改善热镀锌层表面光泽的探讨

2018-04-10


热镀锌层表面光泽度,作为客户判断镀锌质量最直观的检验标准,越来越引起镀锌企业的重视。镀锌层的光泽度差主要集中表现为:“镀锌层灰暗”、“灰斑”、“烧灰”、“色差”等,这些缺陷严重影响了镀层的美观。

出现以上缺陷,主要有两方面原因:

1、镀锌层中锌铁合金相层过度生长、扩散并透出纯锌层表面造成镀锌层表面缺陷。热镀锌的过程实际上是锌液对铁基表面的金相溶解过程,在这个过程中,铁基表面形成的锌铁合金相层的厚度随锌液温度、浸锌时间、浸入引出速度、工件的钢铁成分、锌液的成分等工艺参数发生变化。当这些参数控制不当,就会出现锌铁合金相层露出纯锌层的现象,从而影响镀层表面光泽度。

2、镀锌层中纯锌层本身的氧化变色。纯锌层氧化又包括两种情况:一种是锌锅中锌液表面的氧化,由于锌液中含有氧化物而形成干扰色,一般带有一些黄色;另一种是镀锌件离开锌锅后,镀锌层在空气中进一步氧化,逐步失去光泽变成暗灰色。

改善镀锌层表面光泽度主要措施:

1、合理选择热镀锌钢材。

批量热镀锌生产企业,在对进货进行镀前检查的过程中,应仔细向供货商询问钢材的型号以及生产厂家,对钢材的化学成分做到心中有数以及可能出现的镀层缺陷形成预判。

在批量热镀锌工件制造常用的结构钢中,除了碳元素外,由于原料和冶炼工艺的限制,一般都含有硅、锰、硫、磷以及微量的气体元素如氧、氮、氢等。其中硅和锰是在钢铁冶炼过程中必须加入的脱氧剂,而硫、磷、氧、氮、氢等,则是从原料或大气中带入,并在冶炼过程中不能去除干净。另外在合金结构中还有其他特意加入的合金元素。

这些非铁化学元素除了影响钢的组织和性能外,将影响锌-铁合金的反应速度和镀锌层的性质。

1钢材化学成分对锌-铁合金反应的影响

元素名称

对锌-铁合金反应的影响

碳(C

含量在0.2%左右时,对锌铁合金反应尚无影响,但若含量再提高则合金反应趋于激烈。

硅(Si

对锌-铁合金反应的影响很大,尤其含量大于0.25%时会形成异常厚的镀锌层。

锰(Mn

含量小于1.35%时影响不大,但是在此含量以上合金反应趋于激烈。

磷(P

在所规定的含量内并无影响(日本JIS标准)

铬(Cr

若含量约等于0.06%则合金相层的厚度将增为两倍

镍(Ni

数个百分比以上的含量则会抑制合金反应

铝(AI

含量大约至1.5%为止影响不大

硫(S

所规定的的含量内并无影响(日本JIS标准)

对于以上数据需要进一步说明的是,钢材中硅元素对锌-铁合金反应的影响,其影响主要表现为圣德林(Sandelin)效应。如下图1


 

  

 

 

 

 

在常规热浸镀锌温度(450)下,当钢中硅含量wSi低于0.03%时,随着硅含量的增加,铁锌反应活性虽然增加但仍可获得正常组织,当钢中硅含量达到0.06~0.1%时,铁锌反应活性剧增,合金相层厚度出现峰值,钢中硅含量接近0.18%时,镀层活性降低,高于0.3%时,铁锌反应速率又呈直线增加。

钢牌号

等级

Si

P

%含量不大于

 

Q235

(A3)

A

0.30

0.045

B

C

0.040

D

0.035

Q345 (16Mn)


0.20-0.55

0.045

结合表1和圣德林效应图,我们一般认为能获得优良镀层的钢铁材料的主要化学成分为:含碳量低于0.25%、含磷低于0.04%、含锰低于1.35%、含硅量低于0.03%或在0.150.25%之间。

并非所有的普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢都符合这个成分范围。 常用的钢材牌号Q235Q345的成分见表2。可看出,Q235钢硅含量位于圣德林效应区间,有可能产生色差现象,Q345钢硅含量大于圣德林效应区间,极有可能产生色差现象。

2、有效控制锌液的合金含量。

⑴、锌铝合金在批量热镀锌中的应用。

一直以来,在批量热镀锌中,铝是应用最广泛的金属之一。铝的添加可以起到两个主要作用:一、减缓锌-铁合金相层的生长速度,提高镀锌层光亮性;二、抑制锌液表面上锌的氧化,减少锌灰的产生。

