工业化粉末渗锌技术研究现状及应用.doc

工业化粉末渗锌技术研究现状及应用（完整版）
(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑欢迎下载）
工业化粉末渗锌技术研究现状及应用

工业化粉末渗锌技术研究现状及应用
2021年04月23日
工业化粉末渗锌技术研究现状及应用
杨新岐
(天津大学材料科学与工程学院，天津，300072)
摘要：粉末渗锌是一种固态多元热扩散涂层加工技术，它是利用加热状态下将锌(Zn)及合金元素扩散进入钢铁构件表面制备Zn-Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。粉末渗锌涂层与钢铁基体的结合强度很高，具有优异抗高温氧化性、耐腐蚀性和抗磨损与抗冲击等特性，极大地提高金属构件的使用性能，在钢铁材料防腐工程领域具有广泛应用前景。本文详细分析综述了工业化粉末渗锌技术原理、工艺特点、研究现状、评定规范及市场发展前景，为在钢铁结构防腐工程领域广泛应用这种先进的防腐蚀技术提供重要依据。关键词：钢铁构件；粉末渗锌；热扩散涂层；防腐工程
1、引言
钢铁材料腐蚀是当今世界面临的迫切需要解决的问题。腐蚀不仅消耗了人类生活中不可缺少的自然资源，而且严重破坏了自然环境、工业生产及人类生活等许多活动的正常运行，腐蚀造成的巨大经济损失和严重环境污染，已成为影响现代社会和经济可持续发展的重要因素之一[1,2,3]。据统计，全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失约在7000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍；每年世界钢材腐蚀损失占钢材总产量的10%以上，工业发达国家腐蚀造成的经济损失占国民经济总产值(GDP)的2%~4%以上[3]；在全世界范围内，每90秒内就有1吨钢铁材料转变为铁锈，其中在钢铁材料制造的2吨结构中，就有1吨被铁锈所取代。在我国腐蚀造成的经济损失更为严重，2003年中国工程院的调查表明[3]，每年我国为腐蚀支付的直接与间接费用总和可达5000亿人民币，约占GDP的5%以上。因此，研究开发先进的防腐蚀技术，以减少腐蚀造成的经济损失、延长钢铁材料和设备的使用寿命，对促进先进技术、尖端科学和国防工业的发展、以及国民经济的可持续发展具有极为重要意义[1,2,3]。
在过去长期研究中已开发了许多工业化表面防腐蚀处理工艺，如热浸镀锌或铝等涂层、锌及铝等扩散涂层、电镀锌及其合金涂层和化学转化涂层等防腐蚀技术[1,2,3]。由于金属锌具有耐腐蚀性好、附着强度高、熔点低、易于涂覆及阴极保护作用等特点，因而锌是钢铁构件中应用最广泛的防腐材料[3-6]。据统计，世界上锌总产量的70%用于镀锌工艺，在我国约65%的锌产量用于镀锌防腐工程[4]。目前已开发了多种锌防腐涂层：如电镀锌(离子镀或离子注入等)、冷镀锌(机械镀、化学镀、涂刷镀等)及热镀锌涂层等[5,6]。与上述涂层加工工艺比较，粉末渗锌具有独特的优势：如工艺过程简单、节省原料及不污染环境等。粉末渗锌涂层与基体的结合强度很高，具有优异抗高温氧化性、耐腐蚀性和抗磨损与抗冲击等特性，极大地提高金属构件的使用性能，因而在钢铁材料防腐工程领域具有极为广泛应用前景[7-12,15]。
本文对工业化粉末渗锌技术原理、工艺特点、研究现状及应用领域进行了详细综述，为在钢铁结构制造工程领域广泛应用这种先进的防腐蚀技术提供重要依据。
2、工业化粉末渗锌技术原理及工艺特点
2．1技术原理
固态多元共渗表面强化技术是利用加热状态下金属原子的渗透扩散作用，将一种或多种金属元素渗入到金属工件表面形成一种合金防护层的一类化学热处理工艺[5,6]，2021年出版的美国ASTM标准将这种工艺形成的防护涂层称为热扩散涂层(Thermo-DiffusionCoatings—TDC)[14]。通过热扩散涂层处理工艺可以明显改善金属材料表面耐腐蚀、耐磨损、抗氧化及抗冲击等使用性能，有效扩大金属材料的应用范围。因此多元热扩散表面改性及强化技术是机械制造领域最重要的热加工工艺和方法之一[2,5,6]。
粉末渗锌就是一种具体的热扩散表面强化技术，它是利用加热状态下将锌元素扩散进入钢铁构件表面制备Zn-Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。粉末渗锌涂层可以有效改善和提高钢铁构件表面的抗腐蚀、抗表面氧化及耐磨损性能[5,6]。
粉末渗锌热扩散涂层主要由下列相组成：分布在基体金属与扩散层边界区的a相(Zn在Fe中的固溶体，其中溶解度为4.5%，a相为体心立方晶格)、直接在钢基体上以很窄带存在的Gamma(g)相、均匀的柱状Delta(d)相和外层Zeta(z)相。其中内层g相是含21%-28的Fe/Zn合金(Fe3Zn10)、d相为含Fe8.5%-13%的Fe/Zn合金(Fe11Zn40)和外层z相Fe/Zn合金(FnZn7)，d相具有较高的显微硬度，塑性也较好。一般d相厚度占镀层总厚的80%，其中含Fe量由里到外、从高到低逐渐变化，涂层较厚时最外层含Fe约为3%-5%，外层表