带钢中热镀锌普通上锌量是多少,热镀锌的原理是什么

带钢中热镀锌普通上锌量是多少,热镀锌的原理是什么
带钢中热镀锌普通上锌量是多少,热镀锌的原理是什么

带钢中热镀锌普通上锌量是多少,热镀锌的原理是什么
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热镀锌理论
一、一、锌的金属扩散原理与镀锌层的形成过程
钢铁表面热镀锌是固态金属与液态金属间的反应和扩散过程.从上世纪初以来,有不少学者从事过这方面的理论研究,他们大都是从研究铁-锌反应动力学着手,找出决定扩散层结构的重要因素和各因素之间的相互关系,确定扩散层生长的规律.
研究证明,扩散层的厚度在给定温度之下主要取决于扩散时间,可由下式表示：
y2=2Pt
式中 y-----扩散层厚度,微米
t----扩散时间,时；
2P---系数,微米2/时
由式2-1可知,在给定温度下,扩散层的厚度将按照扩散时间呈抛物线的规律增加.
当难熔金属在易熔金属中溶解时,由于扩散层一面在增加,一面又在液体金属中溶解,情况就复杂了.这时,在所研究的扩散层界面上的浓度可能在变化.因而使增长规律偏离抛物线.只有当液态金属中的被熔物呈饱和状态时,或者当难溶金属在易溶金属中一般溶解不多时（例如,由于熔点相差太大）,抛物线规律才保持正确.
在研究铁-锌的互扩散时,已证实符合抛物线的只有г相.因为这一相不与溶体金属直接接触,并具有最鲜明的边界（即边界上成分不变）.
在所有的情况中,y2与t保持着线性关系.每一抛物线的平均参数2P则取决于此直线与T轴间倾斜角的正切.有了各不同温度下2P的数值后,便可以研究扩散系数随温度变化的情形.
当固态难溶金属与液态易溶金属互相作用时,中间相层的形成次序并不随时符合于接触面上的平衡条件,实际在反应初期所形成的相,在结构上与成分上都不是该系中最易溶的相.对此,通过研究铁-锌反应已证实,在扩散层中间相（即镀锌层的合金层）的形成过程中有两种基本过程在进行：第一铁溶解在锌中,第二形成金属化合物.
1、 铁溶解在液态锌中的过程
热镀锌时,铁原子跑到了液态锌中形成了一定浓度的溶液.如果这种溶液的浓度低于该温度下的饱和浓度（镀锌时间短）,则在该反应过程中就不产生固相.于是,当铁试样从锌液中取出时,其表面上的结晶或者是一种共晶（FeZn7+Zn）,或者是共晶中夹着多余的均匀分布的FeZn7晶体.如果铁溶解在液体锌中的浓度大于该温度下的饱和浓度（镀锌时间长）,则在反应过程中FeZn7晶体就应形成并且长大.显然,这一相的长大应从铁表面开始.同时,一些单个的FeZn7晶体会从铁表面上剥下而溶到液态合金中,常把单位时间内被溶解掉的物质量Dq/dt作为溶解速度.
2、 形成金属化合物Fe5Zn21的过程
形成金属化合物Fe5Zn21的过程,显然可以和第一种过程平行地、无直接联系地进行,因为在这里并非扩散过程,而纯粹是反应过程.研究证实,化合物Fe5Zn21并不是一开始便形成,而至少经一定时间后才出现.这段推迟的时间一般称为孕育期t,它的倒数1/t称为化合物Fe5Zn21的形成速度.
在给定的热镀锌条件下,镀锌层的合金层厚度及结构主要取决于以上所说的铁的溶解速度和金属化合物形成速度的对比关系.
如果铁在锌中的溶解速度等于或稍微大于Fe5Zn21的形成速度,则当试样浸入液态锌中时,在最早的一段时间内铁将在锌中溶解,并形成共晶与FeZn7晶体.之后不久,便形成化合物Fe5Zn21,它有力地阻止铁的进一步溶解.如果铁在锌中的溶解速度比Fe5Zn21的形成速度大得多,则由于与液态锌相接触的试样面上的铁很快地跑到溶液中,所以表面上形成Fe5Zn21的这一反应便大大减慢,这样,化合物Fe5Zn21就完全不会形成.如果Fe5Zn21的形成速度大于铁的溶解速度,则镀锌一开始Fe5Zn21便首先形成,并阻止了铁的进一步溶解.在这种情况下,镀锌层的合金层就可能只由一种Fe5Zn21晶体组成.实践证明,就是镀锌时间较短,也有可能形成这样的结构.
到此为止,前面所讨论的都是钢铁在纯锌中热镀锌时所发生的过程.因为金属化合物Fe5Zn21与钢基间的结合力非常薄弱,所以的Fe5Zn21生成对镀锌层的粘附性是最不利的.
二、镀锌层的结构和性质
很久以来有不少学者从事铁—锌合金系统图的研究工作,直到本世纪三十年代末,主要由西拉姆（Schramm）的工作而使铁—锌状态图起了重大改变,这种状态图一直沿用至今（见图6-1）.

