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渗锌表面处理工艺及应用介绍
一、 介绍渗锌基础概念
1. 渗锌是用热扩散方法在钢铁表面取得锌铁合金层表面保护工艺。渗锌取得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（η相）和锌铁合金层组成。
2. 渗锌分类：依据所采取设备和工艺不一样，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多个。
3. 粉末渗锌原理：将渗锌剂和钢铁制件，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，在欧洲部分国家在1940年推广并实现了工业化生产，1970年后欧洲工业发达国家得到普遍推广应用。在中国20世纪60年代开展研究，90年代开始应用。

二、 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350~450℃并保温一段时间，利用金属原子热扩散作用，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停滚动状态下进行加热处理，粉末混合物和工件之间机械摩擦、冲击作用，不仅有利于新鲜扩散渗剂和被处理界面紧密接触，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。
现在工业化粉末渗锌涂层不需要惰性气体或低真空加热环境，通常在大气环境下密封容器中就可实现热扩散涂层处理，所以热处理设备简单、成本低，很适合于复杂形状钢铁构件大批量加工处理。
工业化粉末渗锌技术是指包含前处理、加热渗锌及后处理等完整一个热扩散涂层加工工艺过程。

三、 粉末渗锌工艺特点
粉末渗锌热扩散涂层和传统镀锌工艺比较，含有以下优势和特征：
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和保温时间，和构件形状和不一样位置基础无关。通常厚度在15～130μm。
2）热浸镀锌涂层厚度通常在15～130μm，构件平面和边角镀层厚度有显著差异，均匀性差，不易控制。
3）电镀锌涂层厚度通常在5～25μm，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）热喷涂锌层厚度通常为84～300μm，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250～420HV。
2） 热浸镀、电镀锌层硬度为75～88HV（纯锌）。
3） 热喷涂锌层也为纯锌而且有1%～15%孔隙率，所以硬度更低。
4） 达克罗涂层硬度最低，仅为2～6H（H为铅笔硬度测量单位）。

3. 渗锌涂层和基体金属结协力最高
粉末渗锌层为扩散冶金结合，含有很好附着强度，耐磨损抗划伤，涂层极难剥离掉，只有用化学酸洗方法才能除掉。其涂层和母材界面拉伸强度：600～700kg/mm2；涂层表面层拉伸强度为300～350kg/mm2。
4. 渗锌涂层耐腐蚀性最强
粉末渗锌层为铁—锌合金组织，渗锌层和铁电位差低于锌和铁电位差。所以作为阳极性保护层，渗锌层含有愈加好保护效果。比热浸镀锌耐腐蚀性高10%～30%。

5. 渗锌涂层涂覆性能最好
粉末渗锌层均匀和油漆和高分子涂层材料之间含有很好附着强度，其复合涂层耐腐蚀性均显著优于热浸镀、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
渗锌处理温度在350~450℃，此温度下吸入钢基体氢原子已扩散逸出。
7. 渗锌过程节省锌粉
粉末渗锌工艺耗锌量是热喷涂锌30%、热浸镀锌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，构件和渗剂在密闭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，达克罗涂层因为存在“Cr6+”对环境产生严重污染，现在国外已限制达克罗涂层工业应用。
烧结镀层（达克罗涂层）：是将浸涂和高温烧结（300℃）相结合方法，在钢铁表面生成锌铝涂敷层。是中国1993年引进一个表面处理技术，关键适合于多种紧固件和小尺寸五金器具。镀层外观质量优于热浸镀锌。

