第六节　锌液温度和浸渍时间对镀锌层的影响

一、热镀锌温度的范围

（一）经典理论浸镀温度范围

在热镀锌过程中，锌液温度和浸锌时间是影响镀层的重要因素。通常是用热镀锌时的铁损作为铁-锌反应速度的参数。铁损是指铁与锌反应形成合金层中的铁和锌渣中铁的总量。

由于锌液温度的变化，钢基体和锌液之间的物理化学过程将发生较大的变化，因而也影响了合金层的结构。英国学者Hershman.A.A在1967年评述当时热镀锌研究成果时，主要根据工业纯铁和被铁饱和的锌液间的反应，并按铁损和镀锌时间的变化，划分成如下3个温度范围。

1.低温抛物线范围（430～480℃）

在这一温度范围时，铁损（ΔW）按抛物线规律随浸锌时间（t）变化，表示为ΔW=At^1/2，式中，A为取决于温度的常数。在这一温度范围内，所生成的合金层连续而致密的，其中含有Γ、δ₁、ζ、η相层，它们在这一温度范围内是稳定的。

2.直线范围（480～530℃）

当锌液温度提高到480℃以上时，铁和锌的反应式形式发生变化。在这一温度范围内，当浸镀时间较长时，铁损与时间是直线规律，其关系式表示如下：ΔW=Bt，式中B为常数，在温度超过480℃时，铁损和时间呈直线关系，如图2-17、图2-18。

当温度超过480℃时，ζ相形成速度很快，即铁-锌反应速度加快导致合金层迅速增加。当达到500℃时，铁损增至最大值，超过500℃后，铁在锌液中的重量损失又开始下降。

20世纪80年代，在中国内地的热镀锌行业，如铁塔制造及钢管的热镀锌，曾经盛行采用490～510℃的浸镀温度，浸镀时间通常不超过1.5min，可得到较薄的镀锌层，并具有很高的生产效率。存在的问题主要是铁质锌锅使用寿命短。若浸镀时间稍微延长则镀锌层增厚。但是对使用陶瓷锌锅，浸镀时间较短时，此温度范围仍可以采用。

3.高温抛物线范围（530℃以上）

当锌液温度上升至530～560℃时，反应又恢复为抛物线形。但抛物线常数A的数值随温度的变化而变化。A值变化的原因，一般认为合金层中有的部分发生破裂。破裂程度不同，因而曲线的形状也不相同。通常把530～560℃温度范围内的镀锌称为高温热镀锌。从铁-锌合金二元合金状态图中可知，镀锌温度超过530℃时，ζ相消失而δ相是稳定的，δ相的形成和生长变得很慢。实际上从500℃开始，δ相的生成就受到影响，随着温度的升高，δ相往锌液中的溶解加快，在此温度下硅对铁锌合金反应不利影响大为降低，形成含极少量ζ相和较薄δ相的合金层；在离开锌液后δ相会继续生长，最终工件表面形成δ+ζ的双相结构。镀层表面呈浅灰色，若要获得光亮表面镀层，可将锌液中的铝含量增加到0.03％～0.05％之间。高温镀锌时，锌液对铁的腐蚀加快，生产中必须采用陶瓷或其他耐火材料锌锅，最好采用内加热、顶部加热或感应加热。高温镀锌流动性好，对去除余锌极为有利，所以在螺纹件及玛钢件的热镀锌生产中得到广泛的应用。

以上3种反应类型主要是根据工业纯铁与锌液的反应划分的，在多数情况下，当铁与锌液中含有合金元素时，会影响反应的程度，但对反应的基本类型没有影响。

（二）实际生产浸镀温度范围

1.常规热镀锌温度（440～465℃）

经验表明，大多数情况下在445～465℃的温度范围内镀锌能够获得满意的效果，在此范围内提高温度可增加锌液的流动性，改善锌液的回流，提高镀层质量；此外，可缩短镀锌时间，提高生产效率。如果由于钢材硅含量的影响，镀层质量不理想时，可采用下限温度。

2.低温热镀锌（435～445℃）

对于含硅镇静钢，为了克服“灰色镀层”的形成，除了采用添加锌-镍或多元锌-铝-锡-镍中间合金的方法外，采用低温镀锌工艺也是有效的方法，镀锌的最低温度应以工件提出锌液后，锌液能顺利地从工件上下来为准。低温镀锌可以抑制铁-锌合金的形成，并减少锌灰或锌渣量，并能保证锌锅的安全和节约能源。生产实践证明：锌液温度降低20℃（比如从470℃降到450℃），浸镀所产生的锌渣量将减少为一半。目前低温镀锌已经得到较多的应用。低温镀锌的生产效率低于常规温度镀锌。

3.超低温热浸镀锌（425～435℃）

生产实际证明，对解决高硅、锰碳素结构钢（如Q345、16Mn等）浸镀出现的灰色镀层或色差，可以进一步降低镀锌温度。在这个温度范围内，一般较适合电缆桥架和太阳能设备的支架等薄件的镀锌工艺。除此之外的其他镀件采用超低温镀锌，会产生以下问题。

