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热浸镀工艺与应用
1 前言
热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其它液态金属或合金中形成镀层的方法。热浸镀锌是当今世界上应用最广泛的钢材防腐方法之一；热浸镀铝工艺难度较大，但是也实现了工业化生产；热浸镀铝锌合金是近年来发展迅速的新型镀层之一。
热浸镀具有工艺简便、性能可靠、成本低廉、生产效率高、便于机械化生产、能迅速施加镀层等优点；热浸镀镀层美观，耐蚀性好。因此热浸镀在钢材防腐方面得到广泛应用。如钢板(管)，型材，桥梁，铁塔，海洋栈桥，钻井平台和井架，民用建筑等。
2 热浸镀工艺的特点
前处理：将镀件表面的油污（碱洗或高温除油）、氧化物（酸洗）等清除干净；
热浸镀：镀件洁净的基体表面浸入熔融金属液体中形成镀层；
后处理：对制品进行化学处理（如钝化）和物理处理（如涂油防护整形等）。
根据热浸镀的前处理方法不同，热浸镀工艺可以分为熔剂法和保护气体还原法：
（1） 熔剂法是利用熔剂的化学作用对己经除油、除锈的钢材在浸入镀液前保护其表面不再氧化并对其进一步活化，保证镀液与洁净的钢基体表面浸润，并通过化学反应和扩散，形成合金层。该法设备简单、成本低、操作简便易学、生产灵活，可进行批量生产也可进行单件浸镀，可根据产品批量随时调控连续浸镀或间断浸镀，且浸镀产品范围广，适应多种品种规格的产品，因此，在我国极具推广价值，有必要进行深入研究。
（2） 保护气体还原法又称森吉米尔法，是现代带钢连续热浸镀采用的最普遍和最广泛的一种工艺。该法生产速度快、效率高、镀层结合力好、无污染等优点，另外，还原型生产线高温辐射加热的温度高，退火时间长，可以生产加工良好的产品；但设备比较复杂，投资大，技术难度大，适合单一产品的批量生产。由于我国多数热浸镀厂家资金相对薄弱，工艺水平达不到该法的要求，因而极大地限制保护气体还原法在我国的发展。
3 热浸镀层的种类
因为热浸镀层金属的熔点要求比基体材料低得多，所以热浸镀常常限于采用低熔点金属及其合余，如锡、锌、铝、铅及其合金，其中应用最为广泛的镀层金属是锌，近年来为了提高镀层的耐蚀性能或机械性能，以适应不同的应用场合，开发了多种锌基合金镀层。应用最为广泛的基体材料是钢铁，也有采用铸铁及铜做基体材料的，但其研究及应用都较少。
3.1 热镀锌
锌的熔点是419．5℃，热镀锌及其合会是当前热镀行业研究最多、应用也最为广泛的镀种。从1742年丌始，热镀锌已用于工业生产，当时一般采用将工件直接在熔融的熔剂与锌液中浸镀。锌液中除锌锭本身所含的微量元素Pb、Fe、Ca、Cu、As、Sb、Sn外，不加任何元素。这种镀层产品的特点是由于不能加入Al，镀层较厚，在空气中曝露一段时间后，容易形成灰暗色及白锈，锌灰较多，锌耗高，污染严重，废品率高。这种较落后的工艺目前除在“湿法”工艺上采用以外，已基本被淘汰了。
3.2 热镀铝
铝的熔点为658．7℃，主要采用熔剂法以提高铝对钢的浸润性。1939年，美国mrmcoSteel公司用Sendzimir法进行带钢热镀铝一硅合金的工业试验，拉开了工业化生产的序幕。我国应用热镀铝工艺开始于60年代，1964年，天津第一轧钢厂引进日本的熔剂法带钢连续热镀铝生产线。1996年冶金部钢铁总院在湖北黄石为湖北银龙薄板有限公司建成我国第一条森吉米尔法带钢镀铝生产线。
镀铝钢材具有良好的耐热性、耐蚀性、特别是具有优异的耐硫化腐蚀性能。镀铝钢材在工业大气中的腐蚀仅为镀锌钢材的1/3～1/5，在淡水中其使用寿命为镀锌钢材的3～50倍，含硅的镀铝钢材具有良好的耐热性，可在450℃下长期使用，其耐热性能与Crl3系列不锈钢相当。但镀层的连续性及均匀性较难控制，镀层不均匀，容易出现漏镀现象。目前世界上热浸镀铝的年产量已达几百万吨，我国年生产能力仅为5万吨，镀铝钢材具有极其广泛的推广前景。
3.3 热镀铝锌合金
热浸镀铝层虽有优于镀锌层的多种性能特点， 但不能像锌镀层那样对钢基体提供电化学保护。为了将铝、锌镀层的优点集于一身，人们研究开发了铝锌合金热浸镀层。