四、 渗锌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，焊接件焊缝处应无焊渣，铸造件表面应无残留型砂。
2. 渗锌件外观要求：采取目测方法观察外观表面，其外观应达成以下要求。1）渗锌层表面应平整、均匀，采取旋转渗锌设备渗锌工件表面许可有轻微擦伤。
2）渗锌工件表面呈暗灰色或银灰色。
3）经钝化、磷化和后处理渗锌工件因工艺不一样呈不一样颜色，经有机涂层后处理应达成供需双方约定色泽要求。
3. 渗锌层附着强度：机械行业标准JB/T5067《钢铁制件粉末渗锌》对渗锌层附着强度均未作明确定量要求，仅要求渗层和基体结合良好，不得起皮、脱落，并能承受制件规范条件下操作，或由供需双方协商。
4. 力学性能要求：对于适合渗锌钢铁材料，即回火温度高于渗锌温度材料，经渗锌后，材料力学性能仍然要抵达原材料指标要求。
5. 渗锌层厚度
1） 渗锌层厚度要求：因为渗锌层耐腐蚀寿命和渗锌层厚度成正比，所以渗锌层是渗锌最关键技术要求。
机械行业标准：钢铁制件粉末渗锌JB/T 5067-1999

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，是渗层厚度仲裁方法，按JB/T 5069要求进行检验。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平均质量，按GB/T13825要求进行检验。可按1g/m2对应于0.14μm层厚，近似换算成渗锌层厚度。属于破坏性检测法。可作为仲裁试验方法。
C）电解称重法：采取电解方法溶解渗锌层，换算出渗锌层厚度测量方法。属于破坏性检测法。采取电解测厚仪测量，比溶解称重法愈加正确
D）磁性测厚法：利用渗锌层不含有磁性而钢铁基体含有磁性这么物理性能差异来测量渗锌层厚度。关键应用于生产控制，按GB/T4956要求进行检验。属于非破坏性检测法。缺点是误差比较大。

五、 渗锌、热镀锌、电镀锌比较、选择及应用
1. 渗锌和热镀锌、电镀锌比较
总体而言，渗锌能够取得较厚渗锌层，耐腐蚀性能很好，渗层均匀，通常能满足零件配合要求，不过生产效率较低，外观色泽昏暗，装饰性较差，通常适合中小型零件。热镀锌生产效率高，生产批量大，耐腐蚀很好，不过镀层厚度不均匀，镀层厚度可控性差，不能满足零件配合要求，通常适适用于大结构件。电镀锌外观装饰性好，能满足零件配合要求。不过因为受镀层厚度限制，耐腐蚀性能较热镀锌、渗锌差，通常适适用于室内使用机械零件和结构件。
渗锌和热镀锌、电镀锌比较
项目
电镀锌
热镀锌
渗锌
渗镀层厚度/μm
5~25
45~120
15~85
耐腐蚀寿命
较短
较长
较长
外观装饰性
好，镀层光亮，经钝化后能够取得银白色、彩虹色等。
很好，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
对零件强度影响
无
有
无
对零件配合影响
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
很好
差
好
锌利用率
高
较低
高
生产效率
较高
高
较低
适用产品
装饰性零件，有配合要求机械零件，耐腐蚀性要求通常零件和结构件。
大型结构件，无配合要求，耐腐蚀性能要求较高零件。
中小型零件，生产批量要求不大中型结构件，铸铁件，粉末冶金件。

