热浸锌钢板锌层厚度研究

张　顺，　王玉星，　张　凯

(1.江苏国华管塔制造有限公司，江苏 徐州　221000;　2.日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照　276800)



热浸锌钢板锌层厚度研究

张顺1，王玉星2，张凯1

(1.江苏国华管塔制造有限公司，江苏 徐州221000;2.日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照276800)

摘要：热浸锌钢板的锌层厚度是评估热浸锌钢板防腐性能的重要指标。为得出热浸锌钢板锌层厚度与浸锌时间之间的关系规律，从而精确地控制浸锌时间和锌层厚度，需要对不同厚度的钢板热浸锌进行研究。通过扫描电镜测定不同厚度钢板在不同浸锌时间的锌层厚度，得出相应的锌层厚度随浸锌时间变化的曲线，找出锌层厚度与浸锌时间之间的关系规律，并拟合得出锌层厚度与浸锌时间之间的关系系数值。结果表明，同一温度下，锌层厚度与浸锌时间之间呈类似线性的关系，随着钢板厚度的增加，锌层厚度增长的速度加快且锌层厚度增大。

关键词:热浸镀锌; 锌层厚度; 扫描电镜; 浸锌时间; 钢板厚度

引言

热浸镀锌是指将钢件或者铸件浸入熔融锌液中,在其表面形成锌-铁合金或锌和锌-铁合金覆盖层的一种工艺过程[1]。因热浸锌产品具有良好的机械加工性能，热浸镀锌层可以对钢铁材料进行阴极保护，在交通、建筑、通讯及电力等领域具有广泛的应用,是目前钢材防腐处理中较为实用和经济的方法之一。发达国家的热浸镀锌已有200多年的历史[3-6]。世界许多著名的工程，如英国伊甸园计划场馆、悉尼歌剧院等都采用了该技术进行防腐。

热镀锌镀层对镀锌成品的外观质量及企业成本控制起到至关重要的作用。一般钢铁的镀层的显微结构包括γ相、δ相、ξ相、η相[3]四个亚层，现代检测手段认为在钢铁进入锌液并升温至工作温度后，首先形成的是锌溶于铁中而形成固溶液的Fe-Zn相，当它被铁方向扩散时，即由于跃变而形成了一个含铁较铁基质较少的γ相层，然后是较γ相更少的δ相、ξ相、η相。同时随着时间的增加其Fe元素含量在逐步减少向纯锌层过渡。卢锦堂[7-9]在研究纯锌浴中镀件的整个锌层厚度与镀锌时间的关系时得到了二者接近线性关系的结论，但没有具体的给出线性关系的系数范围。

在钢管杆和电力、通信等铁塔的制造中，产品的钢板厚度一般介于6～12mm，因此研究6～12mm范围内的底材厚度对于热浸锌层的影响具有重要的实际意义。

经热轧的钢板会存在不同程度的表面氧化、亚氧化现象，使表面硅元素产生偏聚[10]。因此在实验过程中要使用打磨或者切削来降低钢材氧化层及硅偏聚的影响。

1试样的制备及测试

研究所用的材料为含硅钢中的普通低碳钢(Q345钢)，其主要化学成分见表1。

表1Q345钢化学成分(%)

材 质规格CSiMnPSQ3456～8mm0.130.160.480.010.004

根据实验的需要，选取6、8、10和12mm四种厚度的样品分别取一块，组成一组,再根据不同的镀锌时间分成11组，一共有44组数据，实验设计方案如表2。

表2样品实验设计表

δ(板材)/mmt热浸锌/s6609012015021024027030036039042086090120150210240270300360390420106090120150210240270300360390420126090120150210240270300360390420

将钢板进行打磨加工，去除表面氧化层，得到均匀一致的表面。再切割成200mm×150mm的试样。其热浸镀锌工艺流程如图1所示。

图1　热浸镀工艺流程

试件经过酸洗(14%的盐酸)前处理工序，将铁基体表面的氧化层清除，酸洗后的试件需经清水冲洗掉残余酸液，然后浸助镀剂，完成后在试件自身残余热量下使其表面自然干燥，然后进行热浸镀锌。

取每个镀锌样品正反面各3个点，共计6个测量点，采用EZO-10扫描电子显微镜测量其镀层厚度，取平均值，将所得数值绘制成曲线。

2结果与分析

2.1热浸镀锌层截面形貌

图2为部分锌层截面扫描电镜(SEM)照片。

图2　部分试样锌层截面形貌照片

2.2热浸锌层厚度与时间的关系

目前我国尚无慢阻肺首次确诊前错失早期诊断时间的研究报道。因此本研究重点验证慢阻肺确诊前错失早期诊断时间是否可以反映慢阻肺的严重程度，探讨与疾病严重程度相关的临床危险因素，从而进一步探索建立有利于慢阻肺早期确诊的方法。

不同厚度的钢板热浸镀锌层厚度与时间的关系见图3。

图3　不同厚度钢板锌层厚度与时间关系曲线

由图3可以看出，相同成分的钢材在同一化学成分的锌液和相同温度下，随着时间的增加，锌层厚度也相应的增加，且具有类似线性的生长规律。这是由于钢铁进入锌液并升温至锌的熔融温度后，首先在钢铁表面形成的是锌溶于铁中产生的Fe-Zn相，当锌液和所形成的Fe-Zn相向钢铁基材方向扩散时，由于跃变形成含铁量较钢铁基质少的γ相层，随着扩散的不断进行相继产生含铁量逐渐少的δ相、ξ相、η相。

