第一节热镀锌基础知识一、热镀锌带钢的性能热镀锌带钢是锌与冷轧钢板结合的复合材料，其兼有锌层的防腐性能和冷轧钢板的机械性能，可以大幅度提高冷轧钢板的使用寿命，是节能型经济钢材之一，广泛用于建筑、汽车、电器、容器、交通、能源、农业等行业。

除了防腐性能和机械性能的要求外，由于镀锌带钢一般要加工成制品或零件后再使用，因此对镀锌板还有锌层粘附性、焊接性能、涂漆性能、装饰性能等要求。

表8-1示出了不同行业对镀锌板的性能要求。

表8-1 不同行业对镀锌板的性能要求指锌层与带钢的结合强度，通常以钢板的弯曲半径的倍数来衡量，0a为最好。

镀锌带钢在使用过程中要经过开卷、剪切、折边或冷弯成形或冲压成形等工序，因此要求镀锌带钢要有足够的锌层附着力，保证在加工过程中锌层不脱落。

由于镀锌板的加工变形条件不同，对其锌层附着力也不尽相同，复杂的深冲成形对锌层附着力的要求最高。

1.2镀锌带钢的机械性能指带钢的强度与韧性，通常以屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度、n值、r值等表示。

根据镀锌板的加工变形条件及最终用途，对其机械性能的要求也不尽相同。

镀锌板的品种按机械性能可分为CQ、DQ、DDQ、SS、FH、DP、TRIP等。

1.3防腐性能（分短期防腐性能和长期防腐性能）短期防腐性能指在线采用钝化、涂油、钝化+涂油等表面处理方式，保证镀锌带钢在包装后到用户使用前不发生白锈、黑斑的能力。

长期防腐性指镀锌板在使用过程中不发生红锈的时间，也称镀锌板的使用寿命。

1.4涂漆性能指镀锌板适应不同涂漆工艺保证涂漆质量的能力。

1.5装饰性能装饰性能主要指锌花的尺寸和形状，从广义上讲也包括无缺陷的表面质量。

1.6焊接性能指焊接成功率、焊接电流、电极的打点次数等。

二、带钢热镀锌的工艺方法自从1836年法国把热镀锌应用于工业以来，已开发了惠林法、森吉米尔法、改良森吉米尔法、美钢联法、赛拉斯法、莎伦法。

目前主要以改良森吉米尔法和美钢联法为主。

其工艺流程为：（清洗）→明火加热→辐射管加热→保护气冷却（1）原板准备→镀前处理→清洗→辐射管加热→保护气冷却（2）→热浸镀→镀后处理（含冷却→光整→拉矫→钝化→涂油等）→成品检验(1)为改良森吉米尔法，（2）为美钢联法。

改良森吉米尔法是由森吉米尔法发展而来，其主要特点是，把森吉米尔法中各自独立的氧化炉和还原炉，由一个截面积较小的过道连接起来。

与森吉米尔法相比，改良森吉米尔法工艺中，带钢出明火段的氧化膜薄，易还原，锌层粘附性好，还原炉中的氢气含量低，安全性高。

美钢联法是采用全辐射管加热，在炉前有清洗段，优点是表面质量更好，带钢受热更均匀，缺点是炉子热效率低，炉子较长，生产成本与机组投资都较高。

三、镀锌层的防护原理1、镀锌板的防护原理镀锌层以覆盖保护和牺牲阳极保护两种方式保护钢基。

覆盖保护指镀锌层覆盖在钢板表面，首先与腐蚀介质接触，在镀锌层被腐蚀掉前，基体钢材不会发生腐蚀失效的保护方式。

牺牲阳极保护是指铁，当锌层钢基同时暴露在腐蚀环境中时，锌与铁可形成原电池，锌由于电极电位（-0.762V）低于铁(-0.439V)而成为原电池中的阳极首先被腐蚀，从而保护了钢基，见图8-1。

图8-1锌对铁的牺牲阳极保护作用2、镀锌板使用寿命的影响因素2.1锌层化学成份的影响在锌中加入铝、镁、镍、锰、铁等可提高镀锌层的耐腐蚀性，如Zn5%Al的耐蚀性是纯锌的2~3倍，Zn55%Al1.6%Si的耐蚀性是纯锌的2~6倍，Zn10%Fe的耐蚀性是纯锌的2~4倍，Zn10%Ni的耐蚀性是纯锌的2倍以上。

