＊周 丽
（山西低碳环保产业集团有限公司 山西 030000）
钢材在石油、冶金、机械、电力、化工、建筑、交通运输等方面有着重要的应用价值。但是，每年全球因钢材的侵蚀所导致的损失占到全球年产量的三分之一，带来了重大的经济损害。了解造成钢材锈蚀的主要因素，并针对其特点，提出相应的预防和降低其腐蚀损耗，就显得尤为必要。
钢材作为一种主要的工业原料，在接触到空气或泥土后，会发生严重的腐蚀，从而造成严重的经济损害。所以，目前国内外的研究者都在关注着这一问题。热浸法是保护钢铁不被侵蚀的一种有效手段，因其工艺简单、成本低廉而得到了普遍的使用。在炼钢时，硅可以用作脱氧和增强的成分。在热镀锌工艺中，硅会加快氧化过程中的铁-锌化，使镀层厚度增大，从而降低镀层与基质的结合性能，从而降低制品的品质。目前，人们普遍采用的两种工艺，即采用了高温镀锌法和热浸镀法。由于高温电镀工艺容易导致产品表面的锈蚀和能源消耗，从而大大提高了生产的成本。通过在锌镀层中加入一些合金来改善镀层的特性，这是一种新的发展方向。
热镀锌是将电镀工件经预热后浸泡在锌浴或锌合金浴中，在电镀的金属上涂覆一种保护性涂层。镀锌涂层既能起到对钢材的电化学防护，又能起到一定的物理防护效果。通过热浸镀锌工艺，可以提高产品的使用寿命，而且无需定期维护。热浸镀锌的生产工艺是：预镀后热处理，之后再热镀锌。电镀工艺具有工艺简便、生产费用低等优点，是目前钢铁产品的最优防腐技术之一。热浸镀锌按其工艺可划分为两种，即连续热浸镀和普通热浸镀。连续热镀是一种对钢材进行表面预处理，然后在连续的流水线上，迅速地进行锌浴，在零件上涂敷一种锌-铁合金膜和无包锌膜。这种工艺适合于大型的产品，例如：家用轿车等。通常采用热浸镀技术，对钢材进行碱洗、酸洗、电镀等工序，将钢丝或钢板以不间断的方式浸泡在锌池中，从而在其上产生一种金属之间的复合物。该方法较连续热镀锌的时间略久，适合于小型生产。该设备的生产工艺是：电镀、碱洗（去油）、清洗、酸清洗（除锈）、辅助电镀、烘焙、电镀、冷却、干燥、最终完成。通常在锌液中加入0.004%～0.02% Al，Al的含量不宜太高，不然很容易和电镀液产生化学反应。根据热浸渍工艺中的溶剂的处理方法，将熔化和干燥工艺分为两类。将预镀材料分别浸泡在溶剂溶液和锌浴槽中，采用熔化-溶剂的方式进行电镀，但所获得的涂层与基质的粘接性不佳。干燥-溶剂干燥工艺是将预电镀后的预电镀工件进行干燥，然后将其浸泡在锌槽中以获得镀层。干燥-溶剂干燥方法可有效地除去铁盐和锌浴中的氧化，提高其湿润度，从而提高涂层的整体品质和对基质的适用性。
锌是一种很好的涂层材料，当钢材接触到潮湿的环境时，它会产生一种能阻止钢材的腐朽和自身的腐蚀性物质，从而减缓侵蚀的进程。
同时，锌的活性高于铁，可以在干燥的空气中与氧反应，形成氧化锌。这样，表面就会产生一层致密的保护膜，使其与钢材接触，从而避免了基材的进一步氧化。对于钢板、钢架、钢丝、型钢、铸件等，都可以使用电镀的方法进行防腐处理。镀锌工艺主要有热镀锌、真空蒸发镀锌、机械镀锌等。在这些技术当中，热镀锌技术是目前国际上应用最广泛、性价比最高的一种钢板表面加工技术。热浸镀锌通常要比电镀镀锌厚度大，具有很高的抗腐蚀性和低廉的价格，所以可以在一定的腐蚀条件下长时间的工作；
同时，可有效地调控涂层的厚度、韧性和表面状况。热镀锌技术在减少腐蚀、延寿、节材方面具有不可取代的重要意义。
