钢铁件局部热浸镀铝工艺──以炒菜铁锅外侧镀铝为例

2016-02-15吴元康温靖邦

电镀与涂饰 2016年19期

关键词：镀铝铝液铁锅

吴元康，温靖邦

（1.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 210096；2.广州市二轻工业科学技术研究所，广东广州 510663）

钢铁件局部热浸镀铝工艺──以炒菜铁锅外侧镀铝为例

吴元康1,*，温靖邦2

（1.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 210096；2.广州市二轻工业科学技术研究所，广东广州 510663）

以家用炒菜铁锅(Q235薄钢板冲压件或灰口铸铁锅)外侧单面热浸镀铝为例，介绍了钢铁件局部热浸镀铝工艺。阐述了铁锅热浸镀铝的原理与难点，分析了镀层的组织形态，给出了适用于钢铁件局部热浸镀铝的阻镀剂配方以及端部带螺纹钢管局部镀铝的操作步骤，推荐采用无熔盐覆盖法(即使用氟铝酸钠)以避免铝液表面熔盐对镀铝的妨碍。

钢铁；热浸镀铝；原理；微观组织；阻镀剂

First-author’s address:Institute of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China

某些钢铁元件要求单面热浸镀铝，因此国外有用连续热浸镀铝法生产单面镀铝的钢板卷带，日本在这方面有较好的生产工艺和产品，已广泛用于制造汽车用车体面板[1]。在工业与民用钢铁件中，有的要求局部热浸镀铝，如本文介绍的一种家用炒菜铁锅，外侧与加热源接触，要求耐热，不起皮，导热性能好，耐磨性(与炉灶的支架摩擦)好，内侧用于盛放被炒的荤素菜，要求维持原铁质。据说以铁锅炒菜，二价铁溶于醋和盐水中，可以起到补铁作用，减少贫血病人产生。但最好不采用铝质锅与菜接触，因为铝对人体有害而无益，老年人若血液中含铝离子多，易造成老年痴呆症。图1为笔者从1992年使用至今的一口用了23年的炒菜用外侧镀铝的Q235钢锅，原胶木锅把早就断了，后用一截镀铝钢管套上，尚无损坏迹象。

图1 一口用了23年的外侧热浸镀铝Q235钢锅的外貌Figure 1 Appearance of a Q235 steel wok with hot-dip aluminum coating on its outside being used for 23 years

本文简介铁锅热浸镀铝工艺，分析这种单面热浸镀铝铁锅的优势及其历久不坏的原因。另外简单介绍钢件局部热浸镀铝工艺中的关键技术措施。20多年前铁锅外侧镀铝产品的一等品率不高，出现漏镀点、虚镀点、针孔密等常见缺陷。经过长时期的摸索改进，上述缺陷已克服，正品率可达98%以上。

1 铁锅热浸镀铝工艺

1. 1 原材料及设备

1. 1. 1 原材料

(1) 1.5 mm厚的Q235低碳钢板经裁剪、切割，冲压成外径320 mm、深85 mm的弧形底锅坯。

(2) 纯铝锭用工业纯铝L1至L7均可，以价廉物美为宜。

(3) 镀前处理液[2]：酸洗除锈用工业盐酸，15% ～ 20%为宜；除油脂可采用碱性工业除脂液(NaOH 5% ～ 10%，Na2CO35%，Na3PO4·12H2O 3%，Na2SiO310%)；助镀剂溶液由6% ～ 8%氟锆酸钾[3]和3% ～ 4%氯化钾组成。

(4) 熔铝时用的保温防氧化固体覆盖物为氟铝酸钠(熔点1 000 °C)[3]。

(5) 铝用抗氧化合金，以0.1% ～ 0.2%(质量分数)置入熔铝中，可降低铝液面氧化速度[4]。

1. 1. 2 设备及夹具

(1) 熔铝电炉：4 kW自制坩埚电炉，也可订制碳化硅内胆直径350 mm、深400 mm的熔铝电炉(能熔铝25 ～28 kg)，于700 ～ 730 °C保温，上盖氟铝酸钠，防止铝液面氧化。镀前除去覆盖粉，并加入0.1% ～ 0.2%的铝用抗氧化合金。

(2) 塑料盆4个：用于酸洗、碱洗、水洗等前预处理工序。

(3) 用槽钢和铁夹子自制夹持铁锅用夹具，便于把铁锅外底部按要求部分浸入铝液中。槽钢凭自重压住铁锅浸入铝液，并置于坩埚壁上保温1 min后取出。

1. 2 铁锅外侧热浸镀铝工艺

工艺流程如下：

除油→去锈→浸助镀剂→烘干→热浸镀铝→用刮板除去底部多余的铝→检查。预处理前，铁锅上钻好手柄安装孔，用铁钩挂起，批量生产时可用吊车进行预处理。

(1) 除油：由于铁锅系剪切钢板后冲压而成，有的面上滴有机械油，若是冷轧钢板，更需表面除脂。通常，上述除油试剂需加热至70 ～ 80 °C，方可除油彻底。除油后可用水清洗。

