粉末渗锌工艺介绍(简要)要点

渗锌表面处理工艺及应用介绍1、 介绍渗锌的基本概念1. 渗锌 是用热扩散方法在钢铁表面获得锌铁合金层的表面保护工艺。 渗锌获得的表面渗层完全是由锌铁合金层组成，而热镀锌层则是由纯锌层（”相）和锌铁合金层组成。2. 渗锌分类 ：根据所采用的设备和工艺不同，渗锌可分为 固体渗锌（即粉末渗锌） 、真空渗锌、镀扩散渗锌和气体渗锌等几种。3. 粉末渗锌的原理： 将渗锌剂与钢铁制件，共置于渗炉中，加热到400左右，活性锌原子则由钢铁制件的表面向内部渗透，同时铁原子则由内向外扩散，在制件表层形成了一个均匀的锌铁化合物即 渗锌层 。技术原理： 属于化学热处理工艺。国外，在欧洲的一些国家在1940 年推广并实现了工业化生产， 1970 年后欧洲的工业发达国家得到普遍推广应用。在我国 20 世纪 60 年代开展研究， 90 年代开始应用。2、 粉末渗锌工艺过程将 钢铁构件、锌粉及惰性冲击介质混合填充在 密封的不锈钢容器 中，并将容器放置在热处理炉中，在旋转容器下 加热到350450并保温一段时间，利用金属原子的热扩散作用，在构件表面形成Zn/Fe 合金保护涂层。工业化粉末渗锌过程是在不断滚动状态下进行加热处理， 粉末混合物与工件之间的机械摩擦、 冲击作用， 不仅有利于新鲜扩散渗剂与被处理界面的紧密接触，而且使得被加热介质温度场均匀化，并有效促进冶金扩散化学反应。目前的工业化粉末渗锌涂层不需要惰性气体或低真空的加热环境， 一般在大气环境下的密封容器中就可实现热扩散涂层处理， 因而热处理设备简单、 成本低，非常适合于复杂形状钢铁构件的大批量加工处理。工业化 粉末渗锌技术是指 包括前处理、 加热渗锌及后处理等完整的一种热扩 散涂层加工工艺过程。工5 滋锌后处理&S. 1渗锌后可选用抛光、钝化、磷化、有机涂层等后处理，以改善渗锌制件的外观或进f 提高浓 锌层的耐腐蚀性能.4 5.2高强度钢:舱渗锌后用化学抛光、钝化、磷化作为后处理时，是否需要进行消除氢处理和 奖用何种除组腑热处理工艺条件，由供需双方协商0Industrial Zinc Diffusion(a)(b)图2以色列DisTbk工艺扮末淮仲工业化热处理设备划(a)工业化粉末海锌热处理设备：(b)灌锌过程连续加热处理炉府处理生产线水洗 转硝化 水洗 iut油浸卸料和r爆蹄分隔装置完成前处理工艺滩程后图3英国Bodystc公司工业化粉末海锌涂层生产战示意网图5 6 旋转式海锌炉示意图1-托轮，2一炉村 3 电炉丝, 4一旋转式漆钟踊，5 电机0360400440480520渗锌温度/t匕）港辞温度修溢辞层厚嗔的关系曲战 2bIM时间2h;曲一渗曾肘间4h4060802 I身、牌逆耍Ba2030 4812滓辞时间小M602 1昌融后睽次触（b）濯锌时间与净锌层厚度的关系曲埃138or； 2400七;3T20工4460X2; 5500 V图3-3掺锌层厚度与渗锌温度、时间的关系表7不同锌含的潘锌剂在不同濯锌温度下的港锌结果渗锌剂中锌含量.%_ 渗锌层厚度。