热浸镀概述热浸镀是一种常用的防止钢件腐蚀技术，所谓热浸镀就是将一种基体金属浸在熔融状态的另一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属保护膜的方法。

常用的热浸镀层种类有镀锌和镀铝两种。

1 热浸镀镀层的形成及结构以镀锌为例，热浸镀时，钢铁表面与锌液发生一系列复杂的物理化学过程，诸如锌液对钢基体表面的浸润、铁的溶解、铁原子与锌原子之间的化学反应与相互扩散。

其中由铁与锌结合形成的铁-锌合金层(即金属间化合物)的过程最为重要。

这些在同一系统中成分都均匀的部分称作“相”。

这些均匀的物质为液态时称做溶液(用L表示)；为固态时存在三种形式，即固溶体、金属间化合物和机械混合物。

1.1 铁-锌二元合金状态图合金状态图是根据合金的冷却曲线绘制而成的，它不考虑时间因素，即在足够的时间内达到相的平衡，它表示合金成分任意的浓度，处于任意的温度下，保持着平衡状态时的每个相的种类和相之间比量关系。

因为它表示着不同相的平衡关系，所以也可以称作平衡图或相图。

图1(a)所示为2002年版本的铁-锌二元合金状态图，由图中可以看出，从钢基体(ɑ-Fe)起，按锌浓度增加的方向(从左向右)，在782℃以下随着温度的降低，形成Fe-Zn 合金依次为：Г1、Г2、δ、ζ相。

(a)铁-锌二元合金状态图(b)富锌端放大图图1 铁-锌二元合金状态图及富锌图放大图镀层各合金相的排列顺序为：Г1、Г2、δ、ζ、η。

表层的η相是镀件从锌液中提出时，附着在ζ 相上的纯锌层(含Fe量极微的固溶体)。

传统理论认为(Г1 +Г2)是一个薄层相，当浸镀时间较短时通常不会形成Г相。

δ相呈柱状形态，是垂直于基体或Г相界面，成栅栏状，故又称栅栏层。

ζ相位于δ相与纯锌层η相之间，它呈柱状或针束状，但没有δ相那么致密，在热浸镀锌过程中，随着时间的延长ζ结晶会部分地从合金层上脱落下来，并漂于锌液中，故被称为漂移层；在液态锌中这些ζ晶粒由于密度大于纯锌(液态锌)而沉于锌锅底部，称为底渣，漂浮于锌液中的称为浮渣，统称为锌渣。

表层η相层的形成几乎与Fe-Zn状态图无关，只是随着冷却而凝固于δ相或ζ相层上，通常称为纯锌层。

在热浸镀锌理论中，认为还存在一个仅靠钢基体的相层—α相(认为它是锌在α-Fe中的固溶体)，它被称为“尚未明了的极薄的相层”，而且它与钢基体(α-Fe)同时为体心立方晶格，所以在显微组织中看不到α相的存在。

这一问题始终存在争议，从Fe-Zn二元合金状态图看出，在200℃时，锌在α-Fe的溶解量仅为<1%，在室温下已经接近为零。

α相在相图上也消失了，取而代之的是γ-Fe和α-Fe，可以认为：α相并不存在。

1.2 铁-锌二元合金系中各相的结晶过程热浸镀锌层包括靠近钢基体的Fe-Zn合金层及表层的纯锌层两部分。

重点是铁和锌形成的金属间化合物的过程。

图1(b)即铁-锌二元合金状态图的富锌端部分的局部图。

按照金属学的定义，金属间化合物是由金属组成的化合物，其晶体结构不同于组成它的金属，它包括金属间相及有序合金。

金属间化合物是具有特定成分的一种新的晶体，特定的成分是指金属间相互为简单的比例，也就是以原子量的整数比值而组成，它们大多数为脆性相，可能是由于缺乏能产生滑移的晶面的缘故。

此外，还存在易形成裂纹的结构特征。

下面是铁-锌金属间化合物的形成过程。

(1)Г1相(Fe3Zn10)从782℃开始，由锌液(L)和α-Fe相包晶反应生成，即L+α-Fe→Г1 (1-1) 它直接附在α-Fe上，Г1相为体心立方晶格，并在高锌侧形成Г1 +L，即L+α-Fe→Г1 +L (1-2)(2)相(FeZn8)从665℃开始，由锌液(L)和Г1相包晶反应生成，即L+Г1→δ (1-3) δ相附在Г1相上，为六方晶格，并在高锌侧形成δ+L，在低锌侧形成固态Г1+δ机械混合物。

