热浸锌工艺过程控制

热浸锌工艺过程控制

颜 勋 章旭旦

杭州大通三代科技有限公司（浙江省杭州市余杭经济开发区， 311100

摘 要：热浸锌表面处理是紧固件表面防腐处理最常用的方式，尤其是在高强度紧固件领域。但是针对不同强度等级的紧固件，热浸锌的工艺技术有较大差异，在过程控制中需要严格控制相关参数，尤其是在酸洗和热浸锌温度的选择上须额外慎重，否则将影响产品性能。

关键词：热浸锌、过程控制、高强度螺栓

引言：本文叙述了热浸锌表面涂层技术的原理、优缺点以及过程控制要求。

参考文献：

一、热浸镀锌的基本原理

热浸镀锌是紧固件表面防腐处理的方法之一，它是由原始的热浸镀锡工艺发展而来的一种新的浸镀工艺，热浸镀锌紧固件是把经表面清洗、助镀（活化）处理后的产品浸入在液态的锌液里，在瞬间通过锌与铁之间复杂的系列反应，在产品表面形成锌铁合金层及纯锌层的过程。

在热浸镀锌时，基体表面与锌液会发生一系列复杂的物理化学反应过程，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。它的技术特点有：

• 对金属基体有三重防腐保护，即隔离层保护、腐蚀产物层保护和电化学保护，其耐腐蚀性能优良;

• 与金属基体结合性强，附着强度优良。镀层与基体之间的冶金结合是本技术主要的特点，其加工性能、焊接性能和抗机械破坏性能是其它防腐镀层无法比拟的;

• 工艺易操作控制，镀层易检验，其工艺相对简单易实施，生产设备设施大小均可生产。镀层质量目测和采用磁性测厚仪便能准确检验质量;

• 经热浸镀锌的产品具有较长的防腐寿命，生产成本和维护成本较低。在工业化区域及海洋环境，防腐寿命可达20～40年；在一般大气环境中防腐寿命可达50～100年，产品服役过程基本不需要保护。

二 、热浸镀锌紧固件的选材及工艺技术要求

1.热浸镀锌紧固件的选材

1) 高强度产品选材的考虑热浸镀锌温度对性能的影响

高强度产品的选材在GB/T 3098.1和GB/T 3098.2标准中给出了一定的选材范围，见表39-5、表39-6，但是对热浸镀锌产品有些是不适宜的，在GB/T 5267.3《紧固件 热浸镀锌层》标准中“4.1.4化学成分条中规定：热浸镀锌紧固件的材料应符合GB/T 3098.1和GB/T 3098.2的规定，当磷和硅的总含量在0.03%之间时，推荐采用高温（530℃～560℃）镀锌。

8.8级螺栓可选用低碳合金钢或中碳钢淬火并回火；10.9 级螺栓可选用中碳钢或低、中碳合金钢或合金钢并回火。8.8级和10.9级螺栓最低回火温度为425°C。对于紧固件的表面热浸镀锌，生产规模较大的企业现在大都采用高温热浸镀锌，以获得光洁的产品表面。高温热浸镀锌温度一般控制在530°C～560°C之间,对于低温热浸镀锌一般控制在455°C～480°C之间。有的生产厂家为了降低生产成本，生产热浸镀锌高强度紧固件时，按照一般的高强度紧固件选材，选用低碳合金钢或中碳钢进行生产。由于低碳合金钢或中碳钢生产紧固件时的回火温度一般在450°C左右，而热浸镀锌温度一般情况下高于用低碳合金钢或中碳钢生产的高强度紧固件的回火温度,热浸镀锌的温度对产品起到了二次回火作用。因此当采用中碳钢或低碳合金钢生产的高强度螺栓表面硬度，因热浸镀锌温度的影响会出现降低的现象，因而会对紧固件的机械性能产生不利影响。

