] ,此时钢基体龟裂纹凹陷则变为龟裂 (晶体) 凸起纹 。根据化 验分析 ,凸起物是η相中镶嵌着ζ相颗粒 。有时钢铁制件在轧制 过程中 ,表面氧化皮可能进入钢基体 ,在此后的酸洗中也会造成 表面不平 。夹层铁皮在热镀时会出现黄豆大小的气泡 ,断续出现 在镀层下面 。因此用户应选用表面质量好的钢材 。
热浸镀锌是提高钢铁抗大气腐蚀性能的有效方法之一 ,因其 镀层性能优良 、使用寿命长 、作为保护层基本不维护而被广泛应 用于输电铁塔 、微波塔 、高速公路护栏 、路灯杆 、电力金具等长期 室外暴露的钢铁制件的防腐蚀 。热镀锌层表面有许多常见质量 缺陷如漏镀 、条状羽毛白花纹 、镀层超厚 、粗糙 、灰暗 、泪痕条纹 、 龟裂纹 、晶体状凸起纹 、“白锈”等 ,其影响因素较多 ,且控制相对 较难 。对此 ,可以从加强工艺控制着手 ,辅以必要的工艺措施 ,以 提高热镀锌表面质量 。
[ 收稿日期 ] 2003 - 05 - 22
图 圣德林效应曲线图 Si 含量在 0. 05 %～0. 10 %或大于 0. 30 %时 ,镀层不再是层 次分明的由钢基体到τ、δ、ζ和η相的正常组织 ,而呈现出很厚的 不连续的片状ζ相为主的组织 ,有点类似低硅钢在 500 ℃时 Fe2 Zn 剧烈反应时所得到的组织[1] 。钢铁制件在常规热镀锌温度 455 ℃下浸镀时 ,从工件浸入锌液到工件热透 、助镀剂反应完毕 、 清除锌液表面的锌灰后提升工件 ,整个浸镀一般不少于 1. 5～3. 0 min ,在这种温度和时间下 ,在含 Si 量处于圣德林效应区内 ,随着 浸镀时间的增加 ,镀层将会更厚 。为此 ,热镀锌行业一向认为 ,适 宜热镀锌的钢材只能是含硅量低的沸腾钢 ,含硅量高的镇静钢被 认为是不适宜热镀锌的 。但现在钢铁企业逐渐普及连续铸钢技 术 ,用此技术生产的钢大都是含硅量较高的镇静钢或半镇静钢 。 如某企业热镀国内某大型钢铁企业生产 Q235 钢制的护栏板 、输 电单柱钢管塔和路灯杆时 ,在 455 ℃锌液温度下 ,时常出现大片 灰暗镀层 ,以及在出锌液面后约 0. 5 min 左右时间内 ,出现泪痕状 条纹 ,其流动性很差 ,使产品质量明显降低 ,锌耗增加 ,这种现象 可能与基体中 P 和 S 的含量较高有关[2] 。钢基体中元素偏析和 钢锭头部以及局部碳化物聚集都是造成片状灰暗层的主要因素 。 而在轧制过程中水淬不充分 、不合理则是造成镀层出现明显龟裂 纹的因素 。在热镀路灯杆 (圆形) 时常出现一些竖直形细小间断 性木纹状条纹 ,这种缺陷可能是在卷制时表面出现裂纹所致 。在 热镀时 ,合金层ζ相的生长速度比δ1 相快 ,在一定时间后 δ, 1 相生 长速度加快 ,因此在凹处开始形成较厚的ζ相 ,由于δ1 相的快速
(2) 铝 铝是热镀锌中最常用的添加元素 。在锌液中添加 不同浓度的铝可以获得不同性质的镀锌层 。一般认为热镀锌时 , 在锌液中加入 < 1 %(质量分数 ,下同) 的铝可以起到下列作用 : ① 提高镀层光亮性 ; ②减少锌液面的氧化 ; ③抑制脆性 。而 在 实 际 生 产 中 , 锌 液 中 含 有 0. 005 %～0. 020 %Al 就可以达到镀层光亮的目的 ,并可减少锌液 表面的氧化和锌灰的产生 。必须指出 ,添加铝的方式宜采用 Zn2 Al 中间合金的添加方式 。往往由于添加的中间合金的质量问题 以及添加铝和锌铝合金的方法不当或过快 ,导致锌液中形成大量 的铝 、铁化合物 ,这种密度小于锌液的锌铝铁三元“面渣”或颗粒
