电气化铁路钢结构支柱热浸镀锌原理、工艺过程及产品质量易受影响点浅析

刘旭映 高耀宗

摘要：通过详细介绍热镀锌防腐原理、工艺过程分析铁路钢结构支柱在热浸镀锌防腐过程中质量把控的关键点。

关键词：热浸镀锌;防腐;工艺过程

引言

热镀锌也称热浸镀锌，是钢铁构件浸入熔融的锌液中获得金属覆盖层的一种防腐方法。近年来随着铁路系统、公路桥梁、高压输电、通讯等事业的迅速发展，对钢铁件防护要求越来越高，热镀锌需求量也不断增加。

热浸镀锌防腐技术是目前适用范围最广泛，也是最有效的钢材大气防腐蚀方法。本文通过对热浸镀锌防腐的防护性能、锌层形成过程、防护原理及工艺过程做详细分析，逐步梳理各个过程中易对产品质量产生影响的因素。

热镀锌层防护性能简介

通常电镀锌层厚度约为5～15μm，而热镀锌层一般在35μm以上，甚至高达200μm以上。镀层的厚度受镀件厚度决定，即镀件越厚，得到的镀层越厚。同一个镀件中，厚度高的部位，得到的镀层更厚，寿命更长。热镀锌覆盖能力好，镀层致密，无有机物夹杂。

锌的抗大气腐蚀的机理有机械保护及电化学保护，在大气腐蚀条件下锌层表面有、及碱式碳酸锌保护膜，一定程度上减缓锌的腐蚀，这层保护膜受到破坏又会形成新的膜层。当锌层破坏严重，危及到铁基体时，锌对基体产生电化学保护，锌的标准电位-0.76V，铁的标准电位-0.44V，锌与铁形成微电池时锌作为阳极被溶解，铁作为阴极受到保护。锌层在大气中的消耗是非常缓慢的，约为钢铁腐蚀速率的1/17至1/18，且是可以预估的。显然热镀锌对基体金属铁的抗大气腐蚀保护能力优于电镀锌。

热镀锌层形成过程是铁基体与最外面的纯锌层之间形成铁-锌合金的过程。镀件表面在热浸镀时形成铁-锌合金层，才使得铁与纯锌层之间很好结合，其过程可简单地叙述为：当铁镀件浸入熔融的锌液时，首先在界面上形成锌与α铁（体心）固熔体。这是基体金属铁在固体状态下溶有锌原子所形成一种晶体，因为原子之间引力比较小，两种金属原子之间是融合的。因此，当锌在固熔体中达到饱和后，锌铁两种元素原子相互扩散，扩散到铁基体中的锌原子在基体晶格中迁移，逐渐与铁形成两层合金（见表2），而扩散到熔融的锌液中的铁就与锌形成金属间化合物，沉入热镀锌锅底，即为锌渣。当工件从浸锌液中移出时表面形成纯锌层，为六方晶体。其含铁量不大于0.003%。

1 工艺过程

电气化铁路支柱类产品（以下简称支柱类产品）采用的热浸镀锌防腐工艺基本分为以下三个阶段，各个阶段分为不同的步骤按顺序进行：

1.1前处理阶段：

镀件→脱脂→水洗→酸洗→水洗→浸助镀溶剂→烘干预热

1.2热镀锌阶段

热镀锌→整理

1.3后期处理阶段

冷却→钝化→漂洗→干燥→打磨→检验

2 工艺过程说明及易影响点分析

（1）脱脂

一般采用化学去油或水基金属脱脂清洗剂去油，达到工件完全被水浸润为止。

（2）酸洗

可采用15%，硫脲0.1%，40～60℃或用20%，乌洛托品3～5g/L，20～40℃进行酸洗。加入缓蚀剂可防止基体过腐蚀及减少铁基体吸氢量，同时加入抑雾剂抑制酸雾逸出。

脱脂及酸洗处理不彻底都会造成镀层附着力不好，镀不上锌或锌层脱落。此工艺缺陷基本分为3类：脱脂不彻底、酸洗除锈不净及过酸洗。以上三类缺陷，均会严重影响的热浸镀锌质量。

