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熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁鋼鐵件的耐蝕性能比較及應(yīng)用
孫捷(貴州大學(xué) 材料科學(xué)及冶金工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550003)
吳元康(東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)
[摘 要]鋼鐵件熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的表面技術(shù)。兩種鍍層都能保護(hù)鋼鐵基體免受因接觸外界介質(zhì)而產(chǎn)生的腐蝕，還能給鋼制件潔白光亮的外表。大大延長(zhǎng)了鋼鐵件在戶(hù)外的使用壽命。本文比較了這兩種工藝產(chǎn)品的異同之處和各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，敘述了這兩種鍍層在不同介質(zhì)中耐蝕性能的優(yōu)劣情況。
[關(guān)鍵詞]熱浸鍍鋅 熱浸鍍鋁 耐蝕
[中國(guó)圖書(shū)分類(lèi)號(hào)TQ153.1] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A
Compartion of Corrosion Resisting Properties of Hot Dip Garvanizing and Aluminium Coating of Steel Parts and their Application
Sun Jie (Institute of Materials Science and Metallurgical Engineering, Guizhou University,Guiyang 550003)
WuYuankang (Institute of Materials Science and Engineering，Southeast University，Nanjing,210096)
[Abstract] Hot dip garvanizing and aluminium coating technologie of steels are one sort of surface technologies of steels that widely used in various regions all over the world. Both of coatings are the effective corrosion resistant coatings in many mediums and atmospheres.They will protect surfaces of steels and give a sort of white and bright surfaces. The useful lifes of steel and iron parts will be prolonged. The differences and
superiorities of thses two technologies are described in this paper. Their corrosion resistant properties in various mediums and stmospheres are compared here.
[Key words] Hot dip garvanizing Hot dip al uminium coating corrosion resistant
0 引言
