行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

本文转载自工程社区CR4,如需转载请联系出处

腐蚀是一种导致金属降解的自然现象,每年会导致数千亿美元的维护和维修费用。腐蚀会影响任何金属,包括钢,铁和其他元素的合金(例如,主要是碳),这些金属被广泛用于在建筑物,桥梁,车辆和许多其他应用中形成结构和紧固组件。防腐蚀对于减轻其安全风险和维修成本至关重要。

减轻钢腐蚀最有效的方法之一是热浸镀锌,尤其是用于紧固件。以下是热镀锌生产工艺,方法的优势,相关行业标准以及其他考虑因素的概述。

什么是腐蚀?

在涉及钢中的铁,大气中的氧气和水的电化学过程中,暴露于环境中的裸钢自然倾向于腐蚀或生锈。这些元素形成一个电化学电池,由于电子和离子沿着不同的路径流动,因此产生了电流-通过电解质(例如,溶于水中的酸,碱或盐)和通过基础材料(例如,钢)–在称为阴极和阳极的两个区域之间。

行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

图1:存在空气和水时,腐蚀会通过金属的电化学氧化逐渐使金属紧固件降解。

考虑一下钢螺栓表面上的水滴。螺栓表面上的铁充当阳极,与水接触,充当保持电解质的溶剂,在氧化反应中释放出电子,从而在水中形成铁离子:

的Fe(S) – >的Fe 2+(水溶液)+ 2e的-

多余的电子在水滴边缘与螺栓表面(即阴极区域)之间的接触点处的还原反应中被接受,空气中的氧气与水反应生成氢氧根离子:

Ô 2(克)+ 2H 2 O(1)+ 4E – – > 4OH – (水溶液)

水滴中的氢氧根离子和铁离子随后反应形成氢氧化铁,并沉淀在螺栓表面:

的Fe 2+(水溶液)+ 2OH – (水溶液) – >的Fe(OH)2(S)

随着腐蚀的进行,其他氧化还原和酸碱反应会与这些反应同时发生。

产生的腐蚀产物是铁锈(例如水合三氧化二铁),其在大气中的氢氧化铁沉淀物和氧气之间的反应中形成:

4Fe(OH)2(s)+ O 2(g)-> 2Fe 2 O 3 ·H 2 O(s)+ 2H 2 O(l)

由氧化反应引起的钢点蚀会暴露出新鲜的铁。因此,腐蚀过程是连续的,由电化学电池中的氧化能驱动。

锌腐蚀防护

钢制紧固件上的锌涂层可提供双重保护,以防腐蚀基础金属:屏障保护和阴极保护。作为屏障,锌将钢与周围环境物理隔离,破坏了上述电化学电池并防止了驱动腐蚀的氧化还原反应。锌涂层还可以阴极保护钢。这意味着当两种材料接触时,锌优先腐蚀而不是钢腐蚀。这种牺牲行为的原因是,锌比钢具有更高的电化学活性,并且在电化学电池中连接时会更容易释放电子。因此,锌将充当阳极,钢将充当阴极,从而导致锌腐蚀并保护钢。

行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

图2:流动海水中的电序列。负电位较高的金属与负电位较小的金属接触时会优先腐蚀。

将钢紧固件浸入锌的热浴中的热浸镀锌是形成锌保护层的一种特别有效的方法,该锌保护层具有出色的抗腐蚀性能,包括出色的耐用性,覆盖均匀性和使用寿命。

将保护性锌涂层应用于钢紧固件的其他常用技术是机械电镀和电镀。与热浸镀锌相比,这些方法倾向于产生更薄,密度较小,较软且分布较不均匀的锌涂层。 其他锌涂层技术包括渗碳和热扩散,热喷涂和金属化以及富锌涂料。

热浸镀锌工艺

热浸镀锌工艺包括几个步骤,可分为三个主要阶段:表面准备,镀锌和检查。

表面处理是该过程中最重要的部分,因为锌只会与干净的纯钢结合。任何包含灰尘,油脂或其他污染物的紧固件表面都不会保留锌涂层。为了准备镀锌表面,将钢紧固件浸入一系列化学浴中。

冶金反应/键合

在浸入熔融锌浴中的过程中,紧固件钢中的锌和铁之间发生冶金反应。该反应产生了几个厚度各不相同的金属间层,从最外层到最内层,锌与铁的比例逐渐降低,并且根据锌/铁反应的相平衡和动力学,晶体结构也发生了变化。

