第二章　钢铁热镀锌基础理论

第一节　钢铁材料热镀锌的性质

一、钢铁热镀锌的特征

热浸镀（hot dip）简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀层的方法。钢铁材料是热浸镀的主要基体材料，因此，作为镀层材料的金属的熔点必须比钢铁的熔点低得多。常用的镀层金属有锌（熔点为419.5℃）、铝（熔点为658.7℃）、锡（熔点为231.9℃）和铅（熔点为327.4℃）等。钢铁材料热镀锌基本特征是在钢基体与锌镀层之间有合金层（alloy layer）形成，且当钢铁件表面从熔融的金属锌液中提出时，在此合金层表面附着一层熔融金属锌，经冷却凝固后形成金属锌镀层。

1.热镀锌的过程

热浸镀锌的整个过程，是将经过预处理的钢铁件浸入温度为445～460℃熔融的锌液（浴）之中去。首先，在瞬间钢铁制件就吸收了大量的热量，使钢铁制件表面上的锌液突然受冷，使之在瞬间内凝固于钢铁制件表面，形成了一层固体外壳，由于热量的继续大量供给，这层外壳很快受热而熔化。当钢铁制件表面温度与锌液温度达到平衡时，熔融的锌液就开始与钢铁相互作用。经过一段时间，使钢铁表面上就产生了铁-锌合金层；铁-锌合金层的外侧连接着纯锌层，当冷却后纯锌层结晶，在锌层内侧连接着钢基体。其整个过程较为复杂，它包括了物理变化、化学变化，钢铁的固体与熔融的锌液发生了浸润、扩散、溶解，其过程进行的速度随着钢材的化学成分、锌液的温度、浸锌的时间与深度有很大的关系。

2.适应热镀锌的钢材

用于钢管热镀锌的钢材，通常为低碳钢（含碳量为0.10％～0.20％），但对于一些特殊用途，则采用中碳或高碳钢，低碳钢即通常讲的Q195、Q215、Q235、Q295和Q345钢。低碳钢化学成分见表2-1。

二、热镀锌与电镀锌的区别

先介绍一下什么是电镀锌，电镀锌俗称冷镀锌，也称为水镀锌；它是采用电化学的方式，将锌锭作为阳极，锌原子失去电子后成为离子状态溶解到电解液中，而钢材料作为阴极，锌离子在钢材上得到电子还原成锌原子沉积到钢材的表面，实现镀层形成均匀、致密、结合良好的金属或合金沉积层的过程。与其他金属相比，锌是相对便宜而又易镀覆的一种金属，属于低值防蚀电镀层，被广泛用于保护钢铁件，特别是防止大气腐蚀，并用于装饰。镀覆技术包括槽镀（或挂镀）、滚镀（适合小零件）、自动镀和连续镀（适合线材、带材），目前，国内按电镀溶液分类，可分为四大类：氰化物镀锌；锌酸盐镀锌；氯化物镀锌；硫酸盐镀锌。

热镀锌也称热浸镀锌（galvanizing），是钢铁构件浸入熔融的锌液中获得金属覆盖层的一种方法。热镀锌层形成过程是铁基体与最外面的纯锌层之间形成铁-锌合金的过程，钢制件表面在热浸镀时形成铁-锌合金层，才使得铁与纯锌层之间很好结合，其过程可简单地叙述为：当铁工件浸入熔融的锌液时，首先在界面上形成锌与α铁（体心）固溶体。这是基体金属铁在固体状态下溶有锌原子所形成一种晶体，两种金属原子之间是融合，原子之间引力比较小。因此，当锌在固溶体中达到饱和后，锌铁两种元素原子相互扩散，扩散到（或叫渗入）铁基体中的锌原子在基体晶格中迁移，逐渐与铁形成合金，而扩散到熔融的锌液中的铁就与锌形成金属间化合物FeZn₁₃，沉入热镀锌锅底，即为锌渣。当钢制件件从浸锌液中移出时表面形成纯锌层，为六方晶体。其含铁量不大于0.003％。

以“干法”热镀锌为例分析，钢管涂上氯化锌、铵助镀溶剂在烘干炉上预热至150～200℃的温度后，进入温度为440～450℃的锌液中去。首先，在瞬间钢管就吸收了大量的热量，使钢管表面上的锌液突然受冷，使之在瞬间凝固于钢管表面，形成了一层固体外壳，由于热量的继续及大量的供给，这层外壳很快受热熔化。当钢管表面温度与锌液温度达到平衡时，铁与锌就开始相互作用。因此，钢管表面镀锌的实际过程，是按下列步骤进行的：固体铁溶解；铁与锌结合成铁-锌合金化合物，产生了铁-锌合金层；铁锌合金层的外侧连接着纯锌层，当冷却后纯锌层结晶，在锌层的内侧连接着钢基体。因此，热镀锌过程主要是由于扩散作用而形成镀锌层的过程。电镀锌与热镀锌具体过程的主要区别在以下七个方面。