通常在热浸镀锌过程中，会产生一种与铁锌基相结合的化学反应。由于浸渍溶液组成的不同，镀膜的组织形态也有很大差别，其中所产生的中间体有如下的特点：
（1）α相为Zn在Fe中生成的固体溶液，为体心立方晶体。在450～460℃相应条件下其锌量大约为10%。随着气温的降低，锌的固溶性逐渐减小，在常温下，锌含量达到6%。
（2）γ相，它是由Fe3Znlo和Fe5Zn为主组成的中间金属相，Fe 98%～27.76%。这是一个立体的中心点阵。该相位为最坚硬、最易碎的一种。
（3）δ1相，为以Fe-Zn为主的中间金属相，是665℃下的Γ相和液相的包晶产品，含有7%～11.5%的铁质。该相为六角形，具有良好的韧性。
（4）ζ相位，由530℃下Zn同性与δ1相结晶，其中含有5%～6%的铁质。这种晶体是一种单一的斜晶体，晶体的对称度很低，因此比较坚硬，易碎。
（5）η相为Fe在Zn中的固溶物，Fe的含量只有0.028%。它是一种具有良好的塑性的六边形密集点阵。
（6）Γ相，它是a-Fe和液相782℃时的包晶产物，具有面心立方的点阵结构。
(1)C元素
钢中的碳含量和形态对Fe-Zn反应器的作用也不尽相同。通常情况下，随着碳含量的增加，Fe-Zn的反应更加激烈，其界面层的增长速率也会增加，Fe-Zn合金的厚度也会增加，促进Fe-Zn合金的增长，抑制Zn的增长，促使ζ相的生长而抑制了δ1相的生长，进而使镀锌膜的整体组织发生变化，降低产品的力学性能。所以，对于热镀锌板，必须对含碳0.05%～0.15%的碳含量进行严格的控制。碳化物为石墨和回火马氏体时，其作用较小，但若有颗粒状的珠光体和层状的珠光体，则会导致Fe-Zn的反应加速。但通过对工业纯铁进行退火渗碳，得到了更好的渗碳体，从而增加了主平面拉伸能力，降低了锌液的润湿能力，同时也限制了Fe-Zn合金的反射率，导致了漏镀和锌瘤的形成。
(2)P元素
如果钢中含P元素，则会引起钢的冷脆性，所以对钢中P的含量进行了严格的限制。P对Fe-Zn的作用与Si相似，在含P 0.15%的情况下，使得η相变薄，Fe-Zn的含量增加，导致Fe-Zn的析出厚度增加，从而导致Fe-Zn-Fe/s的析出更厚更易产生裂纹，从而降低了涂层的粘附力。同时，磷极易在晶界处发生偏移，导致晶界的反应能力下降，进而影响到凸起的形成。
(3)Cu元素
钢中含有的铜对热镀锌工艺的作用相对较弱，但在热轧和冷却时，由于铜难以被氧化，并且在其内部的熔融程度很低，因此铜易于沉淀，并在奥氏体晶界区形成。在热连镀时，由于氧化层的持续脱落，导致表面有大量的铜沉淀。由于钢材的延伸速率不一样，因此在轧制时，钢材的表层会产生丝状的裂缝，而在热轧后则会产生条状的刮痕或条状的痕迹。当铜的含量大于0.3%时，容易产生凹痕，因此对热镀锌钢来说，铜的质量分数应控制在0.15%以内。
(4)Ti元素
钛是一种固溶于a-Fe晶体中的固溶态，其对热镀锌层的衬底有显著的作用，而对其腐蚀速率没有明显的作用。然而，钛对镀层的影响也有其特殊性，即其形成的最厚的不是与δ1相，而是ζ相。此外，镀铬后的含钛钢的表面更好，由于含有钛会在钢材中产生捕集，从而降低了在酸性或保护性环境下进行的腐蚀或保护性的还原过程中，降低了氢的逸出，从而避免了电镀过程中的氢逸出对纯锌层的作用。