1. 3 锌液中其他成分
锌液中夹杂过多其他金属成分或有害元素 ,可能造成如锌渣 颗粒粘附在镀层表面和一些非正常的花纹 、龟裂纹等缺陷 。
(1) 铁 热镀锌一段时间后 ,钢制件表面会出现锌堆积和微 小锌渣颗粒 ,致使镀层表面粗糙 ,光滑度也随之下降 。这种微小 颗粒一般是 Fe2Zn 合金颗粒渣 。在 450 ℃镀锌时 ,铁在锌液中的 饱和溶解度为 0. 02 % ,锌液中铁的含量超过此值时 ,会析出ζ和 δ1 相形成锌渣 ,由于这种颗粒渣与锌密度差异不大 ,其聚集下沉 很慢 ,悬浮在锌液中的合金渣会夹在锌液中被制件带出 ,镶嵌在 镀层中 ,从而影响镀锌层的表面质量 。锌液中铁的来源一般有锌 锅的腐蚀 、制件的溶解 、助镀剂中的铁离子及制件上的铁盐 4 方 面 。因此 ,为了获得平整光滑的镀层 ,必须严格控制锌液中铁含 量 ,减少铁离子的带入 ,控制锌液温度 ,避免锌液温度的忽高忽 低 ,降低锌锅的腐蚀速度等 。一般锌液中铁含量应 < 0. 08 %[5] , 当锌液中铁含量 > 0. 20 %时 ,必须降温静置并打捞锌渣 。
1. 2 钢铁制件基体
钢铁制件基体状态不良往往造成镀层灰暗 、龟裂纹等表面缺 陷 。即使在镀锌工艺合理 、稳定的情况下 ,钢铁制件的基体状态 对镀锌层表面质量影响也十分突出 。时常因钢基体的化学成分 碳 、硅 、磷等元素的影响和冶炼轧制过程中某种因素的影响 ,使其 有害元素偏析 ,从而在镀层表面出现片状灰暗镀层 、龟裂纹 、晶体 状凸起纹 、木纹状条纹 、夹皮裂纹等明显缺陷 。
(4) 镍 锌液中的镍是为了解决热锓镀中因钢材中含硅出 现的圣德林现象而作为合金元素加入的 ,是近几年来国内逐渐认 同的解决镀层色差现象的一种新工艺技术 。在锌液中添加锌镍 合金可有效地降低锌和铁原子在ζ相中的扩散速度 ,因而可以控 制浸镀层厚度的增长 ,当锌液中 Ni 含量为 0. 06 %时 ζ, 相金属间 化合物中 Ni 含量可达 0. 8 % ,加入 Ni 后ζ相的厚度增长明显得到 控制 δ, 相的厚度相应有所增加 ,因而可有效地控制浸镀层厚度 的增长 ,并能改善锌液的流动性能 。因此 ,使用锌镍合金进行热 浸镀锌的镀层厚度更加均匀 ,表面更光亮 ,锌花少 。
驻马店 463000 ;3. 广西南宁送变电公司铁塔厂 ,广西 南宁 530031)
[ 摘 要 ] 对钢铁制件热镀锌层表面的缺陷原因进行了分析 ,并根据生产实践提出一些控制表面缺陷的方法 。 [ 关键词 ] 钢铁制件 ;热镀锌 ;镀层缺陷 ;缺陷控制 [ 中图分类号 ] TG174. 43 [ 文献标识码 ] B [ 文章编号 ] 1001 - 1560 (2003) 12 - 0056 - 03
在生产中 ,如果使用的 Zn2Ni 合金没有形成共晶结构或添加 方法不当 ,则可能造成锌液中出现浮渣 、小颗粒锌渣现象 。形成 此种现象的机理现已得到证实 ,即在使用 Zn2Ni 合金进行热浸镀 的锌液中 ,有 2 种不同的金属间化合物即 :ζ相 (含有～0. 8 %Ni 的 FeZn13同晶体) 和 Γ2 相 (含～3. 0 %Ni 的 Fe6Ni5Zn89 同晶体) 。其 中 ,形成Γ2 相是造成锌液中悬浮小颗粒渣子形成的根本原因 。 从金属学角度上讲 ,Γ2 相的形成即悬浮渣粒的出现取决于锌液 中镍的含量及液体金属的温度 。