而在锌中加入铅、镉等元素，则会在一定程度上降低锌层的耐蚀性，见表8-2。

表8-2 不同成份镀锌层的腐蚀损失2.2锌层重量的影响当腐蚀时间足够长时，锌层的腐蚀速度是恒定的，因此锌层的使用寿命与锌层重量基本呈线性关系。

2.3腐蚀环境的影响热镀锌板的使用寿命与镀层及其所处的环境有关，通过对热镀锌板进行的大气腐蚀试验，便可证实这一点，见表8-3。

表8-3 热镀锌板的大气腐蚀状况为了对大气腐蚀性进行分类，国际标准化委员会尝试用年平均温度、潮湿时间、二氧化硫浓度、氯离子浓度等来评价大气腐蚀性，相关的大气腐蚀研究机构正在尝试建立根据大气腐蚀性来预测材料使用寿命的方法。

四、锌层粘附性的理论1、钢基与锌液反应对粘附性的影响研究锌与带钢之间的反应及其对锌层粘附性的反应，一般采用相图分析法。

图是传统热镀锌工艺常用的铁-锌相图。

图8-2 锌-铁相图通过该相图可以发现，带钢与锌液反应后，可能出现5种成份与性质各不相同的铁-锌相。

然而，铁-锌相的塑性不能满足镀锌板深加工对锌层粘附性的要求，于是，在锌液中加入了少量的铝，并研究了加铝的效果。

图8-3 热镀锌锌层形成示意图A-镀层外表氧化膜；B-纯锌层；C-铁-锌合金层；D- Fe 2Al 5中间层；E-钢基；F-带钢温度变化曲线；1~6-镀锌层形成的步骤如图所示，在含铝锌液中，带钢表面发生的反应过程可能由如下过程组成：（1）带钢表面的氧化铁皮，经还原炉被还原为海绵状纯铁，其表面已处于活化状态。

并且经退火炉的冷却已把带钢冷却到所要求的入锌锅温度，例如480℃。

（2）带钢浸入锌液中，有两个过程同时发生，一是带钢的热量传递给锌液，同时导致自身温度下降，并基本与锌液温度保持平衡，例如460℃；二是Fe 2Al 5中间层开始形成，并达到一定的厚度。

通过电化学分离法、电子射线显微分析法、扫描电子显微镜法和离子质谱分析法等，证实了合金层的组成为Fe 2Al 5Zn x ，也就是说在热镀锌过程中发生了如下的反应。

x TZn Al Fe xZn Al Fe 5252−→−++通过分析合金层中的铝含量，表明该反应是快速反应。

图8-4 合金层中铝含量与反应时间的关系（460℃，铝含量0.18%）（3）带钢离开锌锅，其表面带出的液态锌开始冷却，并一直冷却到锌的凝固点419℃，在锌液凝固前，由于液体锌的活性较大，可能会发生铁-锌反应，然而钢基与锌液间的Fe2Al5对Zn-Fe反应有抑制作用，因此Fe2Al5合金层又称抑制层。

Fe2Al5的抑制作用如图8-6所示。

图8-5 铝含量、锌液温度和生成合金抑制时间的关系因此，在现代热镀锌工艺条件下，图中的铁-锌相是不会出现的。

（4）液态锌的凝固和结晶，并在表面形成一层致密的氧化膜。

（5）固态锌的冷却。

目前，对含铝锌液与带钢间反应的研究基本可以得出较为统一的结论，即控制工艺参数在铁-铝-锌三元相图的l+η区，即可以保证好的锌层粘附性。

图8-6 Zn-Al-Fe二维相图富锌角图8-7 Zn-Al-Fe三维相图富锌角对不同铝含量条件下对生产镀锌板，进行了镀层的微观形貌分析，当铝含量大于0.15%时，合金层薄且致密完整，锌层粘附性达到最佳，如图a所示。