(2) 去锈：热轧钢板表面油脂不多，但氧化铁锈较重，需在室温下用稀盐酸除锈，然后水洗。若是灰口铸铁锅，在酸洗时用塑料刷刷去铁锅外侧欲镀面表面的石墨粉。

(3) 浸助镀剂：除锈后的铁锅必须尽快浸入助镀剂中，泡2 ～ 5 min。助镀剂要求加热至80 ～ 90 °C，因为助镀剂的溶解度随温度升高而增大，才能使钢铁锅表面达到覆有一薄层助剂的效果，否则会产生漏镀点。

(4) 除去铁锅上的挂钩，装上夹具后进行热浸镀铝。热浸铝之前，铁锅由于在热的(80 ～ 90 °C)助镀液中取出，表面助剂水分大都已蒸发，铁锅装在夹具上，徐徐进入铝液中，直至达到预定深度为止。虽然铁锅在铝液中有浮力，但钢夹具可压住铁锅下沉到铝液中，保温一般1 min即可(铸铁锅延长至1.5 min)。

(5) 浸铝后锅底上可能挂有多余的铝，可用刮板刮除。

(6) 镀铝后的铁锅因为薄，很快冷却，修整后用冷水清洗。最后用锉刀和手动细砂轮进行精整处理，并完成锅口沿包不锈钢边、装把柄等工序。

2 铁锅热浸镀铝原理及其组织和性能

2. 1 钢铁件热浸镀铝的原理及过程

(1) 钢铁件与熔铝的浸润。冷的铁锅与熔融的铝接触时，首先表面会凝结一层固态铝，由于坩锅中熔铝的温度高于铝的熔点，因此，刚凝固的铝层在数秒钟之内熔化，同时与熔铝接触的铁锅表面温度也会迅速被加热到700 °C，这时铁锅与熔铝之间会产生浸润。镀铝工艺中，预处理(包括除油、去锈和浸助镀剂)的目的就是保证铁锅与熔铝接触面间达到完全浸润效果。若有不浸润点，则会形成铝的漏镀与虚镀等缺陷。

(2) 熔铝与其相浸润的铁锅的铁素体(超过730 °C时会形成部分奥氏体)发生冶金化学反应，形成FeAl3金属间化合物，同时铁铝原子间还发生物理扩数过程。由于形成FeAl3的自由能较低，因此FeAl3的形成异常迅速，它是一种冶金化学反应过程。

(3) 若浸镀时间较长，还会发生形成的FeAl3从铝液中脱离并沉入坩埚底部的过程。长时间镀铝后，坩埚的底部会沉积一层FeAl3渣，需每隔几天用铁勺挖除。

2. 2 钢铁锅与熔铝反应后的组织形貌

从钢铁锅中取样磨制金相样品，观察其显微组织，得到如图2和图3所示的扫描电镜照片。图2为Q235钢板冲压的炒菜锅经外侧镀铝后形成的镀铝层显微照片。从图中可见，纯铝镀层中含有一些条状或点状的浅色夹杂物，这是与钢板形成的FeAl3合金镀层中脱离下来的，因为在700 °C铝液中只能熔解3%的铁(见Fe-Al二元合金相图[5])，铁多了的话，冷却时会以FeAl3的条状沉积析出。FeAl3合金镀层以齿状向基体内生长，层薄处只有30 μm，最长的有100 μm，极不均匀。铁锅使用后会因不断被加热而变得较平直。

图2 Q235钢板热浸镀铝后的微观组织SEM照片Figure 2 SEM image showing the microstructure of hot-dip aluminum-coated Q235 steel sheet

图3 灰口铸铁锅热浸镀铝后的SEM微观组织形貌Figure 3 SEM image showing the microstructure of hot-dip aluminum-coated gray cast iron wok

图3为灰口铸铁锅镀铝后的SEM微观组织形貌。从中可以看出，灰口铸铁基体中含有许多石墨片(条)；纯铝镀层厚100 ～ 120 μm，其中含有少量FeAl3细条；FeAl3合金层的厚度则在30 ～ 75 μm之间变化。

上述SEM分析结果表明，镀铝层与钢铁基体之间由合金反应层FeAl3相连，铝与铁基之间的结合均匀、连续，非常牢固。在炒菜铁锅的使用过程中，镀铝层长期与1 200 °C以上的液化气火焰接触，表层的铝会继续向铁锅基体扩散并反应，不断形成FeAl3合金层，促使原来厚薄不均的FeAl3合金镀层逐渐均匀平直起来并变厚。这是在渗铝过程中常见的现象[2]，表层铝的消失而渗入钢铁基体中形成了更厚、更平直的FeAl3合金层，它更耐热和耐磨。

2. 3 镀铝形成的合金组织性能

上述图2和图3中纯铝层质地柔软，但FeAl3合金层很坚硬耐磨，因为FeAl3是金属间化合物，其特征是坚硬、较脆，显微硬度为8 000 ～ 10 000 MPa[1,6]，比钢锉刀还硬，这也是笔者家中的镀铝铁锅之所以能使用23年而不坏的原因，炉灶却已换过5件，因为炉灶上的铁支架是低碳钢冲压件，其耐磨性不及镀铝合金锅底。