（3）浸助镀剂

也称溶剂，可保持在浸镀前工件具有一定活性避免二次氧化，以增强镀层与基体结合。100-150g/L， 150-180g/L，70～80℃，1～2min。并加入一定量的防爆剂。

（4）烘干预热

为了防止工件在浸镀时由于温度急剧升高而变形，并除去残余水分，防止产生爆锌，造成锌液爆溅，预热一般为80～140℃。

烘干预热温度过低或不充分会造成支柱产品，尤其如格构式支柱这种焊缝较多的产品在热浸镀锌时由于温度急剧升高而产生额外的内部应力，甚至导致焊缝开裂等现象，对产品的质量产生严重损害。

（5）热镀锌

要控制好锌液温度、浸镀时间及工件從锌液中引出的速度。引出速度一般为1.5-2米/min。

温度过低，锌液流动性差，镀层厚且不均匀，易产生流挂，外观质量差;温度高，锌液流动性好，锌液易脱离工件，减少流挂及皱皮现象发生，附着力强，镀层薄，外观好，生产效率高;但温度过高，工件及锌锅铁损严重，产生大量锌渣，影响浸锌层质量并且容易造成色差使表面颜色不一致，锌耗高。

锌层厚度取决于锌液温度，浸锌时间，钢材材质和锌液成份。

一般厂家为了防止工件高温变形及减少由于铁损造成锌渣，都采用450～470℃，浸入时间保持在0.5～1.5min。有些工厂对大工件及铸铁件采用较高温度，但要避开铁损高峰的温度范围。

我们通过多次在不同温度下进行试验得出的结论是：支柱类产品在进行热浸镀锌防腐加工时，在锌液中添加有除铁功能和降低共晶温度的合金并且把镀锌温度降低至435-445℃。这样做能够有效保证镀件锌层的附着力，并保证产品外观颜色一致，具有金属光泽。

（6）整理

镀后对工件整理主要是去除表面余锌及锌瘤，采用热镀锌专用震动器来完成。

震动过程的优点在于能够去除部分在热浸镀锌过程中由于镀件快速受热而产生的内部应力，也能够让熔融锌液在震动过程中加快流速，减少积锌和锌瘤的产生。

（7）钝化

目的是提高工件表面抗大气腐蚀性能，减少或延长白锈出现时间，保持镀层具有良好的外观。此过程所用化学制剂为铬酸盐，具有毒性，目前已全面推广无铬钝化。

（8）冷却

一般用水冷，但温度不可过低也不可过高，一般不低于30℃不高于70℃。

（9）打磨

目的是清除产品在镀锌过程中产生的锌瘤，尖刺等缺陷。对于某些部位锌层过厚，也需要打磨。

如果锌层过厚，在产品受力过程中，由于应力产生应变，会在锌层过厚的部位产生过多的集中应力，造成锌层开裂甚至剥离。打磨的过程不可野蛮操作，以免对锌层产生破坏。

（10）检验

镀层外观光亮、细致、无流挂、皱皮现象。厚度检验可采用涂层测厚仪。也可通过锌附着量进行换算得到镀层厚度。也可用重锤敲击检验，并且分批制作试验件进行硫酸铜浸蚀试验。

结语

以上通过对热浸镀锌防护性能、锌层形成过程及工艺过程的分析，可以得出在电气化铁路钢结构支柱类产品的热浸镀锌防腐过程中，需要严格控制的关键点有一下几点：

1）前处理阶段中脱脂及酸洗过程的控制;预热烘干阶段，对温度的严格控制。

2）热镀锌阶段中熔融锌液的温度控制是关键点。引出速度应控制在合理速度区间，引出过程中，应对镀件进行有效的震动。熔融锌液中合金的添加剂量也应控制在合理范围之内。

3）后期处理阶段冷却时须控制水温范围和冷却时间;打磨阶段应对局部锌层、锌瘤及滴挂引起的尖刺进行修正。

（作者单位：1.中铁电工保定制品有限公司;2.中铁电工保定制品有限公司）