①镀锌温度偏低锌液流动性变差，当环境温度较低时，（如车间内温度低于5℃以下，锌液面此时温度在190～200℃之间），工件提出锌液面后，锌液几乎就不能流淌，镀锌后的纯锌层厚度明显增加。

②当工件一次进入量较大（或工件吨位很大），锌液温度会有所降低，要适当延长浸镀时间，这样势必降低生产效率。为避免这种情况，必须保证锌锅有足够的熔锌量，一般应为生产量（t/h）或最大件质量（t）的60倍以上。此外，为了改善锌液在低温状态下的流动性，加入少量的五元锌-铝-锡-铋-混合稀土合金可以取得较为满意的效果。

二、热镀锌温度对镀层的影响

对于热镀锌温度，国内外专家均认为保持在430～460℃的范围内最好，当温度升高超过475℃时，会使不良的铁-锌中间金属化合物的形成速度增加。科学试验及生产实践证明，由于升高锌液温度会促使合金相ζ相厚度的增加，使镀锌层的塑性变差，所以当锌液温度变动时，各相层厚度比例也相应地发生变化，一般来说，低碳钢件在450℃的锌液中浸4min后，所得的镀锌层组织中ζ相和δ₁相厚度基本一样。但是，一旦温度提高到480℃，同样浸4min，则所获得的δ₁相对减少，而脆性ζ相却增长几倍；外层的纯锌层η相亦因温度太高、流动性较好以及铁-锌间扩散的加剧而使纯锌层减薄了。特别在495℃时生成了特别明显的二次ζ相结晶，但是一旦达到500℃时，则又完全消失了。由于ζ相具有较强的脆性，所以在做冷弯试验以及因需要在镀锌后进行折弯时，纯锌层会很容易脱落下来或开裂。故在实际镀锌生产中，一般采用440～465℃之间的温度。采用这样一个温度范围还因为，在这范围内无论从钢件的铁溶解量以及锌锅的铁的溶解量均较低，这对于锌渣的产生量减少有很大的好处。图2-18所表示的是在同样的时间内，温度越高，铁在锌液中的溶解速率也越高。

从图2-17中可以看出，在锌液温度与铁损失量的关系曲线中，440～460℃范围铁损失量基本相同，是处在最低的极限范围，如果当锌液温度增加到470℃时，铁的损失量略有增加，但还是很少影响，一旦锌液温度升到480～500℃时，铁的重量损失呈直线形式出现，这时属于铁损失量最不利的情况，换句话说，这时对钢质镀锌的腐蚀最厉害，锌锅使用寿命最短。对镀锌钢件来讲，铁-锌合金层较厚，不影响使用寿命。大部分黏附在钢铁表面上成为镀锌层的一个组成部分，余下的另一部分便从镀层脱落而进入锌液中去，造成了锌渣增加，对锌耗及镀锌层表面质量有不良的影响，由于以上原因，故一般都限制了锌液的温度。

三、热镀锌时间对镀层的影响

图2-18所示为在相同的锌液温度下，浸锌时间与铁损的对应关系，时间越长工件的铁损越多。试验表明，用不同的浸锌时间对相同的厚度钢板进行热镀锌时，可以发现浸锌时间越长，钢板上附着的锌量比浸锌时间短的要多得多。浸锌时间长的铁-锌合金层厚，脆而挠性差，有时表面呈灰黑色；浸锌时间短的铁-锌合金层薄，挠性好，有些因时间过短，合金层不能形成，只在钢板上面形成一层薄锌，这种镀层很容易从钢板表面上脱落下来。

同样，在相同的浸锌时间下，当锌液温度较高时，镀锌钢板上附着锌量就多，铁-锌合金层就厚，脆而挠性差，表面有时亦可能出现灰暗色；相反当锌液温度较低时，镀锌钢件上的附着量就较少，铁-锌合金层就薄，纯锌层较厚，使其挠性好；如果锌液温度太低时，铁-锌合金层不能形成，只在钢件表面上附着一层纯锌层，也容易脱落，所以锌液温度太低或太高都不好。

总之，当锌液温度不变时，以较长的浸锌时间可获得较厚的镀锌层；反之，当锌液温度较高的时候，浸锌时间虽然较短，所获得的镀锌层与浸锌时间较长是一样的。

一般情况下，当确定对某一个品种钢制品镀锌时，先确定镀锌液的温度，根据用户对产品镀锌层厚度的要求而事先确定大约浸锌时间，以获得合适的镀锌层厚度。

例如，在浸锌温度为450℃，钢的成分为C 0.008％、Mn 0.40％、Si 0.006％、P 0.021％和Cu 0.02％的条件下，γ相的厚度达到正常的0.004mm时，需要不到1min的时间。对于工业纯铁，需要30～45s。ζ相起初生长得很快，超过了δ₁相。在大约90min后，δ₁相的生长速度就接近了ζ相，这表明了Fe通过γ相和δ₁相的扩散比通过ζ相的扩散来得快。所以，当ζ相长大以后，锌必须经过更长的路径进行扩散，于是ζ相生长就落后于δ₁相的生长，因此，在正常镀锌时（浸镀6～20s）ζ相最厚。这一点对镀层的塑性极其重要，因为此ζ相是脆性的单斜晶结构，ζ相越厚，镀锌层的塑性越差。所以，在热镀锌时，尽量缩短浸锌时间，可以减少ζ相的厚度，从而使镀锌层的塑性得到改善。

