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热浸锌和机械镀锌的区别是什么?

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导读:目前防治钢铁紧固件腐蚀最常用的方法是金属镀层防腐法,主要有热浸锌、电镀锌、机械镀锌等。但热浸锌、电镀锌等工艺存在能耗大、污染严重等缺点,而机械镀锌作为一种无害化的表面处理技术,具有高效、环保等优点在工业中的应用越来越广泛。今天,螺丝君简单地讨论一下热浸锌和机械镀锌的差异,供各位参考。

一、热浸锌

热浸锌是将经预处理的待镀件浸入锌浴中发生高温冶金反应而形成镀锌层的表面处理工艺,热浸锌应用至今已有近180多年的历史,实践表明它仍是目前最可靠的防腐技术。

热浸锌的形层始于锌浴与铁基的界面,终止于基材表面上的锌液,镀层的最终组织结构和物化性能与锌浴熔体有着密切和直接的联系。形层开始,铁基表面的助镀盐膜蒸发,铁基裸露;熔融锌瞬间在铁基表面润湿、铺展、覆盖且同时发生Fe、Zn的相互扩散,并进一步发生 γ、δ、ζ 合金相层的生长;当镀件离开锌浴时,熔融锌和铁基之间的相互作用仍在继续,镀件表面黏附有熔融锌,此后熔融锌发生结晶凝固;所以,镀件表面的镀层包括与铁基紧邻的锌-铁合金层和表面的锌凝固层。 

适当地选择温度和时间参数,可以控制镀层中合金相层的组织特征和厚度;但对于紧固件表面镀层厚度的控制并不容易,尤其是螺纹紧固件的螺纹部位,镀层厚度的控制是具有一定的难度,稍微控制不当,螺纹紧固件就会因为镀层质量缺陷而报废。

紧固件热浸锌工艺:消除应力→表面清理→烘干→溶剂处理(助镀)→热浸锌→离心和冷却→对螺母的特殊技术要求→后处理。

高强度螺纹紧固件的施镀温度一般在440~560℃之间。热浸锌的 3 个步骤如下:① 产品表面被锌液溶解,铁基表面被锌液溶解形成锌-铁合金相成。② 合金层中的锌离子进一步向基体扩散形成锌-铁互溶层;铁在被锌液溶解的过程中形成锌-铁合金,并继续向周围扩散。③ 在锌-铁合金层的表面包裹着锌层,锌层在常温下冷却结晶,形成镀层。

螺栓表面带有外螺纹或内螺纹(配套的各类螺母),螺纹部位具有狭缝尺寸特征,基于上述热浸锌的机理及螺纹紧固件的形状要求,螺栓的热浸锌过程及镀层质量目标就是控制镀层厚度尽量薄、不堵塞螺纹。

早期人们采用爆钝工艺控制螺纹的镀层厚度,利用热镀件和爆钝液瞬间反应生成的气体将基体表面未凝固的液态锌爆破去除以保证螺纹的薄镀层。爆钝过程产生大量氨氮超标的白烟,严重污染大气和影响操作环境。通过改进工艺人们在螺栓浸镀之后采用离心甩将螺栓表面的余锌去除,以满足螺纹部位镀层厚度的要求。目前,螺栓的热浸锌工艺已日臻完善、工艺稳定,镀层厚度和耐蚀性完全可以满足各类机械装备的防腐要求,但在实际生产和机器设施安装过程仍存在以下问题:

1、螺栓螺纹部位残留有少量锌瘤,影响安装

螺栓热浸锌后螺纹部位残留有锌瘤,当锌瘤尺寸稍大时就严重影响螺栓和螺母的配合,出厂之前螺母回攻或部分螺栓回攻后紧固件配合成套,施工现场螺栓紧固件一般容易拆开和再次装配;当锌瘤尺寸较小且手工装配成套存在一定困难时,如配合不通畅、配合不到位(螺母螺旋不到底,出厂前往往采用工装夹具装配成套,这时不可避免地施加了一定程度的预紧力载荷;虽然螺栓紧固件能够装配成套供货,但在施工现场发生拆卸困难、再次装配不通畅、紧固不到位等问题,影响了机械装备设施的安装施工。

2、对连接强度的影响

采用离心甩可以控制螺栓表面的镀层厚度及均匀性,但配套螺母属于内螺纹,离心甩难以去除螺母螺纹部位的余锌,仍易发生余锌或锌瘤堵塞螺牙现象;多数普遍采用螺母放大加工余量且镀后回攻的方法保证热浸锌螺母与螺栓的配合,这虽然保证了紧固件的配合,但力学性能测试时常发生拉伸过程拉脱现象,影响了安装后连接强度。

3、对高强度螺栓力学性能的影响

热浸锌工艺过程对螺栓的显微组织、硬度没有明显的降低;必须使用标准中规定的合金钢材料为佳,但热浸锌工艺不当会影响螺栓的冲击韧性,另外镀锌过程的酸洗会造成10.9级高强度螺栓基体中的氢含量增加,增大了氢脆隐患。研究表明,高强度螺栓(8.8级及以上)热浸锌后螺纹部位的力学性能有一定程度的损伤。由上可见,高强度螺栓的热浸锌工艺虽然已经成熟且规模应用,但镀锌工艺不当或镀层质量控制不良时螺栓表面的镀锌层对螺纹紧固件的配合、机械装备的安装及紧固强度都会产生一定的影响。

热浸锌层外观检测一般采用目视检查,目视距离不能超过1m。观察镀层应连续、光滑、厚度均匀、结合牢固。有效表面不应有明显可见的镀层缺陷,如漏镀(缺层)、起泡、沉积物(锌灰)、锌瘤、锌渣、毛刺等。