m400 r4504c550七UQ27050 7080r=-160就|40E01053、 粉末渗锌工艺特点粉末渗锌热扩散涂层与传统镀锌工艺比较，具有以下优势和特性：1 .涂层厚度均匀性好1）粉末渗锌涂层 厚度只取决于加热温度与保温时间，与构件的形状和不同位置基本无关。 一般厚度在15130仙m。2）热浸镀锌涂层厚度一般在15130 pm,构件平面与边角镀层厚度有明显差别， 均匀性差，不易控制。3）电镀锌涂层厚度一般在525 pm,平面镀层均匀性好，但对构件 内部空腔, 镀层薄有时无镀层。4）热喷涂锌层厚度一般为84300 pm,可达3mm,涂层厚度均匀性差，致密性 低。2 .渗锌涂层硬度最高，耐磨损和抗划伤能力最强1）渗锌涂层硬度为250420HV。2）热浸镀、电镀锌层硬度为 7588HV （纯锌）。3）热喷涂锌层也为纯锌并且有1%15%1隙率，因而硬度更低c4）达克罗涂层硬度最低，仅为 26H （H为铅笔硬度测量单位）-1粉末渣层硬度试验二J材料类型 -度（H/建房内储漆层中部漆层外层一般碳钢.-140-165焦浸假碎26514771-88粉末添蟀404-5873 孙3 65224-2833 .渗锌涂层与基体金属的结合力最高粉末渗锌层为扩散冶金结合，具有 很好的附着强度，耐磨损抗划伤，涂层很 难剥离掉，只有用化学酸洗方法才能除掉。具涂层与母材界面拉伸强度：600700kg/mm2；涂层表面层拉伸强度为300350kg/mm2。4 .渗锌涂层耐腐蚀性最强粉末渗锌层为铁一锌合金组织，渗锌层与铁的电位差低于锌与铁的电位差。因而作为阳极性保护层，渗锌层具有更好的保护效果。比热浸镀锌的耐腐蚀性高 10% 30%表2元同尊涂层耐腐蚀性比较地区电镀锌热浸镇锋粕末演锦农村%?年18-22 年22-24 年城市1-2年1048 年】2-24年工业区0.5年4-5年5-10 年滨海地区0.5-1 年5-6年5-10 年由于渗锌层对钢铁基体有阴极保护作用不锈钢只具有形成阻 措性保护膜的耐腐蚀作用,一般不锈钢的耐点蚀性能不好，所以， 在某些大气和水环境中,特别是海水环境中，渗锌层的耐腐蚀性能 优f不锈钢.渗锌层与lC18Ni9Ti不锈钢的耐腐蚀性能实验结果 见表5-7、表5&衰5c承锌层与不锈钢在大气中的耐腐蚀性能对比试鳖结果料腐蚀时间结 果10号棚8天表面布满镌点F _ 56天表面完全镌他ICilgNiPTi 不镌策HS天表面出现错点600天表面布满希忐10号钢，锌2年表而激色爽附4年5个月渗层完好,无镌点表5 S港锌层与不镌钢在I9%NhC1中的耐腐蚀性能对比试验结果材 料腐蚀时间腐谀状卷10号铜I6h出现锈迹1$天表面全部腐悼lCrlSNi9Ti 不镌钢16天出现锈点6c0天需找以上裹面生情10号钢图锌1G天仪表面殿色变暗600天无镌迹注:试验条件：J5%Nh0水溶液（一般海水含“Q3%).5 .渗锌涂层涂覆性能最好粉末渗锌层均匀与油漆和高分子涂层材料之间具有很好附着强度，其复合涂层的耐腐蚀性均明显优于热浸镀、电镀锌和热喷涂锌层。6 .渗锌过程温度低，不影响构件机械性能，没有氢脆现象渗锌处理的温度在350450C,此温度下吸入钢基体的氢原子已扩散逸出。7 .