螺栓、螺母、螺钉、平垫等金属零件统称为紧固件。紧固件是紧密连接机械设备的关键性金属零件，在桥梁、铁路、电力建设、船舶、汽车及航空航天设备上应用广泛。紧固件的力学与耐久性能决定了机械设备各部件间的连接紧密性，因此具备良好耐久性的紧固件在保证机械设施正常运转上发挥了关键作用。钢材作为紧固件的主要材料，在大气环境中不可避免发生氧化反应，形成疏松多孔的铁锈。而当处于含氧和Cl-等大量腐蚀介质的复杂海洋环境中时，会进一步加速紧固件的腐蚀，对工程设备使用的可靠性产生巨大威胁。因此，采取有效的腐蚀防护手段控制紧固件的腐蚀行为，对提高海洋设备的服役安全性、增强海洋设备的服役可靠性、延长服役寿命具有重要意义。 

目前国内外研究主要聚焦于通过表面处理技术对紧固件进行预处理，以隔绝基体材料与外界环境的接触，避免紧固件腐蚀。常用的紧固件表面防腐技术有电镀锌、电镀镉、热浸锌、达克罗涂层、热渗锌等。为推动海洋环境下紧固件防腐工艺的发展，增强海洋设备的使用稳定性，本文总结了几种主要的紧固件防腐工艺，对比分析相应优缺点，并评价其在海洋环境下服役的可行性。

紧固件表面防护技术 

电镀 

电镀是一项传统的表面镀层技术，工艺简单、技术成熟，能够得到集防护性、装饰性于一体的功能性镀层。其基本原理为：将待加工工件作为阴极，并置于含预镀金属的盐溶液中，通过电场作用将金属离子转化为单质固体覆于待加工工件表面。电镀锌、镍、镉等金属于钢材表面是目前常用的腐蚀防护方式。其中电镀锌是典型的阳极化保护性镀层，在腐蚀情况发生时，镀锌层会优先被破坏，从而使基材得到更好的保护。 

尽管电镀锌工艺已发展到使用增强溶液稳定性的表面活性剂及提高溶液活性的光亮剂得到平整、光亮的镀层结构，但单独的锌层结构仍无法满足严酷的海洋腐蚀环境，因此耐蚀性更优的锌基合金进入了人们的视野。其中，电镀锌镍合金（镍含量小于20%），是目前紧固件防腐应用较为成熟的电镀工艺，其合金镀层相较于纯锌层具有致密、均匀等特点，在严苛的海洋环境中表现出较好的耐蚀性。除此之外，电镀镉作为三大镀种之一，在电镀工业中占有极其重要的地位。处于海洋环境中时，镉电极对基材的机械保护与阳极化保护协同作用。尽管如此，海洋环境中的高湿度、盐雾、海洋气候等因素会使镉镀层发生氧化反应，仍会加速工件腐蚀。除此之外，镉镀层易与甲酸、乙酸等有机气氛发生反应，产生有机酸腐蚀，对工件的正常使用造成威胁。

综上所述，紧固件电镀层具有膜层均匀致密、厚度可控等优势，但电镀过程中电流分布不均产生的边缘效应，可能会导致螺纹牙尖部位镀层脱落，严重影响紧固件的防腐性与装饰性，并且电解液中的氢离子也会通过吸氢和渗氢进入金属基体内部，造成紧固件的延展性和强度下降，以上因素限制了电镀工艺在高强度高耐蚀紧固件领域的应用。除此之外，电镀工艺产生的废水、废气及固废对环境造成严重污染。因此，提高电镀生产工艺和治理技术水平，推动电镀行业规范化、绿色化发展至关重要。

热浸锌

 热浸锌又称热浸镀锌，其基本原理为：将预处理后的钢件浸于熔融的锌液中，使金属锌与铁基体之间发生反应和扩散，从而在钢材表面形成附着性良好的锌铁合金镀层。热浸锌工艺结合了电化学保护与镀层物理屏障保护，具有良好的尺寸适应性，成本低廉、外观漂亮，广泛应用于汽车、家电、化工、交通、电力、航空和海洋工程等领域。热浸锌的典型工艺流程如下，酸性→水洗→碱洗→水洗→表面助镀→干燥→热浸锌→水冷→表面钝化→水洗→干燥，其中酸洗主要用于去除钢材表面铁锈，使得热浸镀时钢材本体能与熔融的锌反应生产镀锌层。水洗主要用于清洗掉钢材表面的铁盐及其他杂质。表面助镀：采用NH4Cl及ZnCl2作为助剂，增强锌与铁之间的化学反应。热浸锌：将钢材浸入高温熔融的锌液中，使钢材表面覆盖上一层均匀的锌层。表面钝化：钢件放入钝化液中，增加表面光亮度。由该流程可知，钢材在整个浸锌工艺中，要接触酸、碱等各种介质并经历加热、冷却等多种复杂环境。因此该工艺存在以下两种典型缺陷：