鋼鐵熱浸鍍鋅工藝開(kāi)始用于工業(yè)生產(chǎn)是在十九世紀(jì)初期[1]，二百年來(lái)，該工藝發(fā)展較快，在全世界各國(guó)都得到普遍應(yīng)用;鋼鐵熱浸鍍鋁工藝出現(xiàn)較晚，在二十世紀(jì)三十年代才開(kāi)始在工業(yè)中得到應(yīng)用[2]。由于該工藝在實(shí)施過(guò)程中，對(duì)設(shè)備的材質(zhì)、工藝操作和原料配方要求較嚴(yán)，因此，目前只有在少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家才得到應(yīng)用和發(fā)展。
由于鋅和鋁的電極電位和它們表面的氧化膜狀態(tài)不同，它們的鍍層對(duì)鋼鐵表面的保護(hù)機(jī)理是不一樣的。在介質(zhì)氣氛下鋅以犧牲陽(yáng)極的作用來(lái)保護(hù)陰極基體鐵免受電化學(xué)反應(yīng)而腐蝕;而鋁則是對(duì)鋼基體以包封的涂層作用而起保護(hù)作用。鋁不起犧牲陽(yáng)極的保護(hù)作用，鋁鍍層壽命更長(zhǎng)。
鋼件熱浸鍍鋅層和熱浸鍍鋁層一樣，在正常大氣氣氛中有良好的耐蝕性能，而后者在惡劣的工業(yè)大氣氣氛和海洋氣氛下表現(xiàn)出更為優(yōu)越和耐久的耐腐蝕性能。兩種鍍層在各種酸性和堿性介質(zhì)中各具不同的耐蝕優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)時(shí)期來(lái)，由于熱鍍鋅件的成本價(jià)格優(yōu)勢(shì)，設(shè)備材料使用壽命長(zhǎng)，工藝操作簡(jiǎn)便，質(zhì)量易控制和環(huán)保污染易控制等優(yōu)勢(shì)，因而得到了更大的發(fā)展。
在國(guó)內(nèi)外的熱鍍件產(chǎn)品中，熱鍍鋅件所占比例比熱鍍鋁大得多，國(guó)外以連續(xù)熱浸鍍工藝為主，而國(guó)內(nèi)以鋼鐵件熱浸鍍工藝為主;前者環(huán)保，少勞動(dòng)力，后者環(huán)保較差，勞動(dòng)力較多。目前，全世界的鋅產(chǎn)量一半以上是用于熱浸鍍鋅的，而用于熱浸鍍的鋁占總產(chǎn)量的比例是很小的，這主要是鋁合金的應(yīng)用比鋅合金廣得多。由于熱浸鍍鋁產(chǎn)品具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如表面的鐵鋁滲層，耐熱和耐磨，表面的鋁層潔白光亮，耐蝕性能好，以及鋁價(jià)數(shù)十年來(lái)比較平穩(wěn)，因此在某些領(lǐng)域中一直得以延用。隨鍍鋁工藝日益完善,鍍件質(zhì)量更為優(yōu)越，熱浸鍍鋁件的應(yīng)用也將得到更大發(fā)展。
本文根據(jù)現(xiàn)有的一些資料和我們帶學(xué)生做的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋼材熱浸鍍鋅和熱浸鍍鋁 工藝，鍍層的耐蝕原理，鍍層在各種不同介質(zhì)中的各自耐蝕性能及兩種熱浸鍍工藝的應(yīng)用前景和發(fā)展方向作一粗淺介紹。
1 鍍層耐腐蝕機(jī)理
1.1鍍鋅層的防蝕機(jī)理
鋅是相當(dāng)活潑的金屬，但在大氣中和接近中性的水中，它的腐蝕速度相當(dāng)慢。這是因?yàn)樵阡\的表面會(huì)生成一層薄而致密的腐蝕產(chǎn)物，它均勻覆蓋在表面上，起著隔離周?chē)橘|(zhì)的作用，因而阻止了進(jìn)一步腐蝕。鋅在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液中的腐蝕速度很快。這是由于受到H+離子和OH-離子的影響，鋅表面不能形成保護(hù)膜。
如果鍍鋅層表面十分致密，而且不存在任何缺陷，那么它在大氣中或電解溶液中的化學(xué)性能，基本上和純鋅的化學(xué)性能相同。因此，如果大氣沒(méi)有被污染，則水氣或雨水中的酸度很低，例如pH值>5.2，腐蝕結(jié)果就可能產(chǎn)生非活性的化合物，如Zn(OH)2·ZnO或ZnCO3等。這些腐蝕產(chǎn)物在鍍鋅層上構(gòu)成了致密的薄膜，其厚度可達(dá)8微米。這種薄膜具有良好的附著性能，而且不容易溶于水中，因此可以阻止鍍鋅層的進(jìn)一步腐蝕。當(dāng)鍍鋅層存在露鐵點(diǎn)或受腐蝕后露出鋼基時(shí)，鋼基與鍍鋅層就會(huì)構(gòu)成微電池，產(chǎn)生微電流。因?yàn)殇\比鐵活潑，所以是微電池的陽(yáng)極，受到腐蝕;鐵是微電池的陰極，只起傳導(dǎo)電子的作用，受到保護(hù)。