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2009-7-24 23:26
图6-1 铁锌合金系统图
由状态图可以看出,当镀锌温度在450~670℃的范围内时,所产生的相层,由铁开始其顺序如下：
（1） α固溶体,是锌溶入铁所形成的,当温度为450℃时,其含量约为6%.此层内含有冷却到室温时呈细小散布析出的г相；
（2） α+г的共晶混合物；
（3） г相,它是以化合物Fe5Zn21为基础的中间金属相；
（4） г+δ1的包晶混合物；
（5） δ1相,它是以FeZn7为基础的中间金属相；
（6） δ1相+ξ相的包晶混合物；
（7） ξ相,它是以FeZn13为基础的中间金属相；
（8） η相,它几乎是由纯锌组成的含有微量铁（0.003%）的固溶体.
在热镀锌生产中,实际获得的镀层,其结构不一定完全含有上述八个相层.实践证明,当镀件在锌液中浸没时间很短时,α固溶体根本不会形成.另外α+г共晶、г+δ1包晶、δ1+ξ包晶分别在623℃、672℃、530℃的温度下才能形成.所以在镀锌温度为450~470℃的范围内上述四个相层是不会形成的.而只可能形成г相、δ1相、ξ相、η相等四个相层.当浸锌时间极短时,例如5秒左右,г相也不会形成,η相几乎由纯锌组成又称纯锌层,锌铁合金层就只存在δ1相和ξ相.各相层的结构参数和性质见表6-1.http://lqefei.blog.163.com/edit/热镀锌博客
表6-1 各种铁锌合金层的晶体结构和性质