渗锌过程节约锌粉粉末渗锌工艺耗锌量是热喷涂锌的30%、热浸镀锌的60%。8 .渗锌工艺过程无环境污染粉末渗锌为固态热扩散过程，构件与渗剂在密闭的容器中进行扩散和分离， 没有锌蒸汽产生，热处理炉用电、燃油或燃气作为能源，对周围环境没有污染。 而热浸镀锌有锌废料和锌蒸汽等污染，电镀锌有“三废”排放严重污染，达克罗 涂层由于存在“ Cr6+”对环境产生严重污染，目前国外已限制达克罗涂层的工业应用烧结镀层（达克罗涂层）： 是将浸涂和高温烧结（300C）相结合的方法， 在钢铁表面生成的锌铝的涂敷层。是我国 1993年引进一种表面处理技术，主要 适合于各种紧固件和小尺寸五金器具。镀层外观质量优于热浸镀锌。4、 渗锌的质量要求及检测方法1 .渗锌前处理质量要求：钢铁工件在渗锌前经过除油除锈处理以后，表面应无 残锈迹、积炭和油污，焊接件的焊缝处应无焊渣，铸造件表面应无残留型砂。2 .渗锌件的外观要求：采用目测方法观察外观表面，其外观应达到以下要求。1）渗锌层表面应平整、均匀，采用旋转渗锌设备渗锌的工件表面允许有轻微的 擦伤。2）渗锌工件表面呈暗灰色或银灰色。3）经钝化、磷化和后处理的渗锌工件因工艺不同呈不同的颜色，经有机涂层后 处理应达到供需双方约定的色泽要求。3 .渗锌层的附着强度：机械行业标准JB/T5067钢铁制件粉末渗锌对渗锌层 的附着强度均未作明确的定量要求， 仅要求渗层与基体结合良好，不得起皮、脱 落，并能承受制件规范条件下的操作，或由供需双方协商。4 .力学性能要求：对于适合渗锌的钢铁材料，即回火温度高于渗锌温度的材料， 经渗锌后，材料的力学性能仍然要到达原材料的指标要求。5 .渗锌层厚度1）渗锌层厚度要求：由于渗锌层的 耐腐蚀寿命与渗锌层的厚度成正比，所以渗 锌层是渗锌最重要的技术要求。机械行业标准：钢铁制件粉末渗锌 JB/T 5067-199944厚庶海锌是域均匀同一个制件的沙辉层厚度偏差不应大于该料渗碎层平均厚度的to%、 根据制件不同的使用环填和配合要求.将浸喉分为五个等镒，每个等锻落锌层厚度疱符合表】 的规定.表I淳粹层厚度等班等 藕!2345母度MH1- 15st J0350三&5手85注.在给定泰件下，滩蟀层的如烛卷命与其厚度成正比.恒增加油蹿起后度的同时.也博却7毒杵的儿河尺寸.斯 以祁号虐奇奇的同时也应苦甥制件的配合要事.有关暗固件及R它制件辎串序厚度地伸!雄寿）见附束A（ 藁的静录）.附录 A（提示的附京）港钟屋厚度选择烧择阴层的厚度附，匾要考虑读锌位在不同图触环境中的使用萄命.乂要考定配合要求.对于不 同使用环境及不同媒格的曜同伴和翦它制品,推荐采用以下泳舞层厚度等如.表A1推茬的漆锌层厚度等飘港逐层摩受魂第使用环埴聚制件懑空一内战双年大气环境下快用的啜围件及其它钢铁弦件魂室外检时的骑法t作故其宫训及制fl.3.誉骥比犯米的蚓题使号曲.以硼括脑胸足相白生牌的城网件做篁它加样4维、5绿警探要重的制率注1公称足寸为1mm, 1Hm的瞿固胖叩比案排L照蝴包用肥髭产生靛方州差的现皂，建设聚用讲就殍世将的概竹后的箕官工艺.2特殊要求聃制件是指某S求有球可能长的耐腐热寿命.