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工业化粉末渗锌技术的原理详解

返回列表 来源: 发布日期: 2020.10.21


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,2008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-Diffusion Coatings—TDC)。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。

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。

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α相(Zn在Fe中的固溶体,其中溶解度为4.5%,α相为体心立方晶格)、直接在钢基体上以很窄带存在的Gamma(γ)相、均匀的柱状Delta(δ)相和外层Zeta(ζ)相。其中内层γ相是含21%-28%Fe的Fe/Zn合金(Fe3Zn10)、δ相为含Fe8.5%-13%的Fe/Zn合金(Fe11Zn40)和外层 ζ相Fe/Zn合金(FnZn7),δ相具有较高的显微硬度,塑性也较好。一般δ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%,外层表面没有纯Zn层(η相) 。

工业化粉末渗锌涂层采用以下工艺过程获得:将钢铁构件、锌粉及惰性冲击介质混合填充在密封的不锈钢容器中,并将容器放置在热处理炉中,在旋转容器下加热到360-450oC并保温一段时间,利用金属原子的热扩散作用,在构件表面形成Zn/Fe合金保护涂层。与传统的粉末包埋化学热处理不同(将构件包埋在粉末中在静止状态下加热),工业化粉末渗锌过程是在不断滚动状态下进行加热处理,粉末混合物与工件之间的机械摩擦、冲击作用,不仅有利于新鲜扩散渗剂与被处理界面的紧密接触,而且使得被加热介质温度场均匀化、并有效促进冶金扩散化学反应。

目前的工业化粉末渗锌涂层不需要惰性气体或低真空的加热环境,一般在大气环境下的密封容器中就可以实现热扩散涂层加工处理,因而热处理设备简单、成本低,非常适合于复杂形状钢铁构件的大批量加工处理。

必须强调的是:粉末渗锌涂层在大气环境或加速腐蚀试验环境下,在早期使用中可能在涂层表面局部呈现褐色斑块现象,但这种类似锈蚀的褐色斑不会影响涂层的防腐性能(必须与钢铁基体的腐蚀区分开),这是由于Zn-Fe合金涂层表面Fe离子释放而产生的氧化物。为避免上述现象,粉末渗锌热扩散涂层必须进行钝化后处理(磷钝化或无机封闭处理等)。因此,工业化粉末渗锌技术是指包括前处理、加热渗锌及后处理等完整工序的一种热扩散涂层加工工艺过程。


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