杜 仲，張保紅，熊 寧，杜麗業(yè)，李 研

(1.安泰天龍鎢鉬科技有限公司，100094，北京；2. 首鋼技術(shù)研究院薄板研究所，100043，北京)

0 引言

熱鍍鋅是金屬制品最基本、最有效的防腐技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個行業(yè)。由于鋅液能和絕大多數(shù)金屬發(fā)生反應(yīng)，造成金屬制件的腐蝕損壞，熱鍍鋅生產(chǎn)設(shè)備，如沉沒輥、校正輥、穩(wěn)定輥、軸套等部件，容易遭受到鋅液的侵蝕，造成設(shè)備腐蝕磨損，并影響產(chǎn)品質(zhì)量。隨著產(chǎn)品的升級，鍍鋅溫度和鋅液中Al含量逐步增加，從460℃的ZnAl溶液(Zn-0.2Al)向630℃的AlZn溶液(55Al-Zn)轉(zhuǎn)變，進一步加劇了金屬制件的腐蝕過程。在熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，浸沒在鋅液內(nèi)部的沉沒輥、軸套等部件均需定期更換，一條生產(chǎn)線每年因此增加的生產(chǎn)成本超過500萬元，因此急需提高沉沒輥及軸套的使用壽命。

目前相關(guān)研究主要針對如何提高沉沒輥壽命[1-6]，對軸套壽命的相關(guān)研究較少[7]。但如軸套的服役壽命不足，將成為熱鍍鋅工藝的瓶頸，仍會造成鍍鋅生產(chǎn)線的定期停機更換配件，因此對軸套壽命的研究改進刻不容緩(圖1、圖2[3, 6])。

本文分析了某廠熱鍍鋅用穩(wěn)定輥軸套及軸瓦在熱鍍鋁鋅環(huán)境下的失效行為，為長壽命軸套及軸瓦的設(shè)計和使用提供理論依據(jù)。

圖1 連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線示意圖

圖2 軸套軸瓦3D示意圖

1 試驗

1.1 試樣制備方法

采用鹽酸對一個工作周期(14 d)失效后的穩(wěn)定輥軸套和軸瓦進行了清洗脫鋅處理，軸套和軸瓦的工況條件為630℃的55Al-Zn溶液。采用線切割方法制成塊狀試樣若干。取不同工作部位的試樣，用Al2O3砂紙打磨后進行拋光，制備成截面觀察試樣。

1.2 試驗方法

使用掃描電子顯微鏡(SEM)對軸套截面、軸套表面以及軸瓦界面和表面進行組織觀察，并使用能譜儀(EDS)對各相中的元素進行定性及半定量分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸套宏觀與微觀形貌

圖3是工作失效后的穩(wěn)定輥軸套形貌，該軸套表面磨損嚴(yán)重，直徑顯著減小，形成了一段長約80 mm，深約2.5 mm的槽，槽內(nèi)形成大量切向的犁溝狀磨痕，局部區(qū)域有鋅渣黏附。軸套內(nèi)部及端面無磨損及鋅液腐蝕痕跡。

圖3 失效后的軸套形貌

通過軸套截面組織觀察發(fā)現(xiàn)(圖4)，軸套為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，延徑向存在3種不同成分和微觀組織的區(qū)域。經(jīng)EDS測定，內(nèi)層為Fe基合金，外層為Co基合金，由內(nèi)向外，F(xiàn)e、Ni含量逐步降低，Cr、Si含量保持穩(wěn)定，Co、Mo含量顯著提高。通過元素含量確認(rèn)，外層的Si含量超過2.2 wt%，為過共晶Co-Mo-Cr-Si系鈷合金，該種合金具有較好的抗腐蝕性能[8]。

(a)宏觀形貌 (b)失效界面的形貌

外層微觀組織包含白色塊狀萊維氏相(Laves相)、灰色Co基固溶體以及二者的共晶組織，其中Laves相中Mo、Si含量最多，因Mo與Zn基本不反應(yīng)、不互溶，因此具有較好的耐腐蝕性能。Co與其他元素的合金化，形成了堅韌的基體，Cr元素可以增加高溫面心立方結(jié)構(gòu)富鈷固溶體在室溫轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕浇Y(jié)構(gòu)富鈷固溶體的可能性，進而提高耐腐蝕性能和增強固溶體[9]。截面形貌中2種組織的成分如表1所示。軸套外層邊緣未發(fā)現(xiàn)含鋁鋅元素的腐蝕產(chǎn)物，但邊緣參差不齊，存在蝕孔和裂紋，保留下來的多為laves相。這主要是因為Co基固溶體抗腐蝕性能相對較差，在鋁鋅液中更容易被腐蝕。