(3)Г2相(Fe5Zn21)从550℃开始，由Г1相和δ相的包析反应产生，即Г1+δ→Г2(1-4)(4) ζ相(Fe-Zn13)从530℃开始，由锌液(L)和δ相的包晶反应生成，即L+δ→ζ (1-5)它附在δ相上，ζ相为单斜晶格。

它的结晶浓度范围很窄，反应速度很快，呈针状疏松结晶，ζ属脆性相，这也和它的晶体结构有关。

η相是在419.4℃(即共晶点)由锌液(共晶成分为0.02%Fe)的共晶反应生产出成。

η相附在ζ相上，η相为密排六方晶格，与纯锌完全相同，有较好的塑性，习惯称为纯锌层，室温下η相的Fe含量仅为0.003%，严格来讲，它是由η相与少量的ζ相组成的机械混合物。

1.3 在浸镀的受热过程中合金相的形成1.3.1 ζ相的形成实验表明，当把铁片浸入锌液中停留数秒钟取出后会发现铁片表面形成松散的锌层即ζ+η相。

实验表明，ζ相的形成始于钢铁基体表面铁素体的晶界上。

从相图上可以看出，当铁锌界面的温度升高时，铁在锌中的饱和浓度反而降低，这明显有助于ζ相晶核的生成。

由于ζ相的浓度范围很窄，ζ相成长初始较快，随后减慢。

从新相的生成自由能来分析，ζ相和Zn的晶体结构更为接近，而且生成热最高，故首先生成ζ相符合热力学的基本原理。

ζ相以松散带状结晶出现，此过程用示意图加以描述，见图2及图3，即普通热浸镀锌和连续热浸镀锌的铁-锌合金层形成过程。

二者的重要区别是后者的相层结构中没有ζ相和Г2相。

1.3.2 δ相的形成研究发现，由于ζ相存在的浓度范围极小(Fe量的波动仅0.2%~0.5%)，该相层的成分高度均匀，会对Fe与Zn的扩散起一定阻碍作用，锌通过ζ相层向铁的扩散受阻，加快ζ相层与α-Fe之间区域内铁浓度提高，从而促进高铁的δ相晶核的生成，并逐渐形成δ相层(见图3)。

初始δ相长大很慢，随后变快。

由于δ相的浓度范围比ζ相大得多，而且由于δ相可以从铁基体源源不断地得到铁原子，并从ζ相一侧获取锌原子，所以随着浸镀时间延长，δ相层不断增厚。

δ相长大是以垂直于α-Fe 表面以柱状结晶成长，此过程在受热过程中不会终止，并不停地侵蚀铁基体(形成厚度比例约为10：1，即浸蚀1份铁可形成10 份厚度的δ相层)。

在受热过程中不会形成Г1相和Г2相，这一客观事实可从锌锅内壁取下的合金层断面得以证明。

根据相图的浓度曲线，也可得出相同的结论：在铁锌界面上随温度的增高，Г1相和Г2相的铁在锌中的饱和度明显增加，与ζ相情况相反。

所以，从相变动力学角度分析，在加热过程中不具备形成Г2相及Г1相晶核的条件。

如果浸镀时间很短(如连续热浸镀锌)没有δ相生成，仅存在少量的ζ相颗粒，冷却后与η相形成共晶体。

图2 普通热浸镀锌Fe-Zn 合金层形成过程示意图图3 连续热浸镀锌Fe-Zn合金层形成过程示意图1.3.3 ζ相的溶解如上所述，δ相垂直与α-Fe 表明不断长大的同时，ζ相将被推向远离铁基的位置，此时ζ相的铁原子\锌原子的比值下降，当超过ζ相存在的浓度范围时，会有ζ 相晶体以锌渣的形式溶于锌液中，形成“漂移层”。

