工业化粉末渗锌技术发展现状

传统粉末渗锌原理是1904年由英国冶金学家Sherard Cowper-Coles首先提出的，之后前苏联学者对此进行了深入研究并获得许多专利成果。1940年在欧洲的一些国家得到推广并实现了工业化生产，1970年后在欧洲的工业发达国家得到普遍推广应用，如英国、德国、法国及荷兰等均制定了有关粉末渗锌的标准，英国BS4921-1973《钢铁粉末渗锌》标准最早得到国际标准化组织(ISO)的认可，1988年该标准修订为BS4921-1988《钢铁粉末渗锌》，2003年欧洲标准化委员会(CEN)提出适合整个欧洲共同体的最新标准EN 13811：2003《铁制品的锌扩散涂层》，2008年美国出版了ASTM标准A1059/A1059 M - 2008《钢铁紧固件、五金器具和其他产品的锌合金热扩散涂层》。粉末渗锌工艺作为钢铁材料的一种有效防腐技术目前在欧洲及工业发达国家获得广泛应用，英国每年有几万吨各类钢铁零件采用粉末渗锌工艺进行处理，如英国Bodycote Metal Technology Group是全世界最大的从事金属热处理加工企业[18,19]，其粉末渗锌产品广泛应用于许多工业防腐领域，在美国、日本、加拿大、荷兰及德国等国家都采用了大量的粉末渗锌钢铁材料构件。

我国武汉材料保护研究所于20世纪60年代就开展了粉末渗锌工艺的研究；北京有色冶金设计研究总院于1984年对粉末渗锌工艺进行探索性试验研究，1986-1988年实现了工业化生产，开发出粉末渗锌成套设备和粉末渗锌产品等有关国家专利，为在国内全面推广这项新工艺提供技术基础。1991年正式颁布了JB/T 5067-1991《钢铁制件粉末机械镀渗锌》国家机械行业标准，1999年该标准修订为JB/T 5067-1999《钢铁制件粉末渗锌》。这标志着国内粉末渗锌防腐技术进入工业化的应用阶段。目前粉末渗锌防腐涂层具有的优异长效耐腐蚀性能已获的工程界的普遍认可，并在交通(地铁工程、高速铁路)、电力、化工、电信等防腐领域获得广泛应用，2006年国家铁道部已将粉末渗锌工艺作为铁路钢支座和连接件的规定防腐蚀处理方法编入有关设计标准中。粉末渗锌作为钢铁防腐领域一种有效表面防护方法、在工程应用中发挥越来越重要作用。

传统粉末渗锌原理属于公开技术，其一般过程可以在许多专著文献或手册中找到，为了进行工业化的粉末渗锌加工，国内外已研究开发出许多改进的适合工业化加工的粉末渗锌处理工艺。1993年以色列人Isaak Shtikan发明的Distek粉末渗锌工艺(WO 98/41346)在全世界范围内申请了专利保护，采用这种工艺不仅能获得传统粉末渗锌的灰色涂层，而且能直接加工出具有不同外观颜色的涂层，其涂层硬度及耐腐蚀性明显高于原来工艺，目前DisTek工艺已推广应用到美国、英国、挪威、比利时、俄罗斯、南非及日本等许多国家。1993年国内北京有色冶金设计研究总院提出的“粉镀(渗)锌方法及装置”是目前国内应用最广泛的粉末渗锌加工技术，目前随着该专利权终止(2005-12-14)已成为公开技术。

在20世纪90年代后期国内许多单位对真空粉末渗锌工艺和设备进行了研究[12]，其特征是将渗锌容器抽真空进行粉末渗锌热处理，如1997年冶金部洛阳耐火材料研究院申请的“一种真空渗锌炉”(目前该专利权终止2000-12-6)等。实际上早在20世纪60年代前苏联已进行过真空条件下的粉末渗锌工艺研究[5,6]，但由于真空热处理设备成本高及操作复杂等、并没有在工业生产获得应用，而后来国内提出的真空粉末渗锌工艺在实际生产中存在同样问题。由于只能在渗锌密封容器滚动加热前进行抽真空处理，滚动加热过程中很难保证高温下密封容器内的真空状态，因此目前所谓的真空粉末渗锌工艺只能在实验室条件下严格完成，在工业化生产中很难严格实现该工艺过程。

机械滚动摩擦、冲击有助于固体粉末热扩散过程、并能有效降低扩散温度，基于此原理2001年山东大学提出了“机械能助渗金属表面改性技术”，将滚动粉末渗锌工艺拓宽到渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗工艺，但目前尚未见到工业化生产过程。2004年以色列Greencote公司又提出了锌/铝复合涂层加工技术(WO2004/050942-A1)，这种改进的粉末渗锌工艺采用锌铝复合粉末制备热扩散涂层，非常适合各种紧固螺栓及连接件防腐处理。2005年天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司申请的“一种纳米复合粉末渗锌加工方法”(目前该专利已授权2006-4-4)[16,17]。纳米复合粉末渗锌是通过在传统的粉末渗剂中添加纳米活化剂方式来改善粉末渗锌工艺，可以获得硬度较高、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能及力学等综合性能更为优异的渗锌涂层。

传统粉末渗锌工艺由于采用燃气或电加热的辐射传导加热方式，仍存在工艺周期长、能耗严重局限性，如在整个渗锌过程中从加热到保温至少要4小时以上(如锌铝包埋共渗工艺将达到10小时以上)，工艺时间长、生产效率很低；其次是在辐射传导加热过程中大量热量消耗在炉体和工件本身的加热与保温上，有效热量利用率低、能源浪费严重。2007年我们提出了利用微波热扩散的“一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法”发明专利(CN101122005A)，可明显提高目前粉末渗锌工艺的生产效率、并极大地降低生产成本。目前，我们正与天津市先知邦渗锌制品有限公司合作共同开发工业化生产工艺与微波扩散处理设备。