相名称

分子式

铁的含量

晶体结构

显微硬度HD

性质

原子（%）

重量（%）

α


锌在铁中的固溶体

—

80~100

体心立方

150



г


Fe5Zn21

23.2~31.1

20.5~28

体心立方

大于515

脆性

δ1


FeZn7

8.1~13.2

7.0~11.5

六方

454

塑性

ξ


FeZn13

7.2~7.4

6.0~6.2

单斜

270

脆性

η


铁在锌中的固溶体

—

0.01~0.02

六方紧密排列

37

塑性

把低碳钢试样浸入450℃的锌液中,经两小时之后,将获得的镀层结构进行显微照相,发现镀锌层的结构是由若干顺序排列的组分所组成的.它们的排列顺序丝毫不差地符合于铁锌系统状态图上沿镀锌温度线的那一部分,见图6-2.
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图6-2 锌层显微结构图
图中的г相紧靠钢基体,所以常称为粘附层,实际浸锌时间短时,它是不会形成的.而δ1相以两种形式出现,位于钢基的一侧晶体排列较密集称为δ1密相；而另一侧较为稀疏,称为δ1稀相.研究发现,δ1密相的晶体生成速度大于长大速度,因此晶体多而密集.但是δ1稀相的晶体生成速度小于长大速度,所以晶体少而大,并呈现栅栏态,由此称做栅状层,它表现较为稀疏.从状态图可知,直到640℃,这种δ1相都是很稳定的.
ξ相位于δ1相和纯锌层之间,它是呈柱状或束状,并且没有δ1相那么致密.在450℃时,ξ相形成致密层保护在δ1相之上；在490℃时,ξ相是连续形成的,锌可渗入ξ晶体之间,直接与δ1相起反应；在500℃时就完全不形成ξ相.在高温下镀锌时,这种ξ结晶首先部分地从合金层脱落下来,并漂入锌液中,所谓的漂走层就是由此得名的.在液态锌中这些ξ晶粒便形成了锌渣而沉入锅底,常常称作底渣.最外层的η相即纯锌层,它的形成和铁-锌状态图无关,其生成厚度只取决于气刀喷吹压力和带钢速度等因素,它是延展性最佳的一层.
一、
http://lqefei.blog.163.com/edit/热镀锌博客镀锌
理论的发展
1、 热镀锌经典理论与生产实践的矛盾现象
长期以来人们一直认为,造成镀锌层粘附性不好,易发生锌层脱落的原因有两个：
（1）在钢基表面残留有未被还原的氧化物,从而干扰了正常铁-锌合金层的形成.因此,导致镀层的粘附性不良；
（2）操作条件不佳,例如,镀锌温度高、浸镀时间长、铝含量低等因素使铁锌合金层过厚,造成锌层脱落.
因此,在热镀锌操作中,总是十分强调炉体的密封性和炉内充分的还原条件,并且准确地控制各个生产因素,力争获得尽可能薄的铁-锌合金层.然而,在生产实践中会出现反常现象,即有些产品虽然铁锌合金层很薄而且钢基表面也无残留氧化物,但是其镀层的粘附性还不如另外一些具有较厚锌铁合金层产品的镀层.若改变一下操作条件,即在保持锌液中铝含量不变的情况下,减慢镀锌速度（即延长浸锌时间）、提高带钢入锌锅温度,就可以使这种产品的镀层粘附性得到改善.这种现象是和热镀锌经典理论相互矛盾.
2、 热镀锌层的粘附机理
热镀锌经典理论认为,在不加铝热镀锌时,希望γ相优先形成,因为此相是四方晶格,各向的扩散速度相等,所以扩散速度较慢,这样就能形成较薄的铁-锌合金层.在加铝热镀锌时,也认为能形成阻止扩散的铁-铝相层,从而获得了较薄的合金层.但是,在实际中发现,薄的铁锌合金层不一定都具有好的镀层粘附性.这就说明,铁锌合金层的厚薄绝不是决定镀层粘附力的唯一标准,而铁锌合金层的结构和含铝量可能起到更加重要的作用.
根据热镀锌理论的研究,镀层的附着力不取决于铁-锌合金层的厚薄,而取决于钢基和铁-锌合金层之间由Fe2Al5形成的中间层.
