第1章 金属微粉涂镀工艺现状

1.1 概述

在钢铁行业，人类长期面临的难以解决问题就是钢铁的腐蚀。腐蚀遍及国民经济的各个领域，包括几乎所有的行业，如机械、冶金、化工、能源、交通、航空航天、信息、海洋工程等行业。从日常生活到工农业生产，从新工艺、新技术的实现到尖端科学的发展，都存在不同程度的腐蚀问题。腐蚀造成的经济损失十分惊人，据调查统计，全球每年因腐蚀造成的经济损失约7000亿美元，占各国国民生产总值（GNP）的1%～5%。腐蚀损失为自然灾害（水灾、风灾、地震、火灾等）损失总和的6倍。美国近年来每年因金属腐蚀造成的经济损失达3000亿美元，平均每年每位美国人因腐蚀而损失1500美元，这其中有1/3（约1000亿美元）是可以通过采用防腐蚀材料或防腐蚀技术来避免的^[1]。在我国，对于腐蚀损失，20世纪90年代以前尚未进行过全面统计。据估计，我国每年金属腐蚀的损失至少在400亿元以上^[2]。我国1995年统计腐蚀经济损失高达1500亿元人民币，约占国民生产总值的4%，每天4亿元^[3]。1998年，我国因腐蚀造成的损失高达2800亿元人民币，约占当年国民生产总值的4%以上。

因为金属锌具有物理阻挡和优异的电化学保护作用^[4-5]，所以钢铁产品和制品的表面多年来大多采用锌、锌-铝、锌基多元合金镀层进行长期防护，在发达国家镀锌钢材用量为钢年产量的30%～40%，我国目前达到10%左右。通常，人们获得锌镀层的方法机理是电化学、化学沉积和高温冶金反应。电镀、电刷镀等，其形成镀层过程中欲镀金属发生了固态→离子态→固态的变化。例如，电镀过程是在外电场的作用下，使锌离子在钢铁件表面还原为金属锌，即形成电沉积结晶层。热浸镀、热喷涂等，其形成镀层过程中欲镀金属发生了固态→液态→固态的变化，欲镀金属原子经过形核、长大而形成镀层，即经过结晶过程形层；形成镀层的金属首先由固态变为液态，再在待镀基体表面上经扩散和凝固结晶为固态。例如，热浸镀锌时锌在钢铁表面形核，随后扩散生长，发生了冶金结晶，最终形成由α、γ、δ、ζ、η等相组成的镀层。热喷涂锌时，锌的线材或粉状颗粒在瞬间高温作用下熔化，喷射到钢铁基体表面上冷却形成结晶镀层。类似工艺中欲镀金属的存在状态往往是金属锭（热浸镀的锌锭、铝锭、锌基合金锭等）、金属板材（如电镀时铜板、锌板、镍板等）、金属线材或颗粒（如热喷涂用的线材、金属粉末等）。这些传统锌镀层形成过程是金属原子的结晶和晶核的长大过程，可以用金属学中的形核理论、扩散理论、晶体螺旋式或二维晶核成长理论等进行解释，镀层为结晶形层；形层过程中或发生电解沉积，或发生高温冶金反应。欲镀金属因为离子态或液态等中间态的转变，不可避免地在生产过程需要额外消耗能量；且因为废液排放、处理和金属蒸气、金属沉渣的存在造成严重的环境污染。如果使得欲镀金属在形成镀层过程中仅发生固态→固态的转移，不但可以大大降低能耗，而且可以缓和工艺本身对工作环境和周边生态的压力。

由于近几年国内的加工业发展已造成锌资源的匮缺，自2005年4季度以来锌价上涨了45%。此外，传统的热浸镀、电镀过程伴随有严重的三废排放，受环境及生态保护的压力逐渐增大，利用金属粉末直接在钢铁制件表面形成镀层逐渐受到人们的青睐。例如，机械镀锌、冷喷涂、粉末轧制镀、无机水性金属微粉涂层逐渐在一些领域代替传统的镀锌技术，这些工艺技术都是利用金属粉末颗粒在不通过电沉积结晶或高温熔体冶金反应的情况下，依靠外电场产生的机械能或较少的热能，直接在钢铁基体表面形成镀层。