且无国令要求享i*择的已像府溃舒层间隙的错件.2）渗锌层厚度检测方法：分为破坏性检测法和非破坏性检测法。A）显微镜测量法：金相法，是渗层厚度的仲裁方法，按 JB/T 5069的规定进行 检验。属于破坏性检测法。B）溶解称重法：钢铁表面单位面积上渗锌层的平均质量，按 GB/T13825的规定 进行检验。可按1g/m2对应于0.14pm层厚，近似换算成渗锌层的厚度。属于破 坏性检测法。可作为仲裁的试验方法。C）电解称重法：采用电解的方法溶解渗锌层，换算出渗锌层厚度的测量方法。属于破坏性检测法。采用电解测厚仪测量，比溶解称重法更加精确D）磁性测厚法：利用渗锌层不具有磁性而钢铁基体具有磁性这样的物理性能差 异来测量渗锌层的厚度。主要应用于生产控制，按GB/T4956的规定进行检验。属于非破坏性检测法。缺点是误差比较大。5、 渗锌、热镀锌、电镀锌的比较、选择及应用1 .渗锌与热镀锌、电镀锌的比较总体而言，渗锌可以获得较厚的渗锌层，耐腐蚀性能较好，渗层均匀，一般 能满足零件的配合要求，但是生产效率较低，外观色泽灰暗，装饰性较差，一般 适合中小型零件。热镀锌生产效率高，生产批量大，耐腐蚀较好，但是镀层厚度 不均匀，镀层厚度可控性差，不能满足零件的配合要求，一般适用于大结构件。 电镀锌外观装饰性好，能满足零件的配合要求。但是由于受镀层厚度限制，耐腐蚀性能较热镀锌、渗锌差，一般适用于室内使用的机械零件和结构件渗锌与热镀锌、电镀锌的比较项目电镀锌热镀锌渗锌渗镀层厚度/m525451201585耐腐蚀寿命较短较长较长外观装饰性好，镀层光亮，经钝 化后可以获得银白 色、彩虹色等。较好，镀层较光亮， 呈银白色，但户外使 用时间不长会变成灰 色。较差，呈灰白色或灰 黑色。氢脆:有较少无对零件强度的影响:无有无对零件配合的影响较小较大较小涂层附着力等级差，4级差，3级好，1级渗镀层均匀性较好差好锌的利用率高较低高生产效率较局高较低适用产品装饰性零件，有配合 要求的机械零件，耐 腐蚀性要求一般的零 件和结构件。大型结构件，无配合 要求，耐腐蚀性能要 求较图的零件。中小型零件，生产批 量要求不大的中型结 构件，铸铁件，粉末 冶金件。2 .渗锌、热镀锌、电镀锌的选择设计选择锌覆盖层的时候，应该根据以下具体情况综合考虑选择合适渗 （镀） 层，并确定合理的工艺参数。（1）钢铁制件的使用寿命和使用环境a）渗锌层、热镀锌层、电镀锌层的 耐腐蚀寿命是和其镀层的厚度成正比的，要 求耐腐蚀时间长的制件，应选择厚的镀锌层，如热镀锌和渗锌。b）使用环境对渗（镀）层的使用寿命影响很大。一般在室内环境可以选择电镀 锌，在乡村大气的室外环境可以选择镀层厚度较厚（如 25 pm）的电镀锌和渗层 厚度适中（如1545 H m）的渗锌，在工业大气和海洋性大气环境下使用的零件和 结构件，应选择渗（镀）层较厚的渗锌和热镀锌层。在湿热的海洋性大气和污染 严重的工业大气环境中使用或要求使用寿命尽量长的零件和结构件，应选择厚度更厚的热镀锌层。c） 一般不推荐使用厚度大于85 pm的渗锌层，高于这个厚度的渗锌层脆性较大， 易起皮、剥落，所以要求使用寿命很长，或使用环境恶劣的情况下，如在海水环境下使用，可以采用 渗锌+有机涂层的复合防护体系，可以获得比单一保护更好的防护效果。