2. 渗锌、热镀锌、电镀锌选择
设计选择锌覆盖层时候，应该依据以下具体情况综合考虑选择适宜渗（镀）层，并确定合理工艺参数。
（1）钢铁制件使用寿命和使用环境
a）渗锌层、热镀锌层、电镀锌层耐腐蚀寿命是和其镀层厚度成正比，要求耐腐蚀时间长制件，应选择厚镀锌层，如热镀锌和渗锌。
b）使用环境对渗（镀）层使用寿命影响很大。通常在室内环境能够选择电镀锌，在乡村大气室外环境能够选择镀层厚度较厚（如25μm）电镀锌和渗层厚度适中（如15~45μm）渗锌，在工业大气和海洋性大气环境下使用零件和结构件，应选择渗（镀）层较厚渗锌和热镀锌层。在湿热海洋性大气和污染严重工业大气环境中使用或要求使用寿命尽可能长零件和结构件，应选择厚度更厚热镀锌层。
c）通常不推荐使用厚度大于85μm渗锌层，高于这个厚度渗锌层脆性较大，易起皮、剥落，所以要求使用寿命很长，或使用环境恶劣情况下，如在海水环境下使用，能够采取渗锌+有机涂层复合防护体系，能够取得比单一保护愈加好防护效果。
（2）钢铁制件材料
a）低碳结构钢
低碳结构钢碳含量通常为0.1%~0.3%，常见材料有Q235、20钢、20Cr、16Mn等。若不采取热处理强化，即淬火、回火处理，这类材料全部适于采取渗锌、热镀锌和电镀锌处理。若经过淬火后采取低温回火，回火温度通常为180~220℃。渗锌和热镀锌温度全部高于它们回火温度，采取低温回火材料不适于采取渗锌和热镀锌，不然会降低材料强度，适用采取电镀锌，不过电镀锌以后一定要进行除氢退火，降低氢脆倾向。
b）中碳结构钢
中碳结构钢碳含量通常为0.3%~0.5%，常见材料有45钢、40Cr、35CrMo等。常见于制造齿轮、轴、销、高强度螺栓（≥8.8级）等零件。这类材料采取淬火+中温回火热处理强化。中温回火温度通常为470~570℃。渗锌能够低于中温回火温度下进行，不会影响零件强度，也没有氢脆倾向。渗锌很适适用于这类零件。电镀锌即使不影响材料强度，不过，强度越高氢脆倾向越大。热镀锌温度应低于回火温度，不然会降低材料强度。以高强度螺栓热镀锌为例，有企业甚至采取600℃以上高温镀锌，即使时间很短，不过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
弹簧钢碳含量通常为0.55%~0.7%。常见材料有60钢、65钢、60SiMn等，常见做弹性零件。弹簧钢回火温度通常为360~420℃。这类材料渗锌时，应该采取较低渗锌温度。热镀锌温度超出了零件回火温度，不适于采取。弹簧钢电镀锌氢脆倾向很大，即使采取除氢退火工艺也极难完全避免氢脆现象。
（3）钢铁制件几何尺寸
a）钢铁制件长度尺寸
渗锌零件受到渗锌炉尺寸限制，通常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，尤其是适合于薄壁大型钢铁制件。
b）钢铁制件形状
形状复杂、有盲孔、狭逢、深孔零件，全部适于采取渗锌。热镀锌镀层受锌液流动性影响难以人为控制，不适合于这类零件。有狭缝、内孔零件电镀锌时，因为静电屏蔽效应，零件狭缝、内孔部位难以镀上锌。
c）有配合要求零件
渗锌层均匀，厚度相对可控，基础能满足零件配合要求。因为渗锌层是锌铁互扩散，渗锌过程中铁原子也向外扩散，所以渗锌层厚度会造成零件外部尺寸增大，增大尺寸大约等于渗锌层厚度。对于尺寸精度高零件，应充足根据渗锌层造成尺寸增加值预留间隙。有配合要求零件不适于热镀锌。电镀锌基础能确保配合要求。不过，因为尖端放电效应，零件锐角处镀层厚度要高于其它部位，应考虑这个原因造成尺寸偏差。
（4）经济性和生产效率比较
a）渗锌经济性和生产效率
渗锌锌利用率很高。渗锌生产效率较低，通常需要3~5h。但安排比较灵活，能够以单炉产量为单位安排间歇性生产。综合而言，小批量中小型钢铁制件渗锌成本低于热镀锌。
b）热镀锌经济性和生产效率
热镀锌锌利用率较低，30%左右锌在热镀锌过程中形成锌灰和锌渣，只有70%左右锌转化到热镀锌层中，小型零件锌耗量更大。另外，锌液会腐蚀锌锅，也直接影响镀锌成本。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。但热镀锌经济性受生产间歇性影响。熔化后即使不生产通常也要保温。
c）电镀锌经济性和生产效率
电镀锌锌利用率也较高，锌沉积效率高于渗锌，低于热镀锌。电镀锌也能够采取间歇式方法生产。
（5）渗（镀）层比较
根据各自优点选择最为适宜渗（镀）层。