最外层称为η(η)相,由纯锌组成。在此之下是由大约94%的锌和6%的铁组成的zeta(ζ)相。下一层是由约90%的锌和10%的铁组成的δ相。最内层的γ(Γ)相是薄层,仅在纯钢基底上方,由约75%的锌和25%的铁组成。

层的确切厚度和形态受几个因素影响,包括紧固件在锌浴中悬浮的时间长短,浴的精确温度以及锌溶液和钢合金基底的组成。通过热浸镀锌紧固件产生的总锌涂层厚度在1.7密耳和340密耳之间,具体取决于紧固件的尺寸和工艺参数。

热浸镀锌保护的好处

锌铜绿

碳酸锌古铜的形成极大地有助于热浸镀锌涂层的优异耐腐蚀性。

当锌涂层暴露在环境中时,它开始腐蚀,形成多种副产物,最终形成钝化膜,腐蚀速度慢。当锌与空气中的氧气反应时,形成第一副产物氧化锌:

2Zn + O 2- > 2ZnO

氧化锌然后与水反应形成氢氧化锌:

ZnO + H 2 O-> Zn(OH)2

最后,氢氧化锌与大气中的二氧化碳反应形成碳酸锌:

Zn(OH)2 + CO2-> ZnCO 3 + H 2 O

碳酸锌层用作不溶于水的钝化膜,其化学反应性低于其下的锌和铁。与铁的腐蚀副产品(例如氧化铁,氢氧化铁,三氧化二铁)易于破裂和剥落不同,碳酸锌形成了一层连续的保护膜,可阻挡水分和空气,与裸钢相比,可大大降低腐蚀速率。热浸镀锌紧固件的腐蚀速率仅为裸钢紧固件的十分之一。

耐用性

热浸镀锌涂层具有出色的耐久性。对于紧固件而言,这是一个重要的特征,这些紧固件通常被散装包装并且需要经常处理,在此期间可能会刮掉耐用性较差的涂层。

热浸镀锌在锌涂层和基体钢之间产生牢固的结合,结合强度约为3600 psi,而其他涂层的结合强度则为300 psi至600 psi。热浸镀锌涂层也比其他锌涂层致密。热浸镀锌产生的涂层密度约为0.6 oz / ft 2 / mil,而机械镀锌产生的涂层密度仅为0.45 oz / ft 2 / mil。

热浸镀锌涂层的金属间层具有出色的耐磨性。内部zeta,delta和gamma层的金刚石金字塔硬度(DPH)值分别为179、244和250,比基础钢的DPH为159坚硬。外部锌层的DPH为70,可为中等硬度提供更好的延展性。耐冲击性。

行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

图4:热浸镀锌螺栓。来源:Trissi1234 / CC BY-SA 4.0

即使锌涂层受到物理损伤(例如被划痕),热浸镀锌涂层也可以为基础钢材提供阴极保护。如果底层钢的一小部分裸露在外,则周围的锌涂层将优先腐蚀,从而在其发生任何降解之前牺牲自己。

此外,热浸镀锌涂层可在-148°F至392°F的宽温度范围内保持功能。

还可以对热浸镀锌紧固件进行喷漆,以形成双工系统,为基础钢提供更大的保护。ASTM D6386描述了一种制备热浸镀锌表面以进行涂漆的方法。

全面覆盖

热浸镀锌工艺的性质产生均匀的涂层。熔融的锌流过并流入物品的所有区域,在垂直于表面的扩散过程中与钢反应,在包括拐角和边缘的所有表面上产生一致的涂层厚度。这对于紧固件特别重要,在该紧固件中,螺纹的峰和谷必须接受同等厚的涂层,以防止涂层过早失效,并确保螺纹适当地配合到匹配的紧固件中。

使用寿命长

热浸镀锌涂料在各种环境中(包括在淡水和盐水中,在土壤中以及与混凝土和经过处理的木材接触)都具有出色的使用寿命。镀锌涂层的寿命与涂层的厚度成正比。较厚的锌涂层将持续更长时间,因为腐蚀过程必须在渗入基础钢之前渗透更多的材料。

环境会影响热浸镀锌涂层的腐蚀速率。暴露于高温,高湿和高浓度的电解质或污染物(如氯化物,硫化物或磷酸盐)中会增加腐蚀速率并降低使用寿命。对于直径和直径超过3/8的紧固件和螺母,典型的最小热浸镀锌涂层厚度为2.0密耳,而平均锌厚度为2.0密耳的镀锌涂层在温和的乡村环境中可持续使用65年左右,超过35恶劣的工业环境中使用了多年。

