王 立，王 偉，楊世平，劉 恒，屈中偉

(1 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴州 貴陽(yáng) 550000；2 武漢騰耀新材料工程有限公司，湖北 武漢 430000)

輸電線路一般靠輸電桿塔進(jìn)行電能傳輸，因此輸電桿是電網(wǎng)最重要的輸電線路承載結(jié)構(gòu)。但是，金屬結(jié)構(gòu)的輸電桿塔在戶(hù)外長(zhǎng)期服役，容易因大氣污染、酸雨侵蝕等形成桿塔表層的腐蝕，從而縮短其運(yùn)行壽命周期，還可能造成安全隱患，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。隨著礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、金屬冶煉、化工、火電等行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)工業(yè)大氣污染日益嚴(yán)重。工業(yè)區(qū)內(nèi)的企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中排放了大量含氮、硫的污染元素，形成了嚴(yán)重的酸雨區(qū)。酸雨的進(jìn)一步加快了輸電桿塔防腐層的腐蝕速度，導(dǎo)致大部分鍍鋅層損耗殆盡，鋼基材銹蝕嚴(yán)重，一般投運(yùn)5～6年之后，便會(huì)開(kāi)始逐漸銹蝕，造成嚴(yán)重?fù)p失[2]。另外，山區(qū)及丘陵地區(qū)輸電桿塔由于處于復(fù)雜的野外環(huán)境，也極易發(fā)生腐蝕，一旦發(fā)生腐蝕，運(yùn)行維護(hù)起來(lái)極為困難。因此，有必要對(duì)輸電桿塔進(jìn)行有效的防腐保護(hù)。

我國(guó)現(xiàn)行的輸電桿塔防腐處理方式主要為熱鍍鋅處理，但目前純鋅鍍層存在結(jié)構(gòu)多孔、腐蝕產(chǎn)物保護(hù)性差、耐酸雨侵蝕能力低等問(wèn)題，極大的減少了其耐腐蝕的壽命[3]。另外，由于鍍鋅層不耐酸侵蝕，酸雨環(huán)境和工業(yè)污穢環(huán)境可使其腐蝕速率加快1～3倍，從而達(dá)不到預(yù)期的使用壽命，并在運(yùn)行周期內(nèi)需頻繁的進(jìn)行防腐維護(hù)，否則還存在倒塔事故發(fā)生的隱患[4]。因此，純熱鋅鍍塔材存在耐腐蝕性不足，耐酸雨侵蝕性不佳，防腐維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。為改善輸電桿塔傳統(tǒng)熱鍍鋅材料的上述不足，通過(guò)對(duì)熱鍍鋅鍍層的改性，向鍍層內(nèi)添加一些微量元素，從而改善鍍鋅層的鍍件成形性與耐腐蝕性能的方法，成為了目前主流的研究方向[5]。諸多研究表明，鋁、鎂元素主要能增加鍍層抗氧化性能，鎳、錫元素主要能提高鋅液的流動(dòng)性，硅元素能提高鍍層的附著力，稀土元素主要起到細(xì)化晶粒、凈化界面雜質(zhì)的作用。本文主要介紹目前輸電桿塔用熱鍍鋅材料中添加各種元素的作用及對(duì)鍍層的影響。

1 各元素對(duì)熱鍍鋅鍍層的影響分析

1.1 鋁元素

鋁是熱浸鍍鋅液中常見(jiàn)的添加元素之一。 鋁元素本身的熔點(diǎn)較低(660 ℃)，與鋅的熔點(diǎn)相對(duì)接近，從而使得二者能夠在當(dāng)前的工藝條件下得到較好的結(jié)合并形成穩(wěn)定的合金層。研究表明，鋅浴內(nèi)添加0.005%～0.02%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁，能顯著增加合金鍍層的光亮性，減少鋅浴中鋅液表面的氧化[6]。另外，Al與O的親和力比Zn大，能在鍍層表面形成一層較薄的Al2O3層，Al2O3層相對(duì)于ZnO層更為致密，不容易粉化脫落，能阻止內(nèi)金屬鍍層繼續(xù)氧化，從而提高整個(gè)鍍層的耐腐蝕性能。