在熱鍍鋅涂層中，與鋼基直接接觸的是鋅-鐵合金層。盡管如此，合金層的電位也比鐵的電位低，偶合的結(jié)果，鋼基仍然受到保護(hù)。
總之，一方面鍍鋅層作為犧牲性陽(yáng)極，保護(hù)了鋼鐵基體;另一方面，在多數(shù)自然環(huán)境中，鍍鋅層的腐蝕產(chǎn)物，是一層良好的保護(hù)膜，它可以有效地延長(zhǎng)鍍鋅層的壽命。
鍍鋅是鋼鐵腐蝕最有效的防護(hù)方法之一。鋅鍍層對(duì)鋼鐵的保護(hù)作用主要在三個(gè)方面。(1)鋅鍍層可以避免鋼材和腐蝕介質(zhì)直接接觸。(2)當(dāng)鍍鋅層出現(xiàn)鋼鐵暴露點(diǎn)或因腐蝕或機(jī)械損傷后顯露出鋼鐵基體時(shí)，鋼鐵基體與鍍鋅層就會(huì)構(gòu)成微電池。由于鋅比鐵活潑，所以鍍鋅層充當(dāng)微電池的陽(yáng)極被腐蝕;鐵則成為微電池的陰極而受到保護(hù)。(3)當(dāng)鍍鋅層因選擇性溶解出現(xiàn)較小的不連續(xù)間隙時(shí)，鍍鋅層因?yàn)樾纬筛g產(chǎn)物而發(fā)生體積膨脹，使得間隙愈合從而阻礙電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展。[3][4]
1.2 鍍鋁和鋁合金層的耐蝕性機(jī)理。
純鋁的組織主要為α-Al，基體上分布著各種雜質(zhì)相，如FeAl3，游離硅等。其反應(yīng)為：
L 655℃α-Al+ FeAl3 L 577℃α-Al+Si
在室溫下，鐵和硅在α-Al中的固溶度分別約為0.002%和0.05%，在α-Al中分別以FeAl3和游離Si存在。FeAl3呈針狀，性脆;多余的游離Si呈塊狀，性也脆。當(dāng)Fe和Si共存時(shí)，還會(huì)形成α(Al12Fe3Si2)和β(Al9Fe2Si2)相。前者呈骨骼狀、性脆;后者呈針狀，性脆。雜質(zhì)Fe和Si均使純鋁的強(qiáng)度略有提高，塑性變差，耐蝕性降低。鋁是一種很活潑的金屬，當(dāng)pH=4.5～8.5之間，鋁處于鈍化區(qū)，也就是在鋁的表面生成一層鈍化膜，使鋁有很好的耐蝕性。當(dāng)pH<4.5為酸性腐蝕區(qū)，pH>8.5為堿性腐蝕區(qū)。一般地說(shuō)，在酸性腐蝕區(qū)以局部腐蝕為主，在堿性介質(zhì)中則以全面腐蝕為主。
在大氣中，應(yīng)該說(shuō)鋁位于鈍化區(qū)，因?yàn)樵阡X的表面生成一層薄薄的氧化膜，它阻礙了活性鋁表面和周?chē)橘|(zhì)相接觸，所以使鋁在大氣中具有很好的耐蝕性。
熱鍍鋁涂層在防蝕中具有三方面的作用：(1)使鋼基與外界腐蝕介質(zhì)隔開(kāi);(2)在海洋大氣中，它可以起著陰極保護(hù)的作用;(3)它的表面可形成一種致密的附著性良好的氧化膜，可防止涂層進(jìn)一步被氧化。鋁是比較活潑的金屬，因此，從鍍槽中剛拉出的鍍鋁鋼板表面，會(huì)立刻形成氧化鋁膜。若用圖表示膜重和時(shí)間的關(guān)系，就可以發(fā)現(xiàn)膜的增重規(guī)律，幾乎是與時(shí)間軸平行的一條直線(xiàn)。由此可見(jiàn)，這種膜防止繼續(xù)氧化的能力相當(dāng)強(qiáng)，氧化膜十分穩(wěn)定，它可起著隔離膜的作用。[3][4]
2 鋅和鋁鍍層在各種介質(zhì)中的耐蝕性
2.1鍍鋅層在不同介質(zhì)中的防蝕性能
(1)在大氣中的耐蝕性，鍍鋅層的壽命，主要取決于厚度和腐蝕環(huán)境。在比較干燥的空氣中，涂層表面最初形成ZnO薄膜。這種薄膜雖然由于受潮而變成氫氧化物，但并不降低防蝕性能。氫氧化鋅和空氣中的二氧化碳反應(yīng)，將形成一層堿性碳酸鋅薄膜，起著隔離層的作用。
