劉秋元,江社明,劉 昕,岳崇峰,俞鋼強(qiáng),張啟富

(中國鋼研科技集團(tuán)有限公司 先進(jìn)金屬材料涂鍍國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

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高耐蝕性Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的組織及耐蝕性

劉秋元,江社明,劉 昕,岳崇峰,俞鋼強(qiáng),張啟富

(中國鋼研科技集團(tuán)有限公司 先進(jìn)金屬材料涂鍍國家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

采用雙鍍法制備了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，用ICP-AES分析了鍍層的化學(xué)成分，用SEM觀察了鍍層的組織結(jié)構(gòu)，采用中性鹽霧試驗(yàn)評價了鍍層鋼絲的耐蝕性，并與鋅鍍層鋼絲進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的腐蝕質(zhì)量損失率約為鋅鍍層鋼絲的六分之一，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋅鍍層鋼絲的。

Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲；耐蝕性；鹽霧試驗(yàn)；鋅鍍層鋼絲

ResearchInstituteGroup,Beijing100081,China)

鋼絲廣泛應(yīng)用于建筑、電力、通訊、漁業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)的各個行業(yè)。為了提高鋼絲的耐蝕性，延長其壽命，對其表面熱浸鍍一層具有犧牲防護(hù)性的鍍層，是一種最為經(jīng)濟(jì)和有效的防護(hù)方式。最初的鍍層為純鋅鍍層[1-3]，目前國家電網(wǎng)采用的抗腐蝕鍍層地線鋼絲主要是鍍鋅鋼絲。鍍鋅鋼絲在輸配電系統(tǒng)上的應(yīng)用主要包括輸電導(dǎo)線鋼芯絞線、地線、引線、接地網(wǎng)等。

隨著對鍍層鋼絲耐蝕性要求的提高和鍍層鋼絲應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，鍍層鋼絲的種類也不斷增加，目前應(yīng)用的有近10種,如Galfan、Galvalume及ZnAlMg等合金鍍層鋼絲。這些鍍層鋼絲使用年限各不相同，少則幾年，多則十幾年甚至幾十年。法國Fical公司生產(chǎn)的Zn-5%Al-Re合金鍍層，是金屬純鋅鍍層的升級換代產(chǎn)品，其耐蝕性高出純鋅1～2倍[2-6]。

鎂具有強(qiáng)化晶界，細(xì)化晶粒和提高鍍層耐蝕性的特性[7-11]，在Zn-Al合金中加入少量的鎂，研究Zn-Al-Mg合金鍍層具有重要意義。近年來，Zn-Al-Mg合金鍍層鋼絲成為了鋼絲制品一個新的研究熱點(diǎn)，國外各大公司競相開展相關(guān)研究，如日本新日鐵日亞鋼業(yè)株式會社生產(chǎn)了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，大大提高了鍍層鋼絲的耐蝕性。我國在Zn-Al-Mg合金鍍層鋼絲開發(fā)和生產(chǎn)方面的研究極少，缺少成熟的生產(chǎn)工藝，對其組織及耐腐蝕性能也缺乏足夠的了解。由于大氣污染的問題越來越嚴(yán)重，酸雨沉降、污染物排放、霧霾等頻繁發(fā)生，如何提高輸電線路的耐腐蝕性能，延長其使用壽命得到了越來越多的關(guān)注，也促進(jìn)了高耐腐蝕性合金鍍層鋼絲的開發(fā)和生產(chǎn)。因此，本工作采用雙鍍法制備了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，評價了鍍層鋼絲的耐蝕性，并與鋅鍍層鋼絲進(jìn)行了比較，以期為提高我國在該產(chǎn)品領(lǐng)域的技術(shù)水平提供參考。

1　試驗(yàn)

1.1鍍層鋼絲的制備

試驗(yàn)用鋼絲的直徑為2.7mm，化學(xué)成分見表1。鋼絲熱浸鍍前經(jīng)過堿洗、酸洗、助鍍、烘干等工序處理。采用傳統(tǒng)的氯化鋅銨鍍鋅工藝制備純鋅鍍層鋼絲。采用雙鍍法制備Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，即鋼絲先快速進(jìn)入純鋅液中“閃鍍”上一層薄薄的純鋅，接著進(jìn)入Zn-10%Al-Mg合金鋅液中進(jìn)行熱鍍。Zn-10%Al-Mg合金鋅液中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～12%，鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.01%，其余為鋅。鋅液用純度為99.99%的鋅熔化而成。

表1　鋼絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1　Chemical composition of steel wire (mass)　%

1.2試驗(yàn)方法

將鍍后的鋼絲用環(huán)氧化樹脂進(jìn)行冷鑲，用220號至2 000號砂紙依次進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行拋光，使得鍍層橫截面平整，便于在試樣腐蝕之后能看到清晰的鍍層結(jié)構(gòu)。為防止磨削過程中鋅鍍層被氧化，采用航空煤油作為潤滑液和冷卻劑。在0.5%(體積分?jǐn)?shù))硝酸的酒精溶液中腐蝕4～5s，然后觀察鍍層厚度和鍍層組織。