随着带钢入锌锅温度的提高和镀锌时间的延长,不仅铁-锌合金层的厚度会增加,而且中间层的铝含量也同时上升.在此情况下,镀层的粘附力一般有所提高.
合金层中吸铝量愈高,则镀层的粘附性愈好；合金层中的吸铝量不仅取决于锌液中的铝含量,而且在更大程度上取决于浸入锌液中的带钢温度.
凝固之后,这个过程一直进行到低于扩散和反应所需要的温度为止.因为锌的熔点比铝的熔点更接近锌液温度,因此,锌的扩散能力较大.所以,锌化合物或铁-锌化合物也向含铝的中间层扩散,或者以一定方式首先与中间层的铁-铝化合,形成铁-铝化合物和铁-锌化合物的凝聚层,并且作为相混合体而共生.
由于铝对铁比锌对铁有较大的热力学亲和力,所以在加铝法带钢热镀锌中,在温度和时间的影响下,总是优先在钢基表面形成铁-铝化合物,这个薄而均质的中间层能够牢固地附着在钢基表面,实际上它是起到粘附镀层的媒介质作用.
在热镀锌中,由于多种因素交织在一起,镀层的形成过程是错综复杂的.可以通过下列模拟过程扼要说明锌层形成的步骤.
（1）带钢表面的氧化铁皮,经过还原炉被还原为海绵状纯铁,其表面已处于活化状态.并且经退火炉的冷却段已把带钢冷却到所要求的入锌锅温度,例如480℃.
（2）带钢浸入锌液中,有两个过程同时发生,一是带钢的热量传递给锌液,同时导致自身温度下降,并基本与锌液温度保持平衡,例如460℃；二是Fe2Al5中间相层开始形成,并达到一定厚度.
（3）铁与液态锌间进行反应扩散,铁-锌合金层开始形成并继续长大.由于Fe2Al5中间层的阻止作用,使此扩散过程进行得比较缓慢.
（4）带钢离开锌锅,其表面带出的液态锌开始冷却,并一直冷却到锌的凝固点419℃.
（5）液态锌的凝固和结晶,并在表面形成一层致密的氧化膜.
（6）固态锌的冷却.
从上述镀层形成的过程中,完全可以看出步骤2是获得良好镀层的关键.因为在此区间将形成完整的镀层粘附媒介物——Fe2Zn5中间相层.
研究证明,中间层的形成需要一定的温度和时间,若提高锌液中的铝含量也可加速此层的形成.带钢热镀锌时,如果浸锌温度、时间和锌液含铝量三个条件不具备,则Fe2Zn5中间相层就不易形成,或者形成得不完整.这样,由于镀层缺乏粘附媒介质,所以铁-锌合金层就很薄,其镀层的粘附力也会很差,稍微弯曲即发生锌层脱落.这时,若改变操作条件,例如：提高带钢入锌锅温度、延长浸锌时间（即降低带钢运行速度）或增加锌液中铝含量,便会促使中间层的形成,当具备了完整的粘附媒介质时,则镀层的附着力才有可能获得改善.在不良的操作条件下,如锌液温度过高、浸锌时间过长或带钢离开锌锅没有及时冷却,铁、锌继续向含铝的中间相层扩散,这样在中间层厚度增长的情况下而降低了铝的浓度.如果锌或铁-锌超过了在含铝的中间层中的溶解度,便形成富锌固溶体,则粘附介质的作用就遭到了破坏,同时中间层失去了阻止扩散的作用.
因此对带钢热镀锌来说,镀层中的铝含量是衡量粘附强度的一个重要标准.但是,在钢基表面的中间层中含有较高的铝量,仅是获得良好镀层粘附力的必要条件,而不是充分条件.因为只有当锌在Fe2Al5中间层中的溶解不饱和而形成贫锌固溶体时,此层才能起到粘附作用和阻止铁、锌扩散的作用,并形成很薄的铁-锌合金层,此时,镀层粘附性较好.若锌在Fe2Al5中间层中的溶解度达到过饱和而形成了富锌固溶体时,这时中间层中铝的绝对含量虽然没有减少,但是铝的百分含量却有显著的下降,同时因为锌的过饱和而破坏了Fe2Al5中间层的均质性,由此便使中间层丧失了了粘附作用和阻止扩散的作用,并且形成了较厚的铁-锌合金层,此时,镀层的附着力也同时变坏.
四、锌液中各元素对热镀锌的影响
在加铝热镀锌中,锌液中所含的铝是对热镀锌影响最强烈的一个元素.关于这方面的知识已在前面讨论过.除了铝之外,还有其它的元素,通常以微量杂质存在于原料锌锭,对铁-锌合金层的形成和成长以及对镀层的厚度和塑性的作用都极其微小.有时,为了达到某种目的,专门向锌液中加入一定量的这类金属.它们能以不同的形式对热镀锌发生影响：可提高或降低锌液的熔点；可增加或减少锌液的表面张力和粘度；可扩大或缩小表面的结晶锌花；可使元素本身进入镀锌层的各相层中,并改变结晶相的组成、厚度和形成速度等.