研究表明[7]，0.2%以上的鋁元素添加到熱浸鍍鋅液中會(huì)造成熱鍍層厚度的減少，這是因?yàn)锳l元素富集在Zn-Fe界面端，并形成了一層連續(xù)的厚度為 0.02～0.2 μm的Fe2Al5，抑制形成Fe-Zn合金相，抑制Fe-Zn合金相形核長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致鍍層的生長(zhǎng)速率降低，鍍層變薄。

1.2 鎂元素

鎂元素也是熱鍍鋅液常見(jiàn)的添加元素之一。鎂的熔點(diǎn)在648 ℃，屬于活潑的輕金屬元素，鋅浴中摻入適量的鎂可以強(qiáng)化晶界、細(xì)化鍍層晶粒，從而改善熱鍍鋅鍍層的性能。研究表明[8]，在鋅浴中加入的鎂含量在0.1%～0.2%時(shí)，鎂的會(huì)在Zn-Fe界面區(qū)形成鎂富集區(qū)，使合金相組織變得細(xì)化致密; 鎂元素通過(guò)合金化可以促進(jìn)靠近基體部分形成致密 Г1相擴(kuò)散層，完全避免了脆性相的形成，以較軟的Г1相代之，同時(shí)促進(jìn)鍍層致密化及其與基體緊密附著。

另外，Mg元素的加入還能增加鍍層的耐腐蝕性能。研究表明[9]，鋅浴中加入微量的Mg可使鍍層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的改變；同時(shí)腐蝕發(fā)生時(shí)，Mg可以抑制碳酸鋅和氧化鋅等非保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物的生成，且含有鎂元素的鍍層腐蝕產(chǎn)物能抑制腐蝕陰極反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)鎂含量在0.3%～0.5%時(shí)，則會(huì)影響鍍層的生長(zhǎng)，鍍層表面組織變厚，鍍層外觀失光，附著性能變差。

1.3 鎳元素

鎳元素一種抗氧化能力較強(qiáng)的金屬元素，具有較好的耐腐蝕性能，一般用作防銹金屬材料的制備。因此，將鎳元素加入到鍍鋅液中，能明顯增加鍍層的耐腐蝕性能。此外，鎳元素還能起到降低硅的活性，提高鋅液的流動(dòng)性，改善鍍層的外觀質(zhì)量的作用，能夠使熱鍍鋅層超厚而粘附性差的現(xiàn)象明顯減少，達(dá)到節(jié)約用鋅的效果，并且能減少鋅浴對(duì)鐵制鋅鍋的腐蝕作用[10]。

鋼鐵材料的Si含量超過(guò)0.3%時(shí)(又稱(chēng)活性鋼)，常規(guī)鍍鋅容易產(chǎn)生耐腐蝕下降，基體結(jié)合力變差的現(xiàn)象，稱(chēng)為Sandelin效應(yīng)。研究表明[11]，往鋅浴中添加0.04%～0.12%的鎳，能夠消除或減緩含Si量在0.1%左右活性鋼的Sandelin效應(yīng)的作用，并能夠降低鐵鋅反應(yīng)速率，降低活性鋼鍍鋅時(shí)ζ相的生長(zhǎng)速率，提高鍍層的附著性，在鍍層表面形成連續(xù)的η相自由鋅層而令其外觀保持光亮。當(dāng)鍍液成分含有0.1%～0.25% Ni時(shí)，能消除鍍層表面發(fā)黑、超厚的現(xiàn)象，提高鍍層的耐蝕性。當(dāng)鎳含量太低時(shí)，減薄鍍層作用不明顯，鎳含量太高則會(huì)生成比較多的鋅渣。

1.4 錫元素

錫是一種低熔點(diǎn)的金屬，熔點(diǎn)只有232 ℃，極易與各種金屬形成合金。錫的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，在常溫下不易被氧化，向熱鍍鋅液中添加錫能獲得較好的外觀。另外，錫元素的存在不僅可以獲得美麗的鋅花，而且還可以降低熱鍍鋅液的熔點(diǎn)，起到節(jié)能減排的作用。

研究表明[12]，當(dāng)熱鍍鋅液中Sn的含量3%～5%時(shí)，會(huì)明顯減少鍍鋅層的厚度，因?yàn)镾n難溶于Fe-Zn相層中，隨著Fe-Zn合金層的生長(zhǎng)，Sn會(huì)被排到Fe-Zn相層/液相Zn的生長(zhǎng)界面上，到足夠量時(shí)就會(huì)形成一連續(xù)層，阻擋Fe與Zn的相互擴(kuò)散，從而抑制Fe-Zn合金層的生長(zhǎng)。因此，為保證鍍層的性能，鋅液中錫的含量需要嚴(yán)格控制。