同时随着时间的增加其Fe元素含量在减少逐步向纯锌层过渡。可以根据线性公式δ=kt，(其中δ为样品的锌层厚度(μm)，t为浸锌时间(s)，k为该温度下锌层厚度的生长系数),对总体实验数据进行曲线拟合(如图4)，可得到k值为0.428。由于不同厚度钢板的镀锌厚度随时间变化的斜率相差不大，由此可以定义镀锌钢板的镀层厚度随时间变化的公式为δ=0.428t。

此外，由图3还可以看出锌层厚度随着时间的增加过程中存在一个较快的增长阶段，出现在270～360s的时间区域内。由于钢材的硅含量较高，有研究表明，当试件硅含量较高时，会在镀锌时间达到一定值之后(一般在3min)，出现Fe-Zn相层的剧烈增长的现象，称之为圣德林效应，这一过程会使硅元素融在Fe-Zn相层内而产生消耗。随着镀锌时间的增长，铁基质表层中的硅被逐渐消耗使圣德林效应的影响逐步降低。

2.3钢板厚度对锌层厚度的影响

钢板厚度对热浸锌层厚度的影响关系拟合直线如图4所示。

图4　镀锌时间与锌层厚度关系拟合直线

根据四组不同厚度的钢板的实验数据分析可知，板材厚度在6～12mm的范围内，随着板材厚度的增加，锌层厚度增长的速度增大；而且同一镀锌时间内，底材厚度越大，锌层厚度也越大。

这是由于锌层生长的过程是一个合金相(包括纯锌层)生长的过程，该化学反应过程需要吸收大量热量，因此热量的供应直接影响锌层生长速度。而镀锌产品在从锌液中取出后，较厚的钢板能够给锌层合金化过程提供更多的能量，因此较厚的钢板能够维持更长的合金化时间，从而获得相对厚一些的锌层。

3结论

1)当热浸锌液的温度和成分固定时，热浸镀钢板的锌层厚度随镀锌时间的增加而增加，在本文实验条件下，二者呈类似线性的关系。通过对数据进行拟合，得到了线性系数值为0.428。

2)热浸锌的过程，是合金相生长的过程，整体生长速度较为平稳。在270～360s的范围内锌层的生长速度较快。

3)钢板厚度在6～12mm的范围内，钢板越厚，锌层增长的速度越快；在同一镀锌时间内，钢板厚度越大，锌层厚度也越大。

参考文献

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[2]Pistofidis N,Vourlias G,konidaris S,et al.Microstructure of Zinc Hot-dip Galvanized Coatings Used for Corrosion Protection[J].Materials Letters，2006，(60)：786-789.

[3]Marder A R.The Metallurgy of Zinc-coated Steel [J].Progress inMaterials Science,2000,(45):191-271.

[4]ISO 1463,Metallic and oxide coatings-Measurement of coating thickness-Microscopical method[S].

[5]卢锦堂，焦帅，车淳山.锌浴中加锡对0.37%Si钢热浸镀锌的影响[J].材料保护，2005，2(38):47-49.

[6]邱向伟,李文斌,包祥明.浅析热镀铝锌钢板性能和前景[J].梅山科技,2011(1):57-59.

[7]吕家舜,李锋,文伟,等.铝锌硅热浸镀液的侵蚀性及镀层结构与性能研究[J].材料保护,2008，41(08):67-68,74,82.

[8]朱立.钢材热镀锌[M].北京：化学工业出版社.2006:21-42.

[9]周济.热镀锌、电镀锌及锌合金创新生产工艺实用全书[M].北京：北京工业大学出版社，2006：83-84.

[10]杨志勇,桂艳.添加Sn、Ni元素对热浸镀锌钢的影响[J].顺德职业技术学院学报，2010，8(3):14-17.

Study on Zinc Coating Thickness of Hot-Dip Galvanized Steel Plate

ZHANG Shun1, WANG Yuxing2, ZHANG Kai1

(1.Jiangsu Guohua Tube Tower Manufacture Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,China; 2.Rizhao Steel Holding Group Co.,Ltd.,Rizhao 276800,China)

Abstract:The zinc coating thickness of hot-dip galvanized steel plate is an important index to evaluate anti-corrosion performance of the plate.In order to obtain the relationship between zinc coating thickness and zinc dipping time in the hot-dipping and thereby to control the dipping time and coating thickness accurately，it is needed to study the hot-dip galvanizing of different thicknesse steel plate.In this paper，through SEM method，the zinc coating thickness of different thicknesses steel plate in different dipping time was measured，the corresponding curves between zinc coating thickness and dipping time were obtained，the rules of the relationship between zinc coating thickness and dipping time were found out and the coefficient value of the relationship between zinc coating thickness and dipping time was obtained by curve fitting method. The results showed that：under the same temperature，there was a similar linear relationship between the zinc coating thickness and dipping time，the growth of zinc coating thickness would speed up and its thickness would increase as the increasing of the steel plate thickness.

Keywords:hot-dip galvanizing; zinc coating thickness; SEM; zinc dipping time; steel plate thickness

中图分类号：TG174.443

文献标识码：A

收稿日期：2015-12-01修回日期： 2015-12-31

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.011