图b示出了鞍钢镀锌板的微观形貌（铝含量控制在0.18%~0.22%），其镀层由极薄且完整的合金层和锌的铸态组织组成，锌层的粘附性达到了最佳。

*通过研究锌-铝相图，可以了解锌Zn5%Al的熔点比纯锌低的原因，可以分析Zn55%Al镀层中的相组成。

图8-9 锌-铝相图2、炉内化学反应对锌层粘附性的影响炉内化学反应决定了带钢的表面状态，而带钢表面是否有氧化铁直接影响钢基与锌液的反应，因此炉内化学反应对锌层的粘附性影响很大。

在改良森吉米尔法生产线中，有明火段和保护气体段，所涉及的化学反应有：Fe(s) + CO2(g) ==== FeO(s) + CO(g) （1）Fe(s) + H2O(g) ==== FeO(s) + H2(g) （2）Fe(s) + O2(g) ==== FeO(s) （3）在明火加热段，涉及的化学反应是（1）、（2）、（3），在保护气体段，涉及的反应是（2）、（3）。

上述反应的平衡条件可以通过热力学计算来求得，计算所需的各种数据可以在相关的手册中查到。

上述反应在实际生产中都可以看做是快速反应，因此不必考虑工艺速度、浓度等对反应程度的影响。

在明火加热段，在炉气温度为1200℃时，当H2O/H2≤0.79、CO2/CO≤0.32时，带钢处于还原状态，反之，带钢处于氧化状态。

要想使带钢处于还原状态，在使用焦炉煤气做为燃料时，必须保证空气过剩系数小于0.6，但这时燃料的利用率极低，很不经济，因此一般控制空气过剩系数在0.85~1.05，使带钢在明火段快速加热，生成的少量氧化膜在保护气体段进行还原。

在保护气体段，反应（2）的平衡条件随着温度的降低而变得苛刻，当气体温度为100℃时，只有H2O/H2＜0.014时，才能使带钢处于还原状态，当H2为20%时，H2O必须小于0.28%，也就是露点必须小于-10℃。

在实际生产中，H2除了与H2O建立平衡，保持还原性气氛，还要还原带钢在明火段生成的氧化膜，因此或增加H2含量，或降低露点，如H2O必须小于0.28%，控制露点小于-20℃。

当炉气中有微量O2存在时，带钢就会被氧化，因此要尽可能地限制O2含量。

3、钢基中各元素对热镀锌的影响3.1碳的影响钢中含碳量对热镀锌有显著的影响。

粗略的讲，含碳量越高，铁-锌反应就越剧烈，铁的重量损失越大，见图，钢基参加反应越剧烈，即铁-锌合金层变得越厚使镀锌层粘附性变坏。

因此，适合热镀锌的原板应是含碳量在0.05~0.15%之间的低碳钢板。

不但含碳量对热镀锌影响很大，而且碳以什么状态存在也很重要。

在钢中通常以铁碳化合物（Fe3C）的状态存在，钢中碳的不同存在状态对铁-锌反应具有不同的影响，见表8-3。

表8-3 碳在不同存在状态对热镀的影响由表可看出，钢中的碳以颗粒状珠光体和层状珠光体存在时，不管在酸中还是在锌液中铁的溶解速度都最快。

实验证明，当阿姆柯纯铁的铁损失量为70g/m2·h时，含碳量为0.8%的粒状珠光体钢，在同样条件下，铁的损失量可达700g/m2·h，时纯铁的十倍，如相同含量的碳不以粒状珠光体存在，而以扩散得很均匀的索氏体或屈氏体组织存在，则溶解速度的增加就不那样显著。

3.2硅的影响钢基中硅含量较高会给热镀锌带来困难。

在用纯锌液镀锌时，镀层厚度随着硅含量增高而呈波浪式变化的现象，称为“圣德林效应”，见图8-10。

图8-10 硅含量对镀层厚度的影响a-锌液温度430℃；b-锌液温度460℃；1-浸锌时间3分钟；2-浸锌时间9分钟。

随着镀层厚度的增加，镀锌层中铁-锌合金层ζ相剧烈增厚，形成灰色镀层，而使镀锌层粘度性变坏。

硅除了对合金层有影响外，在改良森吉米尔法生产线中，钢基中的硅会与明火段中的烟气作用，在钢基表面富集并氧化：Si + O2 （或CO2或H2O）= SiO2Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe钢板表面已生成的二氧化硅难以被辐射管段的氢气还原，使得锌层粘附性变差，甚至镀不上锌。

因此，必须严格限制钢中的硅含量。