热浸镀锌标准

有几个标准规定了热浸镀锌紧固件的要求。在美国,ASTM International的A153 / A153M标准规定了对钢铁五金件(包括紧固件,铸件以及轧制,冲压和锻造件)进行热浸镀锌的要求。ASTM F2329 / F2329M是一个更新的标准,完全侧重于紧固件的热浸镀锌要求,包括螺栓,螺钉,垫圈,螺母和特殊螺纹紧固件。

紧固件特定的注意事项

螺帽过大,通孔尺寸过大

热浸镀锌可产生厚度可测量的锌涂层,从而增加了紧固件螺纹的直径。必须通过过度敲击相应的螺母或加大通孔的尺寸来适应增加的尺寸,以确保适当的配合和平滑的配合而无约束。配对后,紧固件外螺纹上的锌涂层将保护螺母或内螺纹孔的内螺纹,这些螺帽在攻丝过程中被剥去了锌。

行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

图5:热浸镀锌的螺栓,螺母和垫圈。

一致的制造过程

为避免螺栓和螺母不匹配而导致安装问题,例如装配不良,过大的拧紧扭矩和不正确的螺栓张紧,应将镀锌的高强度螺栓和螺母视为紧固件组件,并应从同一供应商处购买并根据相同的规定制造浸镀锌工艺。热浸镀锌螺栓不应与机械镀锌螺母一起使用,反之亦然。

氢脆

某些高强度和硬化的紧固件不应镀锌,因为存在氢脆的风险,氢脆会导致紧固件在应力下过早破裂。氢脆可归因于在热浸镀锌工艺的酸洗步骤中将氢引入钢中。

ASTM F2329 / F2329M规定,硬度大于33 HRC的高强度钢紧固件存在氢脆风险。为降低这种风险,如果产品标准或购买者要求,则应进行机械除垢或代替酸洗或烘烤。

使用高强度螺栓的结构连接结构规范研究委员会警告说,抗拉强度高于200 ksi的高强度钢螺栓存在氢脆风险,而ASTM A490螺栓可能存在这种情况。

异种金属

当在电解质存在下使异种金属接触时,会发生电偶腐蚀,也称为异种金属腐蚀或双金属腐蚀。较少的贵金属(即,具有较高负的特征电位的金属)充当阳极并受到腐蚀,而较高的贵金属(即,具有较小的负电位的金属)充当阴极并受到保护。

如果两种连接的金属之间的电位差较大,则腐蚀将比仅具有微小电位差的两种连接的金属进行得更快。如果两种金属之间的电势差小于约100 mV,则不太可能发生电腐蚀。

电偶腐蚀对于诸如紧固件之类的小部件特别重要。如果阳极金属与阴极金属的表面积之比小,腐蚀将迅速进行。由于这个原因,紧固件应该由一种金属制成,其电位与制造结构部件的金属的电位相等。例如,热浸镀锌结构部件应与热浸镀锌紧固件组装在一起。

也可以通过分离不同的金属(例如,使用不导电的垫片或类似油漆的涂层)或防止水分进入金属来避免电偶腐蚀。

滑移系数

新近热镀锌钢通常是光滑的,而风化的热镀锌钢的表面纹理较粗糙。结果,这些表面具有不同的滑移系数或静态摩擦系数,对于滑动关键的螺栓结构接头应予以考虑,在这种情况下,通过拧紧螺栓产生的接合面之间的摩擦力可抵抗剪切力。

必须进行防滑连接中的搭接面的准备,以确保有足够的摩擦力。新镀锌的钢应使用钢丝刷进行粗化处理,以确保足够的滑移系数。两个热浸镀锌搭接面之间的滑动系数会随着时间的流逝而增加,从而减少了滑动的机会。相反,通过螺栓剪切力和连接板轴承传递剪切力的轴承连接并不取决于接合面的滑动系数。

结论

热浸镀锌可为在各种恶劣应用中使用的紧固件提供持久,持久的腐蚀保护,包括船舶,石油和天然气,建筑和基础设施。

特别声明:此文章来源工程社区CR4。该文版权归原作者所有!若涉及侵权,请联系本公众号进行删除。

微信搜索工业汇,一键上传您公司产品及相关资料,工业汇专业客服帮您维护数据,定向推送给潜在用户,帮您快速精准获客。同时,访客记录统计、用户画像分析、短信实时提醒,让您不错过任何一次机会。

行业资讯丨紧固件的热浸镀锌

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据