到目前为止，已经不同规模投入生产与应用的铝锌合金热浸镀层主中最为成功的应属55%Al-Zn合金热浸镀层。55%Al-Zn合金热浸镀层的标称组成为：55%Al，43.5%Zn和1.5%Si。镀层同样为双层结构。外层大致与铝镀层相同，内层则为Al-Zn-Fe金属间化合物。镀液中加入少量硅的目的是限制脆性层的生长。55%Al-Zn合金热浸镀层在多种介质的环境中都表现出优良的耐腐蚀性能。试验表明，55%Al-Zn合金镀层的耐蚀性能大大优于锌镀层，在一些情况下可与铝镀层相比；其抗高温氧化性能优于锌镀层，达到与铝镀层相近的程度；该种镀层还具有良好的热反射性能。55%Al-Zn合金热浸镀层已经在建筑、汽车、家用设备等行业获得多种用途。铝锌合金镀层是热浸镀领域今后的主要发展方向。
3.4 铅、锡及其合金热浸镀层
锡，无毒性，因此广泛地用作热浸镀层。铅亦可热浸镀，但在热浸镀铅时要先镀锡再镀铅，或者在铅中加入3%～5%的锡或铋。铅锡合金热浸镀的常用镀液成分为70%～80%Pb，20%～30%Sn，浸镀温度为400℃～500℃，加入少量的稀士添加剂(0.02%)和微量镓可改善镀层质量，降低浸渍温度。
4 热浸镀工艺影响因素
1）钢基体中碳、硅、锰、镍等元素对铝扩散层厚度、性质及结合强度有较大的影响；
2）镀液中的添加元素会对镀件的工艺性、镀层的组织结构、镀层厚度及性能产生影响。如：Mg 会增加吸气倾向，降低镀铝液的质量；
3）镀件酸洗后在浸入镀液前，钢基体表面易被氧化，不利于镀液对钢基体的浸润，有必要进行助镀处理，可以保护洁净的钢基体，同时活化金属表面；
4） 热浸镀过程由于浸镀温度高，镀液表面易氧化，影响浸镀工艺且增加了镀液消耗，因此有必要在镀液表面来覆盖熔盐保护镀液表面。
5 热浸镀工艺的应用与发展方向
5.1 热浸镀工艺的应用
目前热浸镀钢材已经成功地应用于腐蚀介质和高温氧化气氛中，其使用范围从常温一直到1150℃的高温条件下，低碳钢镀铝后的实际应用情况如下：
1）棒材、带材、紧固件：高压输电线铁塔、电力杆、铝栏杆的螺栓、路灯杆、铝件用紧固件、高温双端螺栓、电线杆手柄、角钢支架、发动机阀、排气集合（歧）管、排气管、消声器及车体部件等；
板材或带材：护栏、桥梁、防雪栏、空调器、建筑用钢板、瓦楞板、室外表示牌、机车消声器壳、汽车排气构件、车位锁等；
3）需要焊接的：农用工具、干燥机、空气过滤机、燃烧炉壳、热交换器、空气预热器、工业用水管道、海水管道、各种泵、箱、盖、罩及井框支架、滚子、叶轮及滑道等。
5.2 热浸镀工艺的发展方向
随着热浸镀铝锌合金技术的进步， 以及新型热浸镀合金和热浸镀锅(埚)的推广应用，热浸镀铝锌合金等镀层的应用将会越来越广阔。目前国内外关于热浸镀工艺的发展方向是：
(1)对于钢结构件(包括钢管)热浸镀锌已实现全自动化连续生产，并采用计算机控制；
(2)采用向锌液中加入金属添加剂的方法控制镀层的厚度， 改善镀层的性质和降低锌耗；
(3)采用芯型合金镀层取代单一的锌镀层或铝镀层；
(4)对镀锌(铝)层进行热处理(扩散退火)以改善其组织结构，提高耐腐蚀性能；
(5)采用有机涂料，涂层新工艺，生产镀层涂层的复合涂层产品，使镀层具有美的外观和高的装饰性能；
(6)在热镀锌(铝)设备中，使用非钢铁材质的热镀埚；
(7)热镀锌(铝)时在熔液表面覆盖一层防氧化物(圆球状)，起防止熔液氧化、保温和熔剂作用，又不影响工件进出，效果良好。
6 结束语
近年来，新材料、新工艺在工业生产中得到广泛的应用，热浸镀工艺因其价格低廉及性能优良，成为世界各国金属材料主要的防腐办法。随着设备和工艺的进一步优化，以及与其他交叉学科的共同进步，热浸镀技术将不断完善，热浸镀技术将不断完善，前景会更加广阔。
参考文献
［1］顾国成，刘邦津．热浸镀．北京：化学工业出版社，1988（1）．
［2］卢锦堂，许乔瑜，孔纲，编著．热浸镀技术与应用．北京：机械工业出版社，2006：227-230．
［3］李晓源．La、Y、富La 混合稀土对渗铝钢耐腐蚀性能的影响．河南科技大学，硕士学位论文，2004（5）：12．
［4］张启富，刘邦津，黄建中.现代钢带连续热镀锌．北京：冶金工业出版社，2007：612-619．
［5］Culcasi J D，Sere P R，Elsner C I，et al. Surface and Coatings Technology，1996，78：185．
[6]张玉.热浸镀锌及锌基合金镀层工艺及其耐蚀机理的研究与应用[D].山东大学，2011.
[7]孔纲，刘仁彬，卢锦堂.热浸镀锌清洁生产技术[J].电镀与涂饰，2010，(05).
[8]张召恩，杨瑞枫，刘光明.热浸镀锌板生产过程中的腐蚀与对策[J].腐蚀科学与防护技术，2009，(05).
[9]肖承玉.热浸镀铝锌镀层电化学腐蚀行为研究[D].江西理工大学，2010.
[10]刘仁彬.钢铁高温（520-600℃）热浸镀锌的研究[D].华南理工大学，2011.