表1 軸套外層截面不同組織的化學(xué)成分

軸套表面存在大量寬且深的犁溝磨痕，其微觀組織表現(xiàn)為表面彌散分布著粗大的枝狀相，其間分布著顆粒狀或長條狀的物質(zhì)(圖5)。經(jīng)過EDS分析，不同區(qū)域的化學(xué)成分如表2所示。通過與截面成分對比確認(rèn)，枝狀相為Laves相，顆粒為共晶相，同時各組織中的Fe和Al含量明顯增加，表明軸套表面發(fā)生了明顯的鋁鋅液腐蝕。

圖5 軸套表面的形貌

表2 軸套表面不同組織的化學(xué)成分

Wt.%AlSiCrFeCoMoc1.63 5.52 11.79 5.35 38.02 37.69 d3.45 5.77 19.86 8.59 46.67 15.67 e11.55 10.48 17.15 14.37 30.64 12.43

軸套表面的附著物如圖6所示，附著物主要為熔渣狀態(tài)，夾雜著少量尖銳顆粒。經(jīng)EDS能譜分析，不同區(qū)域的化學(xué)成分如表3所示。附著物主要為3種形態(tài)，第1類是Zn-Al的金屬間化合物，第2類是多種金屬元素(Zn、Al、Fe、Co、Cr等)形成的復(fù)雜化合物，兩類物質(zhì)都發(fā)生了明顯的氧化，這主要是由于軸套高溫出爐暴露在空氣中導(dǎo)致的。第3類物質(zhì)表現(xiàn)為尖銳顆粒，成分為Fe2Al5或(Fe，Co)2Al5，彌散分布在熔渣中。

(a)熔渣 (b)尖銳顆粒

表3 軸套表面附著物的化學(xué)成分

Wt.%AlWMoFeCoZnf19.28 6.943.935.831.7563.99g0.8057.902.983.911.5629.60h50.10 03.9322.294.955.67

2.2 軸瓦宏觀及微觀形貌

配套工作軸瓦的表面形貌見圖7。軸瓦整體并無明顯尺寸變化，因生產(chǎn)過程中鋼帶的側(cè)向力作用，導(dǎo)致軸套和軸瓦局部緊密接觸并發(fā)生磨損，該磨損區(qū)域有明顯磨損痕跡，同時伴有大量切向的犁溝，磨損區(qū)域邊緣有大量黏附物質(zhì)。其余部位有銹蝕痕跡。切割下的塊狀軸瓦背部有明顯的鋅液附著現(xiàn)象。

圖7 失效軸瓦的形貌

軸瓦截面形態(tài)為深色相內(nèi)部均勻彌散分布著白色“板條狀”相，無分層現(xiàn)象(圖8)。經(jīng)EDS測定，軸瓦為Fe-Co-Cr-Ni-Mo合金，板條狀組織中Cr、Mo含量高于基底，并含有一定量的W元素。2個區(qū)域的成分如表4所示。

(a)截面組織 (b)工作區(qū)域形貌

表4 軸瓦截面不同組織的化學(xué)成分

Wt.%FeCoCrNiMoW深色相37.9520.7425.1512.663.50-白色相18.019.4730.353.2312.5420.74

軸瓦的非工作面發(fā)生了明顯的鋅液浸入和腐蝕行為，試件邊緣起伏不平，組織疏松并有明顯的物質(zhì)脫落現(xiàn)象。工作區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)明顯的含鋅鋁元素的腐蝕產(chǎn)物，可能被磨損或酸洗去除，但工作部位附近也形成了孔蝕和裂紋，部分區(qū)域組織疏松。

軸瓦表面分為磨損區(qū)域和非磨損區(qū)域，二者的形貌相近，深色基底中彌散分布著白色網(wǎng)狀組織，網(wǎng)狀組織凸起在基底表面(圖9)；能譜分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀組織的化學(xué)成分和截面中的板條相接近，且Cr、Mo含量高于基底相。磨損區(qū)中部分區(qū)域網(wǎng)狀組織不連續(xù)，有明顯磨損缺失。

(a)磨損區(qū) (b)非磨損區(qū)

在鋁鋅液中，軸瓦表面發(fā)生了均勻的腐蝕，但富含Cr、Mo元素的板條相具有更好的抗腐蝕能力，腐蝕速率低于基底，導(dǎo)致了板條相的凸起。同時在與軸套接觸的工作區(qū)域，因摩擦磨損作用導(dǎo)致板條相的缺失，加速了其腐蝕速率。

2.3 腐蝕磨損機理

軸套及軸瓦在鋁鋅液中發(fā)生了腐蝕磨損現(xiàn)象，軸套屬于劇烈磨損狀態(tài)，軸瓦磨損量顯著低于軸套，表明鈷基合金和鐵基合金的腐蝕磨損機理存在差別。