1、 铅的影响
自然界中存在的总是铅、锌共生的矿床,在冶炼锌时,虽然经过多次精馏,但各级成品锌中仍然含有一定量的铅.值得注意的是,在热镀锌时总是特意向锌液中添加一些铅.在450℃的锌液中,铅的溶解极限为1.5%,如果超过此饱和浓度进一步加铅,则会导致锌锅底部出现铅层.
铅的存在也可降低锌液的粘度和表面张力,由此便能增大锌液对铁表面的浸润能力.在热镀锌时,向锌液中加铅,可使镀层表面获得美丽的大锌花,同时可改善锌液对钢板的浸润条件,从而缩短带钢的浸润时间
2、 铁的影响
当锌液温度为450℃时,铁在锌液中的最大溶解度（即饱和浓度）为0.03%,若铁量继续增加,则铁便与锌结合生成铁-锌合金,沉入锅底,即所谓底渣.此外,铁还易和铝结合生成底渣,减少有效铝含量,因此可使镀层粘附性变坏.另外,铁的存在可增加锌液的粘度和表面张力,从而恶化锌液对钢板的润湿条件,使镀锌时间延长.
3、 锑的影响
锌液中加入锑可获得美丽的锌花.
4、 其他元素的影响
除了以上元素外,还有一些其它杂质元素,它们中的多数是由于与锌矿石共生,在冶炼锌时没有除干净而留下的（如镉、锡、锑）,有的是生产过程中不可避免带入的（如铁）.
锌液中的杂质元素含量对镀锌会造成一些影响,其主要是下列几个方面：
4.1 影响镀层的性质和结构.如增加或减少铁在锌液中的溶解速度（如镉、锑）,使铁锌合金层变厚或减薄,增加或降低锌液的流动性使纯锌层减薄或加厚（如铁）,增加锌的脆性,使镀层变脆（如砷）；
4.2 改变锌层的抗蚀性,使锌层抗蚀性提高或降低；
4.3 改善镀层外观,使锌花的形状、大小、颜色发生变化；
五、钢基板中各元素对热镀锌的影响
1、 碳的影响
钢中含碳量愈高,铁-锌反应就愈强烈,铁的损失就越大,钢基参加反应愈强烈,即铁-锌合金层变得愈厚使镀锌层粘附性变坏.因此,适合热镀锌用的原板含碳量应在0.15%以下的低碳钢板.
2、 硅的影响
钢基中硅含量较高会给热镀锌带来困难.一般认为,含硅量较高的镇静钢是不能用来热镀锌的,故长期以来多半是采用含硅量小于0.07%的沸腾钢作为热镀锌原板.
经验证明,钢基中的硅含量高会引起镀锌层中铁-锌合金层ξ相剧烈增厚,形成灰色镀层,而使镀锌层粘附性变坏.
钢基板中含较高的硅对热镀锌所产生的不利影响已被公认,然而,其作用原理是相当复杂的,但一般认为,钢板中硅对热镀锌的影响主要取决于二氧化硅,而不是取决于游离态的硅.原因主要是硅的原子体积较小并且硅对氧具有较大的亲和力,在退火炉中很难被氢气还原,钢板在加热或在罩式炉中进行再结晶退火时,可引起硅的表面富集并发生下列化学反应：
Si + O2 = SiO2

Si +2FeO = SiO2 + 2Fe
这样不仅在钢板表面,而且在内部也会形成一层SiO2氧化膜,镀锌后即得到灰色镀层.观察金相组织发现,在灰色镀层中脆性的ξ相特别发达,从而导致铁-锌合金层的剧烈增长,造成了镀层粘附性下降.由此可见,钢板中SiO2是影响热镀锌的主要因素.
3、 钛的影响
钛是生产低合金高强度热镀锌板的主要添加元素,对镀锌过程并没有太大的影响,但对钢板的机械性能有一定的影响.由于钛与碳和氮具有较大的亲和力,它在钢中可以成为TiC和TiN的状态存在,因为碳和氮是引起钢材时效的主要元素,所以钢中含有钛就固定了氮和碳,对钢材的防老化具有重要的作用.
4、 锰、磷、硫
在低碳钢中一般含锰、磷、硫较少.实践证明,钢中锰和硫的含量对镀锌层结构的影响很小.而钢中的磷对热镀锌却有显著的坏影响.当含磷量在0.15%左右时,因η相变薄而ξ相和δ1相的成长很快.在η相变薄甚至完全没有η相的地方,镀层便会出现无光泽的斑点,并且使镀层的粘附性变坏.