美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的A-5委員會(huì)第十四小組，從1926年開(kāi)始，在五個(gè)地區(qū)，試驗(yàn)了鍍鋅瓦壟板的耐蝕性能。鋅在干燥空氣和農(nóng)村大氣中的腐蝕速度約為1um/年;在城市大氣中腐蝕速度約為2-7um/年;在海洋大氣中腐蝕速度約為4-20um/年。
在工業(yè)區(qū)的大氣中含有大量的二氧化硫、硫化氫和二氧化碳等氣體，因此，鍍鋅層的腐蝕速度較高。在海洋地區(qū)的水氣中，含有大量氯離子。溶有氯離子的雨水，能溶解鍍鋅層上的保護(hù)膜，而且氯離子能直接與鋅反應(yīng)，形成可溶性的鋅鹽，使鍍鋅層壽命大大縮短。在田園區(qū)，大氣不受污染，因此鋅層的壽命較長(zhǎng)。
(2)在室內(nèi)空氣中的腐蝕。鍍鋅層在室內(nèi)空氣中暴露的腐蝕量，比在室外的腐蝕量小。在一般情況下，壽命會(huì)延長(zhǎng)五倍以上。但在高溫潮濕的空氣中，會(huì)生成白銹，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)銹孔。白銹主要是堿性碳酸鋅、Zn(OH)2、ZnO或它們的混合物。
(3)在淡水中的耐蝕性。自然界的水含有各種雜質(zhì)，因此，鋅在水中的腐蝕情況是十分復(fù)雜的。鋅在硬水中的腐蝕速度為15μm/年，但在軟水中其腐蝕速度為150μm/年。硬水能在鋅表面形成一層保護(hù)膜，因此減緩了腐蝕速度。軟水由于含有較多的溶解氧和CO2，從而比硬水對(duì)鋅的腐蝕性強(qiáng)。
水溫對(duì)鍍鋅層的腐蝕速度影響很大。例如，把鋅浸入蒸餾水中，當(dāng)水溫達(dá)到52℃時(shí)，鋅的腐蝕速度才開(kāi)始明顯增加;水溫升到70℃時(shí)，腐蝕速度達(dá)到最高值;水溫超過(guò)70℃時(shí)，腐蝕速度開(kāi)始下降。
(4)在海水中的腐蝕。海水中含有許多成分，其中的氯離子和硫酸根離子，是腐蝕鍍鋅層的主要因素。鎂離子和鈣離子因?yàn)槿菀咨呻y溶的鹽，因此能抑制腐蝕。熱鍍鋅鋼板浸泡在海水中的腐蝕速度約12-240μm/年。當(dāng)海水流速達(dá)0.6m/秒時(shí)，腐蝕速度明顯增加。[1][3]
2.2 熱鍍鋁層的耐蝕性、耐熱性及與熱鍍鋅層性能相比的主要優(yōu)點(diǎn)
(1)鍍鋁鋼材具有優(yōu)異的耐大氣腐蝕性，特別耐含有SO2、H2S、NO2、CO2等工業(yè)大氣的腐蝕性。此外還耐海洋大氣和潮濕環(huán)境的腐蝕。鍍鋁鋼耐SO2和H2S的腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鎳鉻鋼。
(2)鍍鋁鋼對(duì)水的耐蝕性也是良好的，普通碳鋼在水中放置時(shí)，很快就銹蝕，鍍鋅鋼不適于在pH值偏低，溫度偏高的水中使用，而鍍鋁鋼顯示出很高的耐蝕性能
(3)我們用自來(lái)水5%NaCl溶液5%Cu2SO4溶液、3%HNO3、3%H2SO4溶液進(jìn)行鍍鋁與鍍鋅件比較試驗(yàn)，在自來(lái)水中，鍍鋅件在3天后就出現(xiàn)30%鋅花蝕斑，8天后基本上都呈黑色蝕斑，而鍍鋁件放數(shù)月后仍無(wú)變化;在5%NaCl水溶液(模擬海水)中鍍鋅件6天后，即全腐蝕出鋅花并有大量黑斑，而鍍鋁件50天后變化仍不大(0.03mg/cm2);在5%CuSO4溶液中，鍍鋅件30分鐘后全部腐蝕，而鍍鋁件長(zhǎng)時(shí)間變化不大; 在3%HNO3中鍍鋅件一個(gè)小時(shí)全腐蝕完，鍍鋁件20多小時(shí)變化仍不大(腐蝕8.5 mg/cm2); 在3%H2SO4溶液中鍍鋅件1小時(shí)內(nèi)即腐蝕完了，鍍鋁件48小時(shí)稍有腐蝕(10mg/cm2)。但是鍍鋁層24小時(shí)抗5%NaOH能力(20mg/cm2)比鍍鋅層小，腐蝕量比鍍鋅層大6倍，不耐強(qiáng)堿。[5]