（1）Fe元素。在锌溶液中，铁的饱和溶解率为0.02%，常以杂质的方式进入锌溶液，若锌溶液中铁的浓度高于该浓度，则在进行热镀后，会产生锌渣，从而导致锌沉积物及细小的锌渣粒，从而导致镀层的表面出现凹凸。这些细小的粒子通常为FeZn7的铁锌矿渣体，因其与锌的浓度相差很大而下沉至底层，从而造成了底渣；
在锌液中加入Al后，Fe与Al发生化学反应，形成Fe2Al5，但因其浓度与锌的浓度相差较小，沉淀速度较缓，因此在锌液中夹杂物被制成制品带走，嵌入到镀层中，造成涂层的表面品质降低。所以应对中铁的含量进行严格的调控，以减少引入的铁离子，从而得到平滑的镀层，减缓锌镀膜的腐蚀速率。
（2）Mg元素。镁会显著地改变镀锌的结构，进而对镀层的品质产生一定的影响。一般情况下，在镀锌溶液中添加适当的镁质，使其具有显著的抗腐蚀性，并能有效地去除锌溶液中铅对金属材料的耐蚀作用。结果发现：ω（Mg）小于1%时，涂层的微观结构几乎不发生变化，且以圆柱形晶体为主，在一定的压力作用下，裂缝沿着晶界区的边界扩散，引起金属表面开裂，从而引起金属表面的破坏。在ω（Mg）＞1%时，随着镁的添加，涂层的表层会出现一个镁富集区，有利于细化晶粒，提高结构密度；
镁可在接近基质时，在基体处形成一种致密的Γ相层，并能有效地阻止生成的脆性Γ相，同时，它的“相层膜”与基质结合得很好。镁的用量约为3%，过量的镁会显著提高锌溶液的黏度，使涂层发生奶白色，从而导致涂层易碎，并导致锌溶液对钢的湿润性能降低。
（3）Al元素。Al是在热镀过程中常用的一种添加剂，Al在铁基体和镀层间的结合处富含Al，对Fe-Zn合金层反应具有很好的抑制效果，不但使其组织形态发生变化，而且使涂层的表面更加光滑，可以避免界面开裂。在热镀工艺中，Fe对Al具有很高的亲合力，在靠近钢表面形成Fe-Al型金属间（Fe2Al5或FeAl3)，并在一定程度上阻止Fe-Zn的形成，从而降低了镀层的厚度。采用Fe-Al型金属间复合膜，可以提高电镀的阳极性，减少对中铁的不良作用。由于铝对氧的亲合力很强，所以在镀锌板上形成了一种高密度的Al2O3膜，它能隔绝大气，并能有效地阻挡氧与金属的接触，并能避免氧化铁芯。
（4）Ni元素。在热镀锌时，由于存在着大量的硅会引起“圣德林”效应，所以通过加入Zn-Ni合金的方法来克服这种缺陷，这种方法也是近年来国内逐步公认的解决镀层色差现象的一种新工艺技术。将Zn、Fe在锌液中的渗透率提高，同时也可以有效地抑制Zn、Fe的传播速率，从而可以有效地控制渗入的厚度，节省了锌液量，提高了锌液流特性。结果表明：采用锌枷合金进行热浸渍处理后，镀层的组织结构变薄，涂层的组织结构变好，涂层的外观品质也有所提高。在锌液中加入适当的镍和铝元素后，能大幅改善镀层的耐腐蚀性，并能抵抗中性氯化钠的盐雾侵蚀192h。研究表明，在锌池中，当铅含量保持在0.04%～0.06%时，可以有效地阻止锌-铁间的化学反应，为圣德林公司生产的钢铁产品的热镀锌问题，提出了一种行之有效的途径。
热镀锌具有诸多优势：处理成本低、经久耐用、可靠性高、韧性强、省时省力等；
特别是由于热镀锌具有较高的耐腐蚀能力和较大的适用范围，因此受到了人们的青睐。随着我国工业化进程的加快，我国钢铁行业的热镀锌工艺及设备得到了迅速地发展，热镀锌制品在许多行业中得到了广泛的运用。世界上的热浸镀法技术发展迅速，而国内的热浸镀法刚刚起步，不能适应实际生产要求。所以，要想进一步扩大镀锌生产规模，必须从工艺和装备上吸取国际的先进技术，研制出具有高耐腐蚀性能的热镀锌技术是当前研究的热点。