ζ相难以形成稳定的相。

2 热浸镀宏观防蚀原理镀浴对合金铸铁的腐蚀主要是通过Fe，Al，Zn，Si的相互扩散，形成相应的化合物而逐渐腐蚀锅体材料。

合金铸铁经侵蚀形成的化合物具有阻碍扩散反应进行的作用。

合金铸铁的碳含量很高，经过一段时间腐蚀后形成扩散层，碳也同时从基体中析出扩散层的前沿，但不能越过扩散层而是富集在Al扩散方向的前沿。

Al是非碳化合物形成元素，碳在合金铸铁表面富集，Al向基体扩散要越过碳的障碍，使得Al同Fe原子结合发生困难，阻碍了渡浴原子对合金铸铁的腐蚀。

图4和图5比较可以看出，镀层的含碳量低。

而合金铸铁前沿含碳量很高，说明碳无法越过合金层。

仅仅存在碳还不足以抵挡渡浴对基体的腐蚀。

Si，Cr元素也同时富集到合金铸铁表面也对阻止铝向基体的扩散起到了良好的作用。

图4 镀层表面的特征X射线能谱图图5 腐蚀20小时后基体表面特征X射线能谱图3 热浸镀影响因素热浸镀过程中，影响耐蚀效果的有很多因素，其中，合金液的流动性及对钢基的润湿性直接决定着镀层的附着强度和表面质量。

合金对被渡钢基的润湿性，以及二者之间原子扩散形成的金属间化合物层，直接决定着镀层的附着强度。

在合理控制金属间化合物的前提下，改善合金对钢基的润湿性可增大镀层的附着强度。

影响润湿性的本质因素是：钢基、合金液表面能与相间边缘表面能的关系；钢基的表面状态；合金液成分等。

合金的流动性对镀层表面光洁程度有着直接的影响，也对感应熔沟电磁力驱使热浸镀坩埚内的熔体交换能力有明显的影响合金成分的变化是对其流动性影响的主要因素。

下面介绍几种对热浸镀影响较大的元素硅的影响：钢中硅堆合金化反应的影响很大，尤其是铁—锌合金化反应，大多数钢中均含硅。

硅在α-Fe 中的溶解度为15%(质量分数)。

在钢中的诸多元素中，唯有硅与铁构成无序固溶体时，在铁的原子位置上有13%~23%的空位(或称缺位)，这一点对热浸镀过程非常重要。

研究发现，在原子稠密排列的金属中(如α-Fe)自扩散时借助于缺位的原子位移起到了主要作用。

如上所述，由于硅的存在，造成的较多铁原子“空位”现象，对液态锌原子的“浸入”钢表面和铁原子的自扩散并溶于锌液中，提供了极好的机会。

随着钢中硅含量的增加，浸渍温度越高，铁损越大。

当钢中硅含量较高时，随着浸渍时间的延长，铁损呈直线上升；而钢中硅含量较低时，随着浸渍时间的延长，铁损缓慢上升，增加到一定数值后就趋于稳定。

同时还可发现，当碳含量增加时，硅的影响增大。

同时，硅对热浸镀锌层厚度及表面状态也有影响。

含硅钢在热浸镀锌时，在某一温度范围内(通常认定为440~470℃)，形成的合金层厚度随钢中的硅含量的增加呈现波浪形变化，称为圣德林效应。

铁的影响：铁是锌液中有害且不可避免的杂质。

在420 ℃温度下，铁在锌中的溶解度约为0.02%，随着温度升高，溶解度增加。

超过溶解度的那一部分铁会以锌-铁合金的漂移相ζ(FeZn13)存在，绝大部分沉于锅底形成底渣。

在浸镀过程中，始终存在锌液对波动会使铁从锌液中析出，呈细小的颗粒漂在锌液中。

此外，当在锌液中加铝时，铁和铝反应生产铁-铝金属间化合物，其密度较小，会漂浮在锌液面上形成浮渣。

锌液中铁的存在明显增大锌液的黏度和表面张力，降低锌液的流动性和对钢的浸润性，这会影响镀层的外观质量，出现锌瘤和堆积，使锌的挠性变差，并增加锌耗。

锌液中的含铁量对铁-锌反应基本没有影响。

铁锅中含铁量较高时，产品表面会使镀层粗糙发暗，耐蚀性随之降低，因此生产中应严格控制锌锅中的铁含量，通常应保证≤0.07%(在锌锅深度的中部位置取样)。

碳的影响：热浸镀锌所用的钢大部分是低碳钢，含碳量在0.05%~0.25%之间，只有钢丝、钢缆才用含碳量较高的钢制成。

笼统地说，含碳量增加在浸镀过程中，会加剧铁锌之间的合金化反应，铁损失加大，铁-锌合金层也越厚，会使镀层变脆，塑性降低。