综上所述，锌液温度与浸锌时间对钢制品的铁损影响因素较大。现将国外学者的研究结果归纳如下（表2-18）。

由此可以看出，上述理论仅是在平衡状态下出现的情况（浸渍时间为1h，铁在锌液中的含量应达到规定的数值）。而实际上，热浸镀锌的时间大都很短，除了截面厚度较大的钢结构件（可达10mm以上）以外，一般浸镀时间都是几分钟（有时是以秒计），此时对镀件而言，铁损情况与表2-18会有差异；而对锌锅的腐蚀过程，具有较强的针对性。所以普遍认为锌液温度超过480℃，锌对铁的浸蚀过程加快，将浸镀温度控制在460℃以内，这对于延长钢制锌锅的使用寿命是十分必要的。

1.影响构件浸镀时间的因素

①浸锌温度越高，工件达到锌液温度的时间越短，工件表面上的助镀剂和锌液反应能较快完成，浸镀时间可缩短。

②工件有效厚度的影响。工件有效厚度（δ）越大热透时间增长，则需要较长的浸镀时间，举例来说，δ=6mm，需要3～4min；δ=10mm，需要5～6min；δ=20mm，需要10min或更长时间。

③一次浸镀工件总量的影响，一般情况下，每投入锌锅1t工件，锌液温度约降低1.5℃（指容锌量100t左右的锌锅）。如果投入工件吨位较大，锌液温度明显降低，此时，就必须延长浸镀时间。

④工件复杂程度的影响。如果形状简单（如型钢、板件、杆状工件），锌灰容易浮出液面，浸锌时间就短；如果形状复杂，就需要反复提动工件，浸锌时间就适当延长。

2.浸镀时间确定原则

①一般来说，把工件放入锌锅中，直到锌液面的“沸腾”现象停止，锌灰充分返出液面，即应毫不耽误地进行打灰，取出工件。对镇静钢而言，镀层厚度与浸锌时间成正比，因此浸镀时间必须尽量缩短。

②在有些情况下，正常浸镀后，镀层厚度并未达到国家标准规定的最低要求，此时，必须适当延长浸镀时间。

③尽量减少工件之间浸镀时间上的差异，以减少镀件之间或一个工件的不同部位的镀层厚度的差异。

四、镀锌温度对合金层成长速率的影响

关于镀锌温度对铁-锌合金层成长速率的影响问题的论述，在过去的镀锌技术文献中给予讨论的较少，本节在此引用两个经典曲线（图2-19、图2-20）。图2-19是由Proskurkin等学者在1975年给出的，它是铁在锌液呈饱和状态下（工业纯铁在锌液中保持2h），其合金层生长速率与锌液温度的关系。这与以上所述的温度与铁损的关系是一致的。但是，当浸镀时间较短时与该图的差别很大，图2-20为2min浸镀的情况。如果钢中硅含量较高，甚至可能出现温度增高、镀层总厚度反而减少的情况（图2-20）。从图2-20中可以看出，从450℃开始ζ相的厚度减少，到480℃ζ相消失，δ相厚度也随之降低，此时镀层由η相、较厚的δ相及Γ相组成。镀层总厚度随着温度的升高反而呈下降趋势，表2-19为实践中测出的数据。

图2-21所示为不同锌液温度下硅含量对合金镀层厚度的影响。从中可以看出，当钢中的硅含量增加到0.10％时，520℃下浸镀的锌层厚度低于460℃浸镀的厚度，这与表2-19所给出的数据是一致的。

从表2-19中还可以看出，当浸镀时间延长到2min以上时，则随浸镀温度的升高，镀层厚度明显增厚。这是因为在短时间内，当浸镀温度达到490℃时，ζ相层在锌液中的溶解加速，ζ相层呈现不完整状态，从而使ζ相晶核的生成与相层的成长减缓。此时，锌液的流动性也提高了，所以合金层厚度与纯锌层厚度都呈下降趋势；如果继续延长浸镀时间就会发生以下变化：ζ相层全部溶解，δ相层可以直接从锌液中获取锌原子，从而δ相层得以快速增长，铁-锌合金层厚度随时间的延长继续增加。

通过以上分析可以看出，浸镀温度与时间对合金层厚度的影响较为复杂。但是对铁损的影响较为简单。对于镇静钢来说，延长浸镀时间对铁损和镀层厚度的增加程度就更为明显了。故在生产实践中，应当尽量缩短浸镀时间。