1.5 硅元素

硅元素是一種非金屬元素，熔點(diǎn)1410 ℃，熔點(diǎn)較高，因此在熱鍍條件下很難與金屬形成共晶反應(yīng)，一般會(huì)在晶界上偏析，從而形成硅的氧化物。硅元素含量過(guò)高容易在熱鍍過(guò)程中產(chǎn)生Sandelin效應(yīng)，鍍層活性顯著增加，形成超厚、灰暗而粘附性差的鍍層[13]。因此需要嚴(yán)格控制硅元素的含量，不能超過(guò)0.3%。

研究表明[14]，硅能抑制熱鍍鋅鍍層中Fe-Zn或Fe-Al合金相的生長(zhǎng)，還能提高熱鍍鋅層與基材的附著力。另外，硅還能夠提高鍍層的耐腐蝕性能，因?yàn)楣钑?huì)在晶界上偏析，并形成硅-氧化物，從而抑制β-Zn相發(fā)生氧化反應(yīng)。對(duì)于在典型的微量硅的鋼材上進(jìn)行熱鍍時(shí)，在正常鍍鋅溫度下獲得的鍍層組織由鐵基起依次為Γ-Fe5Zn21、δ-FeZn10、ζ-FeZn13相,以及由自由鋅凝固而成的η相,符合鋅鐵二元平衡相圖,且合金層是緊密排列而連續(xù)的[15]?？梢?jiàn)，少量硅的摻入對(duì)熱浸鋅鍍層厚度和鍍層形貌基本沒(méi)有影響。

1.6 稀土元素

稀土元素是17種特殊的元素的統(tǒng)稱(chēng)，但涉及到熱鍍鋅工藝的稀土添加元素主要為鈰和鑭兩種元素。通常稀土元素都表現(xiàn)出很強(qiáng)的電負(fù)性，能和氧原子、硫原子結(jié)合成穩(wěn)定的化合物。熱鍍鋅液中加入鈰、鑭等稀土元素后，能降低鋅液表面張力和固液界面能，改善鋅液的浸潤(rùn)性，同時(shí)起到細(xì)化合金晶粒，凈化界面O、S等雜質(zhì)元素，最終提高熱度鋅層的耐腐蝕性能[16]。向鋅液中添加適量的稀土元素還可以減薄Zn-Fe鍍層厚度，明顯降低熱鍍鋅液溫度，具有節(jié)能減耗的作用。

通常認(rèn)為稀土的加入并不會(huì)改變熱鍍鋅層的結(jié)構(gòu)，并能細(xì)化鍍層表面的合金組織。稀土鈰能富集在鍍層表層，并在鍍層表面形成一層很薄的致密Ce2O3氧化層，阻隔腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入，從而提高其耐氧化腐蝕性能。有研究認(rèn)為[17]，稀土元素在鍍層中的擴(kuò)散不是均勻進(jìn)行的，其會(huì)在Fe-Zn合金相界面上產(chǎn)生偏析，抑制基體Fe元素和鍍層Zn元素的相互擴(kuò)散，從而降低了金屬間化合物的生長(zhǎng)速率。但是當(dāng)稀土含量大于0.20%時(shí)，鍍層出現(xiàn) Zn-稀土化合物偏聚于晶界面，發(fā)生局部腐蝕，最終反而影響鍍層的耐腐蝕性能。

2 結(jié) 語(yǔ)

向鋅液中添加一些微量元素確實(shí)能改善熱鍍鋅耐腐蝕性能不足的問(wèn)題，提高熱鍍鋅鍍層質(zhì)量，延長(zhǎng)輸電桿塔的運(yùn)行使用壽命，但必須嚴(yán)格控制其摻雜量，否則反而會(huì)降低鍍鋅層的性能。通常，各元素的含量均不應(yīng)超過(guò)0.2%。

但目前，我國(guó)輸電桿塔仍以傳統(tǒng)的熱鍍鋅塔材為主，目前尚未有采用其他摻雜元素改性的熱鍍鋅材料進(jìn)行應(yīng)用。因此，大力發(fā)展新型熱鍍鋅材料，延長(zhǎng)輸電桿塔的運(yùn)行使用壽命，減少其防腐維護(hù)所使用的費(fèi)用，將具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。