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渗锌表面处理工艺及应用介绍一、介绍渗锌的基本概念1.渗锌是用热扩散方法在钢铁表面获得锌铁合金层的表面保护工艺。渗锌获得的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：根据所采用的设备和工艺不同，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几种。3.粉末渗锌的原理：将渗锌剂与钢铁制件，共置于渗炉中，加热到400℃左右，活性锌原子则由钢铁制件的表面向内部渗透，同时铁原子则由内向外扩散，在制件表层形成了一个均匀的锌—铁化合物即渗锌层。技术原理：属于化学热处理工艺。国外，在欧洲的一些国家在1940年推广并实现了工业化生产，1970年后欧洲的工业发达国家得到普遍推广应用。在我国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的不锈钢容器中，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，利用金属原子的热扩散作用，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断滚动状态下进行加热处理，粉末混合物与工件之间的机械摩擦、冲击作用，不仅有利于新鲜扩散渗剂与被处理界面的紧密接触，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。目前的工业化粉末渗锌涂层不需要惰性气体或低真空的加热环境，一般在大气环境下的密封容器中就可实现热扩散涂层处理，因而热处理设备简单、成本低，非常适合于复杂形状钢铁构件的大批量加工处理。工业化粉末渗锌技术是指包括前处理、加热渗锌及后处理等完整的一种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与传统镀锌工艺比较，具有以下优势和特性：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与保温时间，与构件的形状和不同位置基本无关。一般厚度在15～130μm。2）热浸镀锌涂层厚度一般在15～130μm，构件平面与边角镀层厚度有明显差别，均匀性差，不易控制。3）电镀锌涂层厚度一般在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）热喷涂锌层厚度一般为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并且有1%～15%孔隙率，因而硬度更低。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.渗锌涂层与基体金属的结合力最高粉末渗锌层为扩散冶金结合，具有很好的附着强度，耐磨损抗划伤，涂层很难剥离掉，只有用化学酸洗方法才能除掉。其涂层与母材界面拉伸强度：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，渗锌层与铁的电位差低于锌与铁的电位差。因而作为阳极性保护层，渗锌层具有更好的保护效果。比热浸镀锌的耐腐蚀性高10%～30%。5.渗锌涂层涂覆性能最好粉末渗锌层均匀与油漆和高分子涂层材料之间具有很好附着强度，其复合涂层的耐腐蚀性均明显优于热浸镀、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的温度在350~450℃，此温度下吸入钢基体的氢原子已扩散逸出。7.渗锌过程节约锌粉粉末渗锌工艺耗锌量是热喷涂锌的30%、热浸镀锌的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，构件与渗剂在密闭的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，达克罗涂层由于存在“Cr6+”对环境产生严重污染，目前国外已限制达克罗涂层的工业应用。烧结镀层（达克罗涂层）：是将浸涂和高温烧结（300℃）相结合的方法，在钢铁表面生成的锌铝的涂敷层。是我国1993年引进一种表面处理技术，主要适合于各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、渗锌的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，焊接件的焊缝处应无焊渣，铸造件表面应无残留型砂。2.渗锌件的外观要求：采用目测方法观察外观表面，其外观应达到以下要求。1）渗锌层表面应平整、均匀，采用旋转渗锌设备渗锌的工件表面允许有轻微的擦伤。2）渗锌工件表面呈暗灰色或银灰色。3）经钝化、磷化和后处理的渗锌工件因工艺不同呈不同的颜色，经有机涂层后处理应达到供需双方约定的色泽要求。3.渗锌层的附着强度：机械行业标准JB/T5067《钢铁制件粉末渗锌》对渗锌层的附着强度均未作明确的定量要求，仅要求渗层与基体结合良好，不得起皮、脱落，并能承受制件规范条件下的操作，或由供需双方协商。4.力学性能要求：对于适合渗锌的钢铁材料，即回火温度高于渗锌温度的材料，经渗锌后，材料的力学性能仍然要到达原材料的指标要求。5.渗锌层厚度1）渗锌层厚度要求：由于渗锌层的耐腐蚀寿命与渗锌层的厚度成正比，所以渗锌层是渗锌最重要的技术要求。机械行业标准：钢铁制件粉末渗锌JB/T5067-19992）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，是渗层厚度的仲裁方法，按JB/T5069的规定进行检验。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的平均质量，按GB/T13825的规定进行检验。可按1g/m2对应于0.14μm层厚，近似换算成渗锌层的厚度。属于破坏性检测法。可作为仲裁的试验方法。C）电解称重法：采用电解的方法溶解渗锌层，换算出渗锌层厚度的测量方法。