2. 4 铁锅镀铝的主要工艺难点及解决方法

(1) 为保证铁锅外侧面都镀上铝，要求精确控制铁锅沉入铝液中的深度。在操作中要定时不断向坩埚内添加铝及抗氧化合金，保证铝液净化，无气体夹杂。

(2) 不能采用常规熔剂法镀铝工艺。由于热铝液表面不能覆盖熔剂，因此容易造成漏镀或虚镀。必须用无覆盖熔剂法特殊工艺[7]，采用更严格的前处理工艺和规范的操作手段。

(3) 采用优质助镀剂，并在操作中保证与钢锅底面良好浸润，无气泡或杂质附着。

3 镀铝铁锅的优点及应用展望

镀铝铁锅具有以下优点：

(1) 节约能源。镀铝铁锅为外侧热浸镀铝，接触火焰的镀层面的热导率加快，可节约能源。把镀铝与不镀铝的铁锅放在同一炉灶上加热1 L水，煮开时间节0.5 ～ 1.0 min。

(2) 保持铁锅原有优势。铁锅内侧与菜肴接触，醋酸和盐易使铁溶出，产生的二价铁溶于水，据说能补铁，减少贫血，这是铁质炒菜锅独有的优点，得以保持不变。

(3) 使用寿命长，节约成本。一只铁锅镀铝后成本增加几元钱，费用增加不多，但使用寿命得以数倍、数十倍地增加，这是有较好效益的。因为热镀层是冶金反应层，铝铁结合牢固，不会剥皮脱落，不像其他涂镀层那样与锅只是机械接触，不牢固，不耐用。所形成的铁铝合金层是一种耐热耐磨合金，在炒菜加热中会不断增厚并变平整。

饭店用炒菜铁锅由于接触火焰温度高，使用频率大，损坏较快，因此建议大量采用此类镀铝锅。

4 钢铁件局部热浸镀铝工艺中的几个技术问题及解决措施

4. 1 适用于钢铁件局部热浸镀铝的阻镀剂

某些钢铁件局部不要求镀铝，如某些钢管端部的螺纹不镀铝，因此需在镀铝前用阻镀剂进行刷涂。

4. 1. 1 阻镀剂配方的技术要求

(1) 易与钢板附着，并形成致密的阻镀膜。

(2) 不与熔铝浸润和粘附，能阻止熔铝与钢件接触。

(3) 镀后易被除去。

4. 1. 2 阻镀剂的配方

(1) 1质量份磷酸 + 1质量份水 + 3质量份耐火粉，配好后搅匀并放置24 h以上，即可用于刷涂。

(2) 1质量份水玻璃 + 1质量份水 + 2质量份耐火粉，混合后搅拌均匀即可用。

4. 2 端部有螺纹的钢管的局部镀铝工艺

钢管除油→除锈→浸助镀剂(80 ～ 90 °C)→用刷子在螺纹部分刷上阻镀剂并用电吹风机吹干→热浸镀铝→除去端部阻镀剂并清洗。

4. 3 铝液表面熔盐对镀铝的防碍

对于铁锅外侧镀铝而言，采用无熔盐覆盖法[7]就可以解决此难点。

[1] 刘邦津. 钢材的热浸镀铝[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1995: 269-272, 9-11

[2] 沈品华. 现代电镀手册(下册)[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011: 10-39.

[3] 化学工业部天津化工研究院. 化工产品手册──无机化工产品[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 1993: 429.

[4] 吴元康. 铝、锌及其合金用抗氧化光亮添加剂: 99114115.6 [P]. 2000-09-27.

[5] 戴永年. 二元合金相图集[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 47.

[6] 顾国成, 刘邦津. 热浸镀[M]. 北京: 化学工业出版社, 1988: 84-86.

[7] 吴元康. 钢铁件热浸镀铝工艺比较(III)──无熔盐覆盖法[J]. 材料保护, 2011, 44 (12): 67-68, 71.

[ 编辑：周新莉 ]

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Process for partial hot-dip aluminum coating on iron and steel articles: hot-dip coating aluminum on the outside of

iron wok

WU Yuan-kang*, WEN Jing-bang

The partial hot-dip aluminum coating process for steel and iron articles was introduced, taking the hot-dip aluminum coating on the outside of a household wok made of Q235 sheet by stamping or made of gray cast iron as example. The principle and difficulties of hot-dip aluminum coating for iron wok were described. The microstructure of hot-dip aluminum coating was analyzed. The composition of an inhibitor for not-to-be-coated areas on iron and steel articles and the operation procedure for partial hot-dip aluminum coating for thread-ended steel pipes were presented. It is recommended to adopt molten salt-free covering method i.e. application of sodium hexafluoroaluminate to prevent hot-dip aluminum coating from being hindered by the presence of molten salts on aluminum bath surface.

iron and steel; hot-dip aluminum coating; principle; microstructure; inhibitor