①热镀锌镀层一般锌层较厚，大约在40μm以上，甚至高达200μm以上，热镀锌覆盖能力好，镀层致密，没有污物夹杂。防腐能力较强，所以是通常采用的一种镀锌工艺。而电镀锌镀层很薄，大约3～15μm，镀层重量只有10～50g/m²，热镀锌层一般是电镀锌层的10～20倍。当锌层破坏严重甚至危及到铁基体时，锌对基体产生电化学保护，锌的标准电位-0.76V，铁的标准电位-0.44V，锌与铁形成微电池时锌作为阳极被溶解，铁作为阴极受到保护。显然热镀锌对基体金属铁的抗大气腐蚀能力优于电镀锌。

②热镀锌层表面较粗糙、明亮，严重者有锌花，电镀锌层则光滑、灰暗（发污）。电镀法制造镀锌钢板具有良好的加工性能，但镀层较薄，耐腐蚀性不如热浸镀锌板；电镀锌板附着的锌量很少，只在外管壁镀锌（热镀，内外都镀），其本身的耐腐蚀性比热镀锌板管相差很多。

③热镀锌板一般用于电力设备和构件，适用于大的部件和设备。热镀锌板是先将钢管进行酸洗，为了去除钢管表面的氧化铁，酸洗后，通过氯化铵或氯化锌水溶液或氯化铵和氯化锌混合水溶液槽中进行清洗，然后送入热浸镀槽中。电镀锌适用于小部件，采用电镀溶液，对钢板和电镀溶液分别施加正负电极。

④热镀锌板和电镀锌板在镀锌量上有很大的差别。热镀锌板的镀锌量不可能太小，一般最小为双面50～60g/m²，最大可达600g/m²。而电镀锌板的镀锌层可以很薄，最小达15g/m²，但要求镀层较厚的话则生产线速度很慢，不适应现代化机组的工艺特点，一般最大为100g/m²。正因为如此，电镀锌板的生产受到很大的限制。

⑤热镀锌板和电镀锌板在镀层组织结构上有根本性的不同。热镀锌板纯锌镀层与钢板基体之间有一层稍脆的化合物层，纯锌镀层结晶时大多形成锌花，镀层均匀无孔隙。而电镀锌层的锌原子只是在钢板表面沉积析出，而且是靠物理作用附着在钢带表面，有许多孔隙，极易因腐蚀性介质引起点蚀，所以热镀锌板比电镀锌板更耐腐蚀。

⑥热镀锌板和电镀锌板的热处理工艺也完全不同，热镀锌板一般以冷硬板为原料，在镀锌线上连续进行退火和热镀锌，钢带在短时闻内加热后又冷却，所以强度和塑性受到一定的影响，其冲压性能比同样的冷硬板经专业生产线脱脂退火后的冷轧板差。电镀锌板以冷轧板为原料，基本上保证了冷轧板同样的加工性能，不过其复杂的工艺流程也增加了生产成本。总之，热镀锌板的生产成本更低，应用范围更广，也成为镀锌板市场的主要品种。

⑦热镀锌板、管是使熔融金属与铁基体反应而产生合金层，从而使基体和镀层两者相结合。热镀锌板具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长等优点。

三、钢管材质成分与性能

1.钢管的牌号和化学成分

适应热镀锌的钢管牌号和化学成分（熔炼分析）应符合GB/T 700中牌号Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B和GB/T 1591中牌号Q295A、Q295B、Q345A、Q345B的规定。根据需方的要求，经供需双方协商，并在合同中注明，也可采用其他易焊接的钢牌号。

2.钢管的力学性能要求

钢管的力学性能要求见表2-2。用于石油管道热镀锌钢管材料的力学和工艺性能参见第十五章附件二。

3.不适宜热镀锌的钢材

一般认为，适合于热浸镀锌的钢是低硅量的沸腾钢，美国的金属手册中指明要求硅含量w_Si小于0.05％。在国内有文献指出Q235钢中B类钢最适宜热镀锌，这类钢热浸镀锌后得到紧密、连续、均匀的金属间化合物组织。连续铸钢技术的普及，给热镀锌带来了新的问题。这种新的钢种硅含量大于0.05％。因此说，如果不是低碳钢，或其中硅含量低或过高的工件，则使热镀锌工作很困难，但是可以通过其他工艺方法实现热镀锌。