属于破坏性检测法。采用电解测厚仪测量，比溶解称重法更加精确D）磁性测厚法：利用渗锌层不具有磁性而钢铁基体具有磁性这样的物理性能差异来测量渗锌层的厚度。主要应用于生产控制，按GB/T4956的规定进行检验。属于非破坏性检测法。缺点是误差比较大。五、渗锌、热镀锌、电镀锌的比较、选择及应用1.渗锌与热镀锌、电镀锌的比较总体而言，渗锌可以获得较厚的渗锌层，耐腐蚀性能较好，渗层均匀，一般能满足零件的配合要求，但是生产效率较低，外观色泽灰暗，装饰性较差，一般适合中小型零件。热镀锌生产效率高，生产批量大，耐腐蚀较好，但是镀层厚度不均匀，镀层厚度可控性差，不能满足零件的配合要求，一般适用于大结构件。电镀锌外观装饰性好，能满足零件的配合要求。但是由于受镀层厚度限制，耐腐蚀性能较热镀锌、渗锌差，一般适用于室内使用的机械零件和结构件。渗锌与热镀锌、电镀锌的比较项目电镀锌热镀锌渗锌渗镀层厚度/μm5~2545~12015~85耐腐蚀寿命较短较长较长外观装饰性好，镀层光亮，经钝化后可以获得银白色、彩虹色等。较好，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的影响无有无对零件配合的影响较小较大较小涂层附着力等级差，4级差，3级好，1级渗镀层均匀性较好差好锌的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，有配合要求的机械零件，耐腐蚀性要求一般的零件和结构件。大型结构件，无配合要求，耐腐蚀性能要求较高的零件。中小型零件，生产批量要求不大的中型结构件，铸铁件，粉末冶金件。2.渗锌、热镀锌、电镀锌的选择设计选择锌覆盖层的时候，应该根据以下具体情况综合考虑选择合适渗（镀）层，并确定合理的工艺参数。（1）钢铁制件的使用寿命和使用环境a）渗锌层、热镀锌层、电镀锌层的耐腐蚀寿命是和其镀层的厚度成正比的，要求耐腐蚀时间长的制件，应选择厚的镀锌层，如热镀锌和渗锌。b）使用环境对渗（镀）层的使用寿命影响很大。一般在室内环境可以选择电镀锌，在乡村大气的室外环境可以选择镀层厚度较厚（如25μm）的电镀锌和渗层厚度适中（如15~45μm）的渗锌，在工业大气和海洋性大气环境下使用的零件和结构件，应选择渗（镀）层较厚的渗锌和热镀锌层。在湿热的海洋性大气和污染严重的工业大气环境中使用或要求使用寿命尽量长的零件和结构件，应选择厚度更厚的热镀锌层。c）一般不推荐使用厚度大于85μm的渗锌层，高于这个厚度的渗锌层脆性较大，易起皮、剥落，所以要求使用寿命很长，或使用环境恶劣的情况下，如在海水环境下使用，可以采用渗锌+有机涂层的复合防护体系，可以获得比单一保护更好的防护效果。（2）钢铁制件的材料a）低碳结构钢低碳结构钢碳含量一般为0.1%~0.3%，常用材料有Q235、20钢、20Cr、16Mn等。若不采用热处理强化，即淬火、回火处理，这类材料都适于采用渗锌、热镀锌和电镀锌处理。若经过淬火后采用低温回火，回火温度一般为180~220℃。渗锌和热镀锌的温度都高于它们的回火温度，采用低温回火的的材料不适于采用渗锌和热镀锌，否则会降低材料的强度，适用采用电镀锌，但是电镀锌以后一定要进行除氢退火，减少氢脆倾向。b）中碳结构钢中碳结构钢碳含量一般为0.3%~0.5%，常用材料有45钢、40Cr、35CrMo等。常用于制造齿轮、轴、销、高强度螺栓（≥8.8级）等零件。这类材料采用淬火+中温回火热处理强化。中温回火温度一般为470~570℃。渗锌可以低于中温回火的温度下进行，不会影响零件的强度，也没有氢脆倾向。渗锌非常适用于这类零件。电镀锌虽然不影响材料的强度，但是，强度越高氢脆的倾向越大。热镀锌温度应低于回火温度，否则会降低材料的强度。以高强度螺栓热镀锌为例，有的企业甚至采用600℃以上的高温镀锌，虽然时间很短，但是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）弹簧钢弹簧钢的碳含量一般为0.55%~0.7%。常用材料有60钢、65钢、60SiMn等，常用做弹性零件。弹簧钢的回火温度一般为360~420℃。这类材料渗锌时，应该采用较低的渗锌温度。热镀锌的温度超过了零件的回火温度，不适于采用。弹簧钢电镀锌的氢脆倾向很大，即使采用除氢退火工艺也很难完全避免氢脆现象。（3）钢铁制件的几何尺寸a）钢铁制件的长度尺寸渗锌零件受到渗锌炉尺寸的限制，一般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，特别是适合于薄壁的大型钢铁制件。b）钢铁制件的形状形状复杂、有盲孔、狭逢、深孔的零件，都适于采用渗锌。热镀锌的镀层受锌液流动性的影响难以人为控制，不适合于这类零件。有狭缝、内孔的零件电镀锌时，由于静电屏蔽效应，零件的狭缝、内孔部位难以镀上锌。c）有配合要求的零件渗锌层均匀，厚度相对可控，基本能满足零件的配合要求。由于渗锌层是锌铁互扩散的，渗锌过程中铁原子也向外扩散，因此渗锌层厚度会造成零件外部尺寸增大，增大的尺寸大约等于渗锌层厚度。对于尺寸精度高的零件，应充分按照渗锌层造成的尺寸增加值预留间隙。有配合要求的零件不适于热镀锌。电镀锌基本能保证配合要求。但是，由于尖端放电效应，零件锐角处的镀层厚度要高于其他部位，应考虑这个因素造成的尺寸偏差。（4）经济性和生产效率的比较a）渗锌的经济性和生产效率渗锌的锌的利用率很高。渗锌的生产效率较低，一般需要3~5h。但安排比较灵活，可以以单炉产量为单位安排间歇性生产。综合而言，小批量的中小型钢铁制件的渗锌成本低于热镀锌。b）热镀锌的经济性和生产效率热镀锌的锌利用率较低，30%左右的锌在热镀锌过程中形成锌灰和锌渣，只有70%左右的锌转化到热镀锌层中，小型零件的锌耗量更大。另外，锌液会腐蚀锌锅，也直接影响镀锌的成本。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。但热镀锌的经济性受生产间歇性的影响。熔化后即使不生产一般也要保温。c）电镀锌的经济性和生产效率电镀锌的锌利用率也较高，锌的沉积效率高于渗锌，低于热镀锌。电镀锌也可以采用间歇式方式生产。（5）渗（镀）层的比较按照各自的优点选择最为合适的渗（镀）层。