（ 2）钢铁制件的材料a）低碳结构钢低碳结构钢碳含量一般为0.1%0.3%， 常用材料有Q235、 20 钢、 20Cr、 16Mn等。若不采用热处理强化，即淬火、回火处理，这类材料都适于采用渗锌、热镀锌和电镀锌处理。若经过淬火后采用低温回火，回火温度一般为180220。渗锌和热镀锌的温度都高于它们的回火温度， 采用低温回火的的材料不适于采用渗锌和热镀锌， 否则会降低材料的强度， 适用采用电镀锌， 但是电镀锌以后一定要进行除氢退火，减少氢脆倾向。b）中碳结构钢中碳结构钢碳含量一般为0.3%0.5%， 常用材料有45钢、 40Cr、 35CrMo 等。常用于制造齿轮、轴、销、高强度螺栓（学8.8级）等零件。这类材料采用淬火+中温回火热处理强化。 中温回火温度一般为470570。渗锌可以低于中温回火的温度下进行， 不会影响零件的强度， 也没有氢脆倾向。 渗锌非常适用于这类零件。电镀锌 虽然不影响材料的强度，但是， 强度越高氢脆的倾向越大。 热镀锌温度应低于回火温度， 否则会降低材料的强度。 以高强度螺栓热镀锌为例， 有的企业甚至采用600以上的高温镀锌，虽然时间很短，但是8.8 级螺栓热镀锌以后部分达不到抗拉强度要求， 9.8级螺栓全部达不到抗拉强度要求。c）弹簧钢弹簧钢的碳含量一般为 0.55%0.7%。常用材料有60钢、 65钢、 60SiMn 等，常用做弹性零件。 弹簧钢的回火温度一般为360420 。这类材料渗锌时，应该采用较低的渗锌温度。 热镀锌的温度超过了零件的回火温度， 不适于采用 。 弹簧钢电镀锌的氢脆倾向很大，即使采用除氢退火工艺也很难完全避免氢脆现象。（ 3）钢铁制件的几何尺寸a）钢铁制件的长度尺寸渗锌 零件受到渗锌炉尺寸的限制，一般 只适合于中小型零件。 热镀锌最适合于中大型制件。 电镀锌 也适合于中大型钢铁制件， 特别是适合于薄壁的大型钢铁制件 。b）钢铁制件的形状形状复杂、有盲孔、狭逢、深孔的零件，都适于采用渗锌。热镀锌的镀层受锌液流动性的影响难以人为控制， 不适合于这类零件。 有狭缝、 内孔的零件电镀锌时，由于静电屏蔽效应，零件的狭缝、内孔部位难以镀上锌。c）有配合要求的零件渗锌层均匀，厚度相对可控，基本能满足零件的配合要求。由于渗锌层是锌铁互扩散的， 渗锌过程中铁原子也向外扩散， 因此渗锌层厚度会造成零件外部尺寸增大， 增大的尺寸大约等于渗锌层厚度。 对于尺寸精度高的零件， 应充分按照渗锌层造成的尺寸增加值预留间隙。 有配合要求的零件不适于热镀锌。 电镀锌基本能保证配合要求。 但是， 由于尖端放电效应， 零件锐角处的镀层厚度要高于其他部位 ，应考虑这个因素造成的尺寸偏差。（ 4）经济性和生产效率的比较a）渗锌的经济性和生产效率渗锌的锌的利用率很高。 渗锌的生产效率较低， 一般需要35h。 但安排比较灵活， 可以以单炉产量为单位安排间歇性生产。 综合而言， 小批量的中小型钢铁制件的渗锌成本低于热镀锌。