2) 高强度产品选材应考虑材料的抗氢脆性能

钢材及其合金在酸洗溶液中，由于全面腐蚀或局部腐蚀而产生氢，新生的氢进入金属中并在金属内部缺陷或内部应力集中处的聚集而造成的断裂。这种断裂发生于各种钢材（特别是高强度钢）和各种不锈钢其合金。钢材酸洗时造成的氢脆会给以后的加工带来麻烦。为了有效预防高强度产品在热浸镀锌后发生氢脆现象，生产前应选择一些具有抗氢脆性能的添加合金元素的钢材；

a.钢材中含有Cr、Mo元素，如：40CrMo、35CrMo、42CrMo等钢材，该类钢的表面能形成致密的保护膜，保护膜能够阻止氢向钢的内部扩散，从而提高了钢的抗氢脆性能;

b.钢材中含有Cr、W、Mo元素,如：40Cr、35CrMo、42CrMo等钢材，其合金元素能降低氢原子在Fe中的扩散速度，有利于降低钢中氢的含量和浓度，能够提高材料的抗氢脆能力;

c.钢材中含有B、V元素，如：40B、35 CrMoV等钢材，其合金元素与钢中碳形成稳定碳化物。此类钢材经热处理淬、回火后能够得到细密且分散好的稳定碳化物，降低了钢中CH₄的生成。

3）低强度产品的选材

对于性能等级小于8.8级的螺栓和8级的螺母，生产时大部分是采用的低碳钢，含碳量在0.08%～0.25%之间，在产品热浸镀锌过程中，锌铁合金化反应适中，锌-铁合金层也较容易控制，镀层附着强度、韧性和均匀性较好。因此在生产低强度的紧固件时，按本生产企业的实际情况，选择对应性能等级钢材就可以了，不再考虑特殊的技术要求。

3.热浸镀紧固件工艺特殊要求

a.加工硬化程度较大产品的去应力退火

对于加工硬化程度较大、多次冷变形结构复杂的产品，为防止在热浸镀锌后出现开裂，应对产品进行去应力退火处理。在GB/T 5267.3标准中“5.1消除应力中”，“对重要场合使用的紧固件，在酸洗和热浸镀锌之前，可以要求先消除应力。”，标准中的“重要使用场合”用的不十分确切，可能是对国际标准翻译详解上的偏差，这里所讲的“重要使用场合”应该指存在加工硬化，应力较大的产品。

b.对应力集中的部位采取减少应力集中的措施

应力集中也是产品热浸镀锌后出现裂纹和断裂的重要因素，因此对结构中存在应力集中的部位，如螺栓头与杆结合处的过渡处的R圆角应进行合理控制，R角不应做的太小或存在尖角等不合理的结构。对于外螺纹产品外螺纹的成型应采用辗压工艺生产，以彻底避免车削螺纹牙底尖角造成应力集中的现象。在DL/T 764.4新标准中也明确规定了外螺纹必须采用辗压工艺成型，以防止产品热浸镀锌因应力集中在螺纹处断裂。

4. 高强度产品热浸镀锌时降低氢脆倾向措施

高强度紧固件热浸镀锌时主要控制在热浸镀锌过程减小氢脆倾向的产生。

氢脆是氢原子进入到钢基体后,由于其体积膨胀,使钢基体内部产生应力,导致了钢基体延伸性或承载强度丧失而发生的一种脆性断裂现象。氢脆的产生大体可分为两种基本情况，一种是由于外部环境中的氢原子在特定条件下进入钢基体造成，如雨水，潮湿空气的影响；另一种是由于制造工艺过程的酸洗等原因使氢原子进入钢基体所造成，这也是热浸镀锌高强度螺栓出现断裂的主要因素之一。由于氢脆具有延迟性和突发性的特点，所以热浸镀锌高强度紧固件的氢脆现象会给输电线路铁塔等设施的运行安全带来极大的危害。

