热浸镀锌工艺机理的研究现状

邓绍成

（中电建成都铁塔有限公司，四川 成都 610213）

热浸镀锌技术在钢结构材料的防腐处理工作中有着十分完善成熟的生产能力，但是随着当前社会建设的迅猛发展，更多建筑工程项目需要在不同的环境和气候下施工，这对钢结构的防腐能力也提出新的挑战。

1 热浸镀锌工艺的发展现状

热浸镀锌工艺发展至今已经有一百八十多年的历史，也是当前最有效的防腐处理工艺，热浸镀锌技术是将加工处理好的钢结构部件浸入锌中进行镀锌处理。这种技术主要应用于一些不能进行长时间连续镀锌生产的材料，比如钢管、钢丝等材料。当前热浸镀锌技术被广泛的 应用于交通、电力、通信、建筑等行业中，例如建筑护栏、灯柱、建筑水暖设备、钢构焊接、线路材料等。当前我国在热浸镀锌方面制造的材料总数高达1000万吨以上，在这一领域中的相关企业多大1000余家，当前我国已经成为热浸镀锌技术产量最高的国家[1]。在实际的生产中，热浸镀锌技术主要的特点为：产量总数大、经验丰富缺少理论技术创新、污染严重。根据当前我国在热浸镀锌技术上的运用，需要从宏观角度对技术和产业进行调整，逐渐转变热浸镀锌技术和设备对环境造成的损害。但是由于我国的热浸镀锌技术正处于发展阶段，因此很难从根源上实现热浸镀锌的技术转型，如技术工艺不稳定、热浸镀锌质量不足、受制造工人的技术影响较高、生产环境差、从业人员老龄化严重等，这些问题对热浸镀锌工艺都会产生影响，因此随着社会现代化的发展，热浸镀锌工艺已经逐渐成为落后的夕阳产业。当前锌资源日益短缺，而室外钢体结构的防腐能力需求逐渐提升，对钢材料的防灾（雪灾、地震、冻雨等）能力也更加重视，很多现代化的建筑工程中对镀锌钢结构材料的各项技术指标都有了新的要求，这些情况也刺激着热浸镀锌工艺需要进一步创新发展。当前，我国在热浸镀锌工艺上的研究已经落后于这一技术的应用推广需求。

2 热浸镀锌的形成机理

在热浸镀锌工艺的理论部分中，通常认为镀锌的形成过程是由铁与锌之间的化合物形成的，但是在铁、锌金属化合物之间的形成过程包括其反应顺序等机理一直没有准确的答案。在热浸镀锌工艺形成的初期阶段，科学家认为热浸镀锌的化合物生成顺序是α、Γ、δ、ζ依次形成的。但是随着热浸镀锌工艺的不断成熟，人们认为其金属化合物的形成顺序是α、ζ、δ、Γ。而这些机理的研究实验都是针对镀锌层的试样进行金属相显微实验进行分析观察进而得来的，通过对样品中Fe-Zn元素的二元相形式图片进行观测分析，得到其中的化合物形成顺序。而随着现代化的元素检测技术的不断成熟，例如高分辨率的显微设备、能谱分析技术、电化学逐层剥离技术、微区检测技术等都日益完善，而这些技术设备对热浸镀锌工艺中镀锌层形成顺序以及组织结构等方面都有着重要的作用。通过这些现代化的技术手段能够更加准确的分析出热浸镀锌工艺的机理。但是目前这些技术也都属于末端分析的常规形式，而对于镀锌层的传热形式、传质、液固界面等内容缺少针对性的研究手段[2]。

根据当前的热浸镀锌工艺来看，镀锌层的形成大体上可以分为两部分，即浸入环节以及脱离锌浴后的冷却环节。浸入环节是实现液固界面的关键阶段，而冷却环节则是固界面的扩散和成型阶段。但结合实际操作可以发现，当材料离开锌浴时，镀锌层还没有完全形成，而此时的材料表面形成的合金层也与完全在室温下形成的合金层有所区别，因此可以看出这一阶段中合金层中的锌元素与铁元素依然在进行着扩散反应，同时，在这一阶段中合金层上还附着一层处于液体状态的锌元素层，而这层液态的锌元素层也正处于逐渐固化的状态。而冷却环节在整个热浸镀锌工艺中很少被人们重视，但是在实际的操作中，如果出现问题则会造成非常严重的后果，通过试验可以证实锌元素与铁元素需要在200℃到220℃之间进行扩散，但是如果长时间处于这一温度区间内，锌铁元素的扩散状态由于其速度不同则会出现柯肯达尔现象，而这一情况最终会导致在材料上的镀锌层发生脱落。可以看出随着热浸镀锌工艺的不断发展，其工艺机理中发现的问题也就越多[3]。