①锌铁合金颜色呈现暗灰色，而金属锌颜色光亮，当反应温度过高导致扩散不均匀时，合金生长到锌层表面，在镀层表面形成网状花纹或造成局部灰暗。

②浸锌反应温度较低或钢件由锌液中提出速度太快会造成钢件表面粗糙。

因此钢结构浸锌工艺流程中每一环节都需慎重考虑。热浸锌加上油漆涂层是海洋平台上紧固件防腐的主要方式之一，但该方式受制于浸锌层质量及油漆质量，同时由于紧固件在高温浸锌过程中会产生刺激性有害气体氯化氢及金属烟雾，对人体健康及环境均造成不可估量的伤害，因此热浸锌工艺已处于逐步被替代的阶段。

达克罗涂层 

达克罗（DACROMET）又称达克龙、达克锈，其主要成分为锌粉、铝粉、铬酸酐和去离子水，将其涂覆在待处理工件表面，经烧结固化后在工件表面形成防腐涂层。达克罗涂层因无氢脆、耐高温、强耐蚀性、良好附着力等优质特性受到广泛关注。锌粉与铝粉作为达克罗涂层溶液的主要成分，对工件基体起到阴极保护作用。铬酸酐作为达克罗涂层溶液中最重要的组成部分，其中Cr6+在工件表面膜的烧结和固化过程中与锌粉、铝粉共同结合在基体表面形成三价铬骨架结构，对工件起到了强有力的黏结作用，保证了表面涂层的牢固性。不仅如此，当表面涂层受到破坏时，残留的Cr6+在破坏处富集重新生成钝化膜，抑制腐蚀进一步扩展。 

尽管铬酸酐有优异的钝化、黏结和自愈作用，但始终对人体有强致癌性，因此无铬酸盐钝化剂和有机粘合剂替代铬酸盐进入了人们的视野。如王再德等成功制备出一种钼酸盐无铬钝化剂，试验结果表明该钝化膜具有较好的耐蚀性、柔韧性和抗划伤性能。张明明等通过聚氨酯改性环氧树脂替代传统铬酐制备了无铬达克罗涂层，有机树脂固化交联形成的膜层有效阻止了腐蚀介质的渗透，同时锌铝氧化物也能够起到有效的钝化和电化学作用。

目前国内进行了大量环保达克罗涂层的技术探索，但短时间内很难实现大规模产业化应用。其中，优化主要原材料、提高达克罗涂层的环保性与功能性、降低生产能耗仍是重要议题。

粉末渗锌

    粉末渗锌技术又称热渗锌，是利用金属原子的热扩散作用，将锌和其他合金元素渗入钢材结构表面的一种冶金热处理工艺。粉末渗锌技术主要采用包埋法和机械能助渗法，其中。机械能助渗法通过封闭滚筒加热制备固相热扩散涂层，该方法基本原理如下：运动的粉末粒子冲击加热工件表面，将机械能传递给点阵原子，激活点阵原子脱位，形成大量原子扩散所需空位，巧妙地将纯热扩散的点阵扩散转变为点阵缺陷扩散，降低了固相扩散活化能，在较低渗锌温度和较短渗锌时间内得到更为致密、均匀的渗层结构，提高了渗锌速率。

    相较于其他表面处理技术，粉末渗锌得到的Zn-Fe合金渗层具有优异的耐腐蚀性能和抗磨损性能，且工艺过程中无锌蒸汽危害、无废水排放，绿色环保四，在铁路扣件、预埋槽道、光伏支架紧固件等工程防腐材料领域已有广泛应用，并制定了相关标准。目前，研究人员已对渗锌工艺开展了广泛研究，如孙杰等研究了保温温度、保温时间等因素对渗层结构、扩散速率的影响柴武等以Q235钢为基材，通过机械能助渗热扩散技术制备了结构致密、厚度均匀、耐蚀耐磨性优异的Zn-Fe合金层。Kania等突破常规渗锌工艺，研发的反应气氛再循环热渗锌技术，在不降低高强度紧固件强度的同时，提高了耐蚀性。

    尽管粉末渗锌技术制备的Zn-Fe合金层具有优异的耐磨性、耐蚀性，但该工艺仍存在保温时间长、渗锌效率低等问题，同时由于Zn-Fe合金渗层表面存在微小空隙，为Cl-等腐蚀离子的渗透提供了通道，因此通过优化前后处理方式、工艺参数及各工序间的配合性等提高渗锌效率和渗层致密性，是目前亟待解决的关键问题。  

结   语 

 综上所述，相较于其他工艺，采用机械能助渗法的热渗锌技术制备的Zn-Fe合金层具有优异的表面硬度、附着强度及良好的耐磨耐蚀能力，在严酷的海洋环境中更能满足高强度高耐蚀紧固件的性能要求。同时，在绿色发展的大背景下，不仅应进行防腐技术革新和工艺优化，也需加快开发环境友好、更具经济效应的紧固件表面防腐工艺的步伐。

作者：张巍1，张建文1，付金奇2，韩军杰2，赵昊2，王小雨3 

工作单位：

1. 三峡东山能源投资有限公司，漳州  350000；

2.中电建武汉铁塔有限公司

3. 中国特种飞行器研究所 结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，

来源：《环境技术》2024年11月