锌液中加入少量铝可使镀锌层表面较纯,锌层更光亮。由于锌液中的铝被选择性氧化,而使表面形成一层连续的氧化铝膜,使锌液表面不易氧化,而这个膜较纯,锌液更光滑,从而获得更光亮的镀锌层和减少锌灰的产生。同时由于镀锌层中含也有铝,在镀锌层的表面也会形成一层氧化铝保护膜,对镀锌层提供了一个物理屏障而阻止了锌被空气的进一步氧化,有利于保持锌金属层的光泽。

然而,如果锌液中的铝含量控制不好,不但不能提高产品质量,反而造成镀锌层表面出现颗粒,甚至 “漏镀”等缺陷。一般会出现三种情况:① 锌液中铝含量适当,铝对锌-铁合金相层的生长产生抑制作用,可以改善镀锌层的光泽,减少锌灰的产生。② 当锌液中铝含量超标时,铝造成助镀液复盐盐膜失效,开始产生“漏镀”。③ 当锌液中铝含量严重超标时,对锌-铁合金反应的抑制作用降低,锌液表面产生大量浮渣,甚至出现缺锌现象,影响热镀锌质量。

因此,应有效控制锌液中铝的含量,一般情况下,铝的含量在0.005-0.02%之间时,即不会形成浮于锌液表面的锌渣,同时起到提高镀锌层表面光泽度,减少锌灰的作用。

⑵、锌镍合金在批量热镀锌中的应用。

锌液中添加镍,目前是被广泛采用的一种用于减少反应性钢问题的工艺方法。镍在锌液中的主要作用体现在两方面:一、镍能减缓或消除含硅活性钢的圣德林效应,降低锌-铁合金反应的速率,消除活性钢浸锌时锌-铁合金相层的异常生长,使镀锌层粘附性提高,镀锌层表面形成连续的纯锌层,从而使镀锌层外观保持光亮。二、镍还可以增加锌液的流动性,加快锌液回流,进而减少镀锌层的厚度,降低锌耗。同时减少镀锌层锌瘤及流痕等缺陷的出现,可使镀锌层平滑均匀。

另外,镍对镀锌层性能也有一定的影响。主要体现在四个方面:①、降低镀锌层厚度;②、利于降低锌液中的铁;③、提高合金相层硬度;④、提高合金相层耐磨性。

虽然,锌液中添加镍对改善镀锌层质量和降低锌耗发挥了重要作用,但是一定要严格控制镍的添加量和合理选择镍的添加工艺条件。

镍含量超标时,锌液中会产生锌--镍三元合金锌渣,使锌渣量增多,并可能附着于镀锌层表面而出现颗粒。

对于硅含量大于0.25%的高硅钢,锌液中镍的添加对抑制锌-铁合金相异常生长的效果不大。所以,高硅钢热镀锌时,添加锌-镍合金是浪费。

添加镍能有效抑制硅含量小于0.25%的含硅钢在锌液中的异常锌-铁合金反应,减少这类钢出现灰暗、超厚、粘附性差的镀锌层,提高镀锌层光亮性。

据以上分析,一般建议在硅含量低于0.25%的活性钢中添加锌镍合金,并控制镍的含量为0.04-0.12%

3、选择最佳锌液温度,尽力缩短冷却时间。

在浸锌过程中,锌液温度高,工件表面上的锌-铁合金反应速度加快,形成的锌-铁合金相层变厚,纯锌层较薄,部分区域锌-铁合金相层露出纯锌层,形成“灰斑”。因此,在工艺条件允许的情况下,尽力降低锌液温度。

浸锌完成后,工件从锌液中引出,由于工件的蓄热特性,在工件冷却之前的这段时间内,工件表面上仍然继续发生锌-铁合金反应,并进一步形成锌-铁合金相层。如果不能及时去除余锌、冷却,这段时间内,一方面高温状态下的纯锌层在空气中氧化变灰,同时纯锌层下锌-铁合金相层变厚,导致纯锌层表面产生“灰斑”。因此,工件引出锌液后,要及时去除余锌,快速冷却。从工件引出到冷却完成的这个时间间隔,越短越好。

综上所述,导致镀锌层表面光泽度差的主要原因是:锌铁合金的过度生长和纯锌层表面的氧化。为了避免出现以上问题,镀锌企业需要做到,合理选择镀锌钢材,严格控制锌液合金成分,选择最佳镀锌温度,缩短冷却时间。