研究表明，氢脆是随着钢材硬度、强度的不断增高而敏感性不断增大的，当硬度大于等于320HV或强度大于等于1000N/mm²时，氢脆的倾向开始明显。因此高强度紧固件随着硬度的增加，氢脆风险也随之增大。在GB/T 3098.1标准中，8.8级螺栓的最大硬度为335HV；10.9级螺栓最小硬度为320HV，最大硬度为380HV， 最小公称抗拉强度为1000 N/mm²。以上看出，8.8级和10.9级螺栓都存在氢脆风险，10.9级螺栓较8.8级螺栓氢脆倾向更大。因此对8.8级和10.9级螺栓在热浸镀锌过程中,应采取有效的控制措施, 以防止氢脆的产生。控制措施和注意事项如下：

a.在高强度紧固件表面脱脂（除油）工序，应采用碱溶液方法脱脂（除油）为佳，以防止在脱脂（除油）过程中产生氢气而出现渗氢现象。不应采用阴极及阴阳极交替除油，以避免产生大量氢原子附在产品表面出现渗氢现象。

b.在高强度紧固件表面除锈时，可采用抛丸、喷砂等机械方法或碱性方法，应避免采用酸性方法除锈。当除锈后设有浸酸工序时，可采用常温加有缓蚀剂的2～5%的稀盐酸，浸酸时间为2-5分钟即可，以减少产品对氢的吸收量，降低氢脆现象的产生。此环节严禁采用高温、高浓度、长时间浸酸处理。

c.助镀后应进行烘干处理，以达到驱氢的目的。由于在浸酸、助镀的工序中，产品多多少少地吸收了一定量的氢在基体表层，此时烘干驱氢效果最为理想，这是有效降低氢脆倾向的关键措施之一。

d.高强度紧固件在热浸镀锌经水冷却后，应立即干燥（烘干）处理，表面不得留有水份，更不允许带有水份的产品堆积在一起放置，以防止表面在出现“白锈”过程中产生氢气，出现渗氢现象。

e.对于高强度螺栓，在热浸镀锌48小时之后应进行一次表面外观检验，以发现产品是否有氢脆开裂现象，检查方法可以目测和无损探伤，重点检查产品应力集中部位。

三、紧固件热浸镀锌工艺

1.典型工艺流程

经检验合格的产品→前处理【除锈→脱脂→水洗→酸洗→水洗→助镀→干燥】→浸镀→后处理【离心或爆锌→空冷或水洗→水冷→钝化】→检品。

2.前处理

1) 除锈

a.抛丸除锈

抛丸除锈时相对酸洗除锈较为环保，且也是高强度紧固件降低氢脆倾向的最有效方法。对于热镦生产的产品往往在制牙前采用抛丸除锈的方法除锈；对于热镦高强度产品是热镦成型过程中进行了抛丸除锈，在热处理之后再经过一次抛丸去除产品在热处理过程中产生的锈污。严禁对高强度螺栓采用酸洗去除热处理后产生的表面的锈污。

对于螺纹成型后没有去除表面氧化层的产品和热处理后的高强度螺栓在保护螺纹不被损伤的前提下，适当控制抛丸时间和抛丸强度。抛丸时，采用0.3～0.4 直径的抛丸球，抛丸球不可太大，抛丸除锈应彻底。抛丸后的产品应放置在通风干燥处，避免与酸液、酸雾接触。

b.酸洗除锈

热浸镀锌紧固件一般不建议采用酸洗的方法去除生产过程中产生的氧化层、锈斑等严重锈皮，因为酸洗除锈时的酸洗时间较长，会使产品尺寸缩小严重，易造成产品不合格并使氢脆倾向增加。对于低强度产品在无条件采用机械方法除锈时，可适当采用酸洗除锈。其工艺可参照下文中的酸洗工艺。

2) 脱脂

脱脂亦称除油，其主要目的是得到清洁的表面，有的生产厂家，往往忽略产品脱脂工序，原因有二：一是酸洗有些除油作用；二是热浸镀过程是在较高温度下进行的，未除尽的油脂在浸镀时，可以自然燃烧掉，认为对镀层形成似乎不会有太大影响。脱脂不良使后续的前处理工序受到不利的影响，表现如下。