b）热镀锌的经济性和生产效率热镀锌的锌利用率较低，30%左右的锌在热镀锌过程中形成锌灰和锌渣，只有 70%左右的锌转化到热镀锌层中，小型零件的锌耗量更大。 另外， 锌液会腐蚀锌锅， 也直接影响镀锌的成本。 热镀锌生产效率很高， 镀锌工艺时间仅需几分钟至十几分钟。 但热镀锌的经济性受生产间歇性的影响。 熔化后即使不生产一般也要保温。c）电镀锌的经济性和生产效率电镀锌的锌利用率也较高，锌的沉积效率高于渗锌，低于热镀锌。电镀锌也可以采用间歇式方式生产。（ 5）渗（镀）层的比较按照各自的优点选择最为合适的渗（镀）层。粉末渗锌产品的性能粉末渗锌产品的性能良好，概括起来有以下特点：一是耐腐蚀性强。 腐蚀、锈蚀是钢铁材料的天敌。据估算，世界钢产量约 有 十分之一损耗于腐蚀、锈蚀。腐蚀对我国造成的经济损失每年至少在4 0 0亿元 以上。实践证明，在海洋大气、恶劣的工业大气等多种环境下， 渗锌层的耐蚀性 优于热、电镀锌和不锈钢。在同一种工业大气中，不锈钢 腐蚀6 0 0天，表面就 布满锈点，而镀锌产品腐蚀1 6 0 0多天，其表面 没一点锈迹。二是耐磨、抗擦伤性能好。 渗锌层表面硬度能达到H v 2 5 04 0 0 , 而 热、电镀锌制件表面为纯锌，镀层硬度仅为Hv 7 0左右，因此渗锌比 热、电镀锌耐磨和抗擦伤性能好得多。三是生产基本无污染。在一般情况下，渗锌生产的前处理只采用抛丸机除 锈 清油，且用布袋除尘，能达到国家三级标准。生产中以油燃料作为主要 能源，采 用循环燃烧无烟排放技术，粉末渗锌技术为锌固体渗，没有锌蒸 气产生，工件与 助剂又在密闭的器具中进行渗透和分离，对周围环境没有 污染。四是锌消耗量比较低。据了解，热镀锌的锌消耗量吨产品为1 0 0公斤左右，而粉末渗锌仅为3 0公斤左右，只占热镀锌的3 0%。另外，也没有 锌锅腐蚀这一热镀锌的老大难问题。五是涂漆后能实现复合防护。渗锌产品的渗锌层均匀且与油漆的结合力为一级，具复合防护层的耐腐蚀性均优于热、电镀锌和渗锌层。六是经渗锌处理的钢材制件不影响材料的机械性能。渗锌处理的温度比热镀 锌低1 0 02 8 0 C,此温度下吸入钢基体的氢原子已扩散逸出。因 此在应用中没有氢脆的危害，也能避免弹簧等一些高强度件因处理温度高 造成机械性能下降的弊端。编辑本段渗锌产品的应用前景渗锌产品的性能优势，决定其应用广阔，效益显著。如室外钢结构及紧固 件、高速公路护栏、桥梁，水暖器具和建筑五金、汽车、工程机械等零部 件，粉末冶金制品以及化工、海洋、冶金、发电等工程中的耐蚀、耐高温 零部件都可采 用渗锌钢材产品，其经济效益是很可观的。如热镀锌护栏的 使用年限一般为6年，而渗锌护栏（渗层厚度9 0-10 0微米）可保3 0年不腐蚀，不用大维修。据估算，以每公里高速公路护栏（双向车道4排护栏）使用3 0年计，其总热镀锌为6 8万多元，渗锌仅用2 3万多元，前者为后者近3倍。据有关部门前些年统计，全国7万公里铁路每年用于铁道钉浇油维修费用达4亿多元，若采用渗锌道钉，3 0年免大修，可为国家节省1 2 0多亿元。由此看出，粉末渗锌技术可为国家创造巨大的经济效益和社会效益，如加上提高资源使用率、保护环境等各方面的收益，粉末渗锌技术的贡献十分显著。