当前人们开始通过更加科学的计算方法研究热浸镀锌工艺的形成机理，其中包括对锌元素的二元、三元、四元合金工艺进行分析研究。通过对元素的相位Zn-Fe-Al进行分析和检测，对热浸镀锌工艺中的冶金热力学内容有了一定的成果，进而推动了热浸镀锌工艺的发展，但是还是缺少对锌铁元素在扩散过程中的形成机理数据，也没有在脱离锌浴环节和冷却环节中进行联系的分析。

3 热浸镀锌的合金机理

在热浸镀锌工艺中，镀锌层的合金化合物主要功能就是对合金元素抑制支晶的形成，降低在锌层表面的张力，降低晶界的腐蚀情况，此外还可以有效的降低合金的熔点，增强镀锌过程中液态锌的流动性，提高材料的耐腐蚀能力。同时合金化合物在提高材料耐腐蚀能力的情况下还可以减少镀锌层的厚度，进而降低热浸镀锌工艺的生产成本，减少制造中的浪费情况。当前热浸镀锌工艺的合金研究已经成为这一技术的重点研发方向，很多专家学者都对热浸镀锌工艺的合金技术进行了大量的实验研究。目前，在热浸镀锌中最主要的合金元素是Al、V、Sn、Bi、Ti、Pb、RE、Ni、Mg等。例如在热浸镀锌工艺中将Ti元素加入合金中可以有效的提高材料镀锌层的耐电化腐蚀以及盐雾腐蚀的能力，成功抑制含有硅元素的活性钢出现Sandelin现象。还有在镀锌层合金中加入钛元素，发现其耐电化腐蚀能力也十分出色。而在锌浴中加入钛元素以及铝元素，成功的形成Zn-Ti-Al的三元合金镀锌层。

在这些合金技术以及新型元素加入的实验中都不具有规律性，是通过不断的合金实验才得出的成果，在实验中针对镀锌层的厚度、化学元素成分、合金强度、耐腐蚀能力等进行分析和检测并对其取舍。当前热浸镀锌工艺的合金研究主要是依靠相关经验展开，通过改变镀锌温度、浸入时间、合金元素种类、剂量等参数，找到新的合金形成结果，最终通过实验分析出镀锌层的新功能和新结构，检测改变相关参数之后的变化是否成功[4]。

在实际的热浸镀锌生产中，在锌浴中加入其他元素形成新的合金主要的目的有：第一，能够提高材料镀锌层的外观形象，让镀锌层能够有更为均匀的颜色和光泽度。第二，在达到材料标准的情况下，降低材料镀锌层的厚度，减少合金层中锌元素的含量，有效降低生产成本。而通过添加新元素达到提高镀锌层耐腐蚀性很多生产企业都并不重视。在实际的技术应用中，合金元素主要是用中间合金的形式向锌锅中加入。当前中间合金的种类、产品质量以及生产技术都比较混乱，而这些情况都会导致热浸镀锌的合金过程中出现问题。随着热浸镀锌工艺的不断应用，更多复杂的环境也促使着热浸镀锌技术不断的发展创新，很多恶劣的环境气候都会对热浸镀锌的成品造成影响，因此在未来的技术创新中需要对研发、生产等多个方面入手。

4 结语

综上所述，热浸镀锌是针对钢结构材料进行防腐处理的工艺技术，而随着现代化建设的快速发展，很多建设工程中都会应用热浸镀锌的钢结构材料，而人们对材料的防腐需求也在不断提高，这就需要在热浸镀锌工艺中不断创新发展，通过对热浸镀锌机理的研究，提高热浸镀锌的使用效果。