液態(tài)金屬的腐蝕機制有以下3種情況[10]：液態(tài)金屬將固態(tài)金屬在熱端溶解下來并將其傳導(dǎo)到冷端而沉積下來；液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在固態(tài)金屬表面形成金屬間化合物；液態(tài)金屬擴散至固態(tài)金屬表面，在表面層形成新的合金或化合物。Al、Zn對Co基和Fe基合金都存在一定互溶性，3種腐蝕機制同時存在。其腐蝕過程主要分為4個階段：1)鋁鋅液在合金表面反應(yīng)吸附；2)鋁鋅液與固溶體發(fā)生反應(yīng)生成化合物；3)反應(yīng)繼續(xù)進行導(dǎo)致化合物顆粒脫落，鋅液繼續(xù)腐蝕基體；4)鋁鋅液向基體內(nèi)部腐蝕．以鋅液和鋁液為例分別分析對Co基合金和Fe基合金的腐蝕過程。

鋅液對Co基合金的具體的腐蝕過程如下：鈷基合金與鋅液接觸后，鋅原子將吸附在合金表面；之后，鋅和鈷基固溶體互相反應(yīng)，逐步生成CoZn相，隨著原子的進一步擴散繼續(xù)生成CoZn21，最終生成CoZn13。反應(yīng)消耗了Co基固溶體，且生成的產(chǎn)物堆積在Co3Mo2Si晶間，失去固溶體依托的Co3Mo2Si晶粒與基體的結(jié)合強度降低，在應(yīng)力作用下從基體上整個剝落下來。鈷基合金被鋅液腐蝕掉一層，反應(yīng)擴散層相應(yīng)向內(nèi)推進一層。如此反復(fù)，形成了鋅液對鈷基合金的腐蝕[9]。

鋁液對Fe基材料的腐蝕過程如下：二者接觸時，會在界面處發(fā)生互擴散，導(dǎo)致Fe基材料與鋁液中均產(chǎn)生一個擴散層。隨著擴散的繼續(xù)進行，生成含鐵量最少的內(nèi)生成相FeAl3，隨后鐵原子和鋁原子的互擴散在穿過FeAl3的條件下進行，F(xiàn)eAl3開始部分地轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2Al5，因為兩相組織結(jié)構(gòu)不相同，存在組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力；在該應(yīng)力的作用下，F(xiàn)e2Al5會部分地剝落和溶解，暴露出新鮮的基體，新的鐵基體和鋁液再接觸又重新形成FeAl3，過程交替進行，完成對Fe基合金的腐蝕[11]。

由于Fe-Al的自由焓大于Fe-Zn，F(xiàn)e-Al化合物優(yōu)先形成，這種Fe-Al化合物直接富集在鋼基表面上，本文所述的尖銳顆粒相即為Fe2Al5相。研究結(jié)果表明，這種塊狀相有較高的硬度，顯微硬度可達HV1150[12]。軸套在使用過程中就產(chǎn)生了由軸套、軸瓦和尖銳顆粒相組成的磨粒磨損，磨損的作用也加速了腐蝕產(chǎn)物的剝落，進一步加快了腐蝕的過程。

綜合以上分析，軸套及軸瓦在工作過程中，腐蝕和磨損是同時、交替、協(xié)同進行的。對軸套來說，鋁鋅液與Co合金互相反應(yīng)，其中耐蝕性差的Co基固溶體易于熔融脫落，暴露出的Laves相在磨粒磨損的情況逐步消耗，最終導(dǎo)致軸套的尺寸顯著變化。對于軸瓦，鋁鋅液在Fe基固溶體中浸入和腐蝕，在軸瓦內(nèi)部形成空洞和裂紋，造成Fe基固溶體的消耗，而磨粒磨損也導(dǎo)致具有一定耐蝕性的富Cr相的剝離，最終在軸瓦中形成了明顯的磨痕。

3 展望

為提高熱鍍鋅生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命，表面強化改性，特別是熱噴涂技術(shù)，被廣泛的使用和研究，大量針對熱鍍鋅沉沒輥的研究表明，等離子噴涂[13]、超音速火焰噴涂[14-15]、爆炸噴涂[16]等熱噴涂技術(shù)制備的涂層都可顯著改善工件的抗腐蝕壽命。

涂層材料常選用WC-Co、MoB-CoCr、FeAl、YSZ陶瓷等材料，其中Co粘結(jié)相的腐蝕易導(dǎo)致WC涂層的失效，Zn對FeAl涂層晶界的滲透導(dǎo)致涂層逐漸剝離，因硼化物和金屬Mo對Zn液的潤濕性差