目视检查外观不合格的紧固件应进行修补或重镀再重新检查。按:GB/T 5267.3-2008《紧固件热浸镀锌层》,GB/T19355.1-2016《锌覆盖层 钢铁结构防腐蚀的指南和建议(第2部分)热浸镀锌》,GB/T 13912-2002《金属覆盖层 钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》,GB/T22028-2008《热浸镀锌螺纹 在内螺纹上容纳镀锌层》,GB/T22029-2008《热浸锌螺纹-在外螺纹上容纳镀锌层》标准执行。

标准ASTM A780推荐了3种热浸锌层损坏修补的方法:采用低熔点锌基合金粉末或棒材热熔敷修补;采用富锌底漆涂敷修补;采用热喷锌喷涂修补。

结合工程经验,建议海洋工程紧固件热浸锌破损最好采用热喷锌方式修补;若热喷锌不可行,建议采用富锌底漆涂敷修补热浸锌层的破损。富锌底漆建议优选无机硅酸锌底漆,通常采用锌粉含量(质量分数)不低于80%富锌底漆,部分机械装备质量要求高的项目也有采用锌粉含量(质量分数)85%、90%的富锌漆修补。热浸锌层修补涂层厚度一般为50~60μm或与热浸锌层厚度齐平。

热浸锌高强度螺栓设计时需要充分考虑尺寸稳定性、消除残余应力、减少重叠面、保证封闭结构排气通畅。热浸锌前对紧固件进行合理的预处理是保证镀锌层质量的关键环节。热浸锌层质量验收应重点关注外观和镀锌量/厚度,镀层缺陷应及时修复。

二、机械镀锌

机械镀锌是一种在常温、常压下利用物理、化学吸附沉积和机械碰撞使金属微粉在工件表面形成镀层的工艺,利用该方法可以在钢铁零件上形成Zn、Al、Cu、Zn-Al、Zn-Ti、Zn-Sn等金属镀层,对钢铁基体起到良好的防护作用。从近20年的应用来看,机械镀锌已从单一镀层到各种复合镀层,从小尺寸到特定制件,各种粉末冶金、铜制、非合金结构钢紧固件均可等,已经成为较成熟的表面处理工艺。

基于工艺原理分析,机械镀锌是在室温下的液体介质中,依靠冲击载荷、锌粉的团聚与吸附,在钢铁表面上沉积成层;它的形层过程没有热浸锌过程的界面反应和铁、锌原子扩散,故与热浸锌相比它具有镀层氢脆隐患小、镀层厚度容易调控、过程易实现清洁生产等诸多优点。历经20多年的发展,机械镀锌在紧固件领域表现出了独特的优势,螺栓紧固件的机械镀锌是近年来发展并规模化应用的工艺。

机械镀锌工艺本身决定了螺纹、沟槽部位的镀层厚度比平整表面的镀层厚度要薄,螺母镀后不需要回攻,M12以上螺栓甚至不需要预留公差,镀后不影响配合和力学性能。但工艺过程选用锌粉的粒径大小、施镀过程的加料强度、加料间隔等直接影响着镀层的致密度、平整度和外观,从而影响到镀层的质量。 

据统计,目前我国机械镀锌螺栓紧固件根据镀层厚度大致分为2类-低锌层和高锌层,所谓低锌层一般指镀层厚度低于20μm或25μm,所谓高锌层一般指镀层厚度高于40μm。

随着市场竞争的不断加剧,高锌层的机械镀锌螺栓紧固件产量较低,且部分低锌层机械镀锌螺栓紧固件的镀层厚度参差不齐、镀层疏松、外观粗糙、表面灰暗等,产生这些问题的主要原因有:(1)市场需求量大,目前螺栓紧固件的机械镀锌比热镀锌在工艺上占有优势,供不应求;(2)价格恶意竞争,一味降低成本;(3)无标可依,没有质量标准进行约束。

与热浸镀锌相比,高强度螺栓的机械镀锌工艺已占有较大的市场规模和制造体量,但产品的机械镀锌镀层质量良莠不分,缺乏技术规范指导,市场混乱,产品镀层质量标准研究及指标标准化亟待统一。

由于机械镀锌工艺近年来发展迅速,但镀层结构理论的研究远落后于工艺应用的研究,尤其是镀层中金属颗粒结合机理方面的研究成果更少。适合机械镀锌的零件尺寸受到限制,带有盲孔和深凹槽等复杂形状的工件不宜用机械镀锌。

在应用发展的过程中有诸多问题需要解决:(1)深入理论研究,对镀层金属的沉积机理、活化机理、先导金属的作用等进行理论研究,指导工业生产,以期增加较厚镀层的结合强度,提高镀层光亮度,改善钝化色泽,满足更多需求。(2)对机械镀锌层的合金化进行研究,增加镀层金属的种类,探索其他金属对镀层性能的影响。(3)依据机械镀锌原理,附加超声频振动,应用超声波的高频特点,反复冲击金属粉,获得更加致密的镀层,提高其耐腐蚀性能。同时,利用超声波在液体中传播特点,实现复杂形状紧固件的镀层,扩大机械镀的适用范围。

三、螺丝君经验与总结

螺丝君通过上述分析高强度紧固件热镀锌、机械镀锌的差别,且存在质量问题进行研究解决,提升产品表面处理的质量,提高产品的防腐性能和稳定性具有现实意义。因为高强度紧固件的防腐脚步不会停止,一定会随着时代的发展继续发展。

来源:螺丝君

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