油脂混溶于酸液和漂浮在酸液表面，影响酸洗化学反应过程，离开酸液后，特别是螺纹表面仍有油膜。

产品表面会形成油膜部分和无油膜部分，酸洗强弱不一致造成除锈不均匀，延长酸洗时间，也会造成过酸洗，增加酸液消耗；酸洗过度造成紧固件表面粗糙，增加锌耗。

造成溶剂处理不充分，不完整，产品表面的溶剂不均匀，从而影响到对锌液的净化并会使产品出现漏镀和附着强度降低。

3) 酸洗

酸洗是指紧固件浸入到酸液中，依靠界面化学反应来去除钢铁表面残留的氧化皮、锈斑的过程。由于紧固件产品在生产过程中已去除表面的氧化皮层，如热镦产品在制牙前已抛丸除锈（氧化层）。冷镦产品在钢材改制时已除表面氧化层。所以这里的酸洗有两个作用：一是去除表面残留的氧化层、锈斑；二是有着对表面预活化的作用。

4) 水洗

紧固件经酸洗后，表面残存一定量的酸和铁盐等物质，残存数量的多少与酸液的种类、浓度、铁盐含量密切相关。如不将其清洗干净，就会带入下道工序——助镀剂溶液内，从而增加助镀剂含酸量和亚铁离子含量。最终进入锌锅会产生大量锌渣，增加锌耗，降低锌层质量。因此酸洗后必须进行彻底的清洗。

5) 溶剂处理（助镀）

产品经脱脂、酸洗工序后获得比较洁净的活性表面，但停留在空气中，即使很短时间，表面也要氧化，这些氧化物中残存的铁盐（指漂洗水中含有的二价铁盐）会妨碍热浸镀锌的正常进行，明显降低锌层质量，并会增加锌耗。所以必须立即进行溶剂处理，然后应进行烘干处理。

6) 烘干处理

为避免产品表面的水分在浸镀时发生爆炸、飞溅现象，在浸助镀剂后在大气中稍作停留，即可进行烘干处理，如果产品在进助镀剂时温度较高，也可让产品铺开自干，使水分充分蒸发，保证产品表面呈干燥状态。一般最佳的烘干温度120～150℃，为缩短烘干时间也可将炉温控制在150～180℃，但要控制好烘干时间，防止局部表面烘干过度。烘干方式应以对流为佳，烘干温度应均匀一致。温度超高，加剧溶剂中氯化铵分解，造成助镀剂失效老化，会产生漏镀现象。

7) 浸镀

产品经过溶剂助镀并烘干后便开始浸入锌锅浸镀。

浸入速度要适中，产品应以稍快的速度进入锌液中。浸入速度过慢或发生中途停顿，可能会造成助镀剂膜层局部烧损失效，出现漏镀现象。

产品浸入前，应先将锌液面的浮渣和锌灰打净，使产品与锌液充分接触，否则产品表面的助镀剂与锌灰首先接触，会延缓化学反应的进行；产品浸入后，容易观察锌液面化学反应的进行情况；可为最后打灰操作创造有利条件，更容易得到光亮的锌液表面。

产品浸入后，应反复抖动，以促使产品上的助镀剂与锌液充分接触，使反应物尽快浮出。产品的最佳浸入位置时沉入液面以下80mm～100mm左右。浸入的产品应尽量不要触及锌锅底部渣层，以避免底渣被搅动。

8) 后处理

去除表面余锌实际上是镀后冷却过程的一个组成部分。产品从锌液中取出到表层凝固时间很短暂，这个时间的长短与锌液温度、周围环境的温度、产品直径或厚度、产品提出的速度等因素相关，所以必须掌握好最佳时机。紧固件从锌锅提出后去除表面的余锌，一般采用离心法和爆钝法。

参考文献：

[1]陆九如.热浸锌行业风险分析及管控措施.《江苏安全生产》.2020

[2]张万贞.热浸锌处理对低合金高强度钢抗H2S腐蚀性能的影响.《石油化工腐蚀与防护》.1997

[3]于万鹏.热浸锌工艺的研究.《中国化工贸易》.2012

作者简介：颜勋（1989.07），男，汉，湖北荆门，技术总监（中级工程师），本科，杭州大通三代科技有限公司（浙江省杭州市余杭经济开发区，311100），紧固件设计与制造。

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