(4)美一公司比較Ⅰ-型鍍鋁鋼板(鍍鋁層中含7%Si)和熱鍍鋅鋼板的耐大氣腐蝕性能。由數(shù)據(jù)可知，Ⅰ-型鍍鋁鋼板耐大氣腐蝕性能，比熱鍍鋅鋼板好得多。根據(jù)Nicholls[3]的研究結(jié)果表明，在某些環(huán)境中，若鍍鋁鋼板和鍍鋅鋼板的涂層厚度相同，前者的耐蝕性是后者的兩倍。在惡劣的工業(yè)氣氛中，經(jīng)兩年試驗(yàn)，鍍鋁鋼材的腐蝕速率是2.54×10-5米/年，鍍鋅鋼材的腐蝕率5.08×10-5米/年，無(wú)涂層鋼材達(dá)43.1×10-5米/年[3]。美國(guó)鋼鐵公司在1954年于美國(guó)南方，實(shí)驗(yàn)了鍍鋁鋼板用作屋頂板時(shí)的壽命。經(jīng)過(guò)二十三年連續(xù)使用證明，鍍鋁鋼板在工業(yè)大氣、海洋與鄉(xiāng)村環(huán)境中，其耐蝕性約為熱鍍鋅鋼板的5-9倍。
鍍鋁鋼材還具有優(yōu)良的抗硫化物腐蝕特性，鍍鋁鋼材抗硫化物腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比鍍鋅鋼材好。由于上述原因，鍍鋁鋼材特別適用于含硫氣氛的石油開(kāi)采區(qū)、石油煉制廠(chǎng)、工業(yè)區(qū)和溫泉地區(qū)。[2][5]
(5)鍍鋁鋼材具有良好的耐熱性
鍍鋁鋼材在大氣中在450℃以下可長(zhǎng)期使用，且不改變其顏色，在500℃以上開(kāi)始出現(xiàn)氧化增重和變色。
在溫度高達(dá)500℃的環(huán)境中，鍍鋁鋼板具有良好的抗氧性能，可以長(zhǎng)期使用。因此，可以用它代替價(jià)格昂貴的不銹鋼和耐熱鋼使用。在要求耐熱的條件下，常常采用涂層中含硅的Ⅰ-型鍍鋁鋼板。涂層表面的鋁，在高溫下氧化并形成致密的保護(hù)膜，從而防止了氧的滲入。如果保護(hù)膜受到損傷，露出的鋁立刻氧化并形成新的保護(hù)膜。
3 鋼鐵熱鍍鋅和熱鍍鋁產(chǎn)品的應(yīng)用簡(jiǎn)介
在各行各業(yè)中凡是使用鋼鐵元件的產(chǎn)品，幾乎都存在熱鍍鋅和熱鍍鋁件。從大的領(lǐng)域分，即是熱浸鍍鋅或鋁的鋼板、鋼管、型鋼和鋼絲等。[2][6]
3.1熱浸鋁和鋅的鋼板
(1)用于汽車(chē)行業(yè)的熱鍍鋅板，熱鍍鋁板和熱浸鍍鋁鋅硅合金板，及彩色涂層用熱浸鍍板.
(2)工業(yè)、民用建筑用熱鍍鋅板。如熱鍍鋅電纜橋架和屋沿排水裝置.
(3)家電用熱鍍鋅板：烘箱、冰箱、洗衣機(jī)殼等。
(4)交通運(yùn)輔用：熱鍍鋅護(hù)欄板，熱鍍鋁護(hù)欄板。
3.2熱浸鍍鋅和鋁的鋼管
(1)化工設(shè)備(含硫成分)制造用管.(2)石油鉆探和加工工業(yè)，海洋石油工業(yè).(3)水力工程建筑輸水管。(4)護(hù)欄管樁。(5) 海洋運(yùn)輸船只用管。(6)煤氣管、污水管、自來(lái)水管。(7)建筑施工腳手管架。(8)電線(xiàn)導(dǎo)管。(9)路燈和柱.
3.3熱浸鍍鋅和鋁型鋼
(1)輸電鐵塔用角鋼和型鋼。(2)海洋石油鉆架型鋼。(3)鐵路用各種型鋼，信號(hào)燈架，連接件等。(4)船用各種型鋼。(5)戶(hù)外通訊設(shè)施，無(wú)線(xiàn)電發(fā)射及接收架。
3.4熱浸鍍鋅和鋁的鋼絲
(1)網(wǎng)用鋼絲。(2)電工用鋼絲。(3)汽車(chē)輪胎用加強(qiáng)鋼絲。(4)鋼繩用鋼絲。(5)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)用鋼絲(6)紡織工業(yè)用鋼絲(7)船用鋼絲。
3.5用于耐熱和耐磨的熱浸鍍鋁鋼件：
由于存在耐熱、耐磨和耐海水腐蝕等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用領(lǐng)域除上述外還有更多。
(1)冶金工業(yè)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐吹氧管，加熱爐爐條，輸送帶鏈條、馬弗罐、退火罩、滲碳罐、爐底扳、爐門(mén)。
(2)工業(yè)和民用熱交換器、烤火爐、蒸汽取暖器、炒菜鐵鍋外鍍鋁。
(3)汽車(chē)用消聲器、尾氣排氣管、凈化器。
(4)石油鉆桿。
(5)海邊鋼鐵架、海水管道、海水養(yǎng)殖管樁。
參考文獻(xiàn)
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