采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法ICP-AES測鍍層中合金元素的含量。采用FEIQuantaFEG650場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察和分析試樣鍍層橫截面形貌，并用附帶的PegasusApex4型能譜儀(EDS)進(jìn)行元素成分的分析(高真空模式，掃描加速電壓為20kV，工作距離10mm)。按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液，溫度為(35±1) ℃；并且采用失重法分析兩種鍍層在中性鹽霧環(huán)境下的質(zhì)量損失率，鍍層在中性鹽霧試驗(yàn)前均未進(jìn)行鈍化。

2　結(jié)果與討論

2.1鍍層組織形貌及化學(xué)成分

從圖1可以看出，Zn-10%Al-Mg鍍層表面較平整，出現(xiàn)共晶相，截面可以分辨出鍍層、合金層和基體。鋅鍍層和Zn-10%Al-Mg鍍層厚度均約為45μm。鋅鍍層的鐵/鋅界面層中有一層厚度約20μm鐵鋅相化合物層，這是由于鋅液中不含鋁，沒有抑制鐵和鋅迅速反應(yīng)的Fe2Al5，致使鐵和鋅反應(yīng)比較充分。

將兩種鍍層溶解，進(jìn)行了ICP光譜分析，結(jié)果如表2所示。同時結(jié)合能譜分析(圖略)表明，兩種鍍層中均含有一定量的鐵元素，這是因?yàn)樵跓峤冞^程中，鋼絲與合金液擴(kuò)散反應(yīng)，鋼絲表面的鐵元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入了鍍層。

2.2中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

從圖2，3中可以看到，鹽霧試驗(yàn)96h后，鋅鍍層鋼絲表面已經(jīng)開始出現(xiàn)白銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面除了極其輕微的銹外，幾乎沒有變化；鹽霧試驗(yàn)480h后，鋅鍍層鋼絲表面開始出現(xiàn)紅銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面依舊是白銹；鹽霧試驗(yàn)2 500h后，鋅鍍層鋼絲表面已經(jīng)出現(xiàn)大面積紅銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面只是白銹，還沒有出現(xiàn)紅銹。這說明了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性相對于鋅鍍層鋼絲，得到了大幅提高。

從表3可見，中性鹽霧試驗(yàn)480h后，鋅鍍層鋼絲和Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的質(zhì)量損失率分別為209.229 3，32.882 6g/m2；中性鹽霧試驗(yàn)2 500h后，鋅鍍層鋼絲和Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的質(zhì)量損失率分別為266.462 3，42.444 9g/m2。由此可以看出，經(jīng)不同時間的中性鹽霧后，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性均為鋅鍍層的6倍左右，所以Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于鋅鍍層鋼絲的。

表3　經(jīng)不同時間的中性鹽霧后兩種鍍層鋼絲的 腐蝕質(zhì)量損失率Tab. 3　Corrosion weight loss rates of two coated steel wiresafter NSST for different times　g/m2

從圖4可以看出，經(jīng)2 500h鹽霧試驗(yàn)后，鋅鍍層鋼絲已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲

基本沒有腐蝕。由此可以看出，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性大大高于鋅鍍層的。

3　結(jié)論

(1)Zn-10%Al-Mg鍍層表面較平整，出現(xiàn)共晶相，截面可以分辨出鍍層、合金層和基體。

(2) 中性鹽霧試驗(yàn)表明,Zn-10%Al-Mg鍍層的耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋅鍍層的，同等條件下的腐蝕質(zhì)量損失率僅為鋅鍍層的六分之一。

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MicrostructureandAnti-CorrosionPropertyofHighAnti-CorrosionZn-10%Al-MgCoatedSteelWire

LIUQiu-yuan,JIANGShe-ming,LIUXin,YUEChong-feng,YUGang-qiang,ZHANGQi-fu

(NationalEngineeringLaboratoryofAdvancedCoatingTechnologyforMaterials,ChinaIronandsteel

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewaspreparedbydualhotdippingmethod.ThechemicalcompositionandmicrostructureofthecoatingwereanalyzedbyICP-AESandSEM.Theanti-corrosionpropertyoftheZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasalsoanalyzedbyneuralsaltsprayingtest(NSST)method,andcomparedwiththatofzinccoatedsteelwire.TheresultsshowthattheweightlossrateofZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasone-sixthofthatofZncoatedsteelwire,sotheanti-corrosionpropertyofZn-10%Al-MgcoatedsteelwirewashighlysuperiortothatofZncoatedsteelwire.

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwire;anti-corrosionproperty;saltspraytest;Zncoatedsteelwire

10.11973/fsyfh-201606008

2015-05-15

國家“十二五”規(guī)劃科技支撐(2012BAJ13B03)

劉秋元(1984-)，博士，從事表面防腐蝕研究,010-62182572，18201126349，lqypvd2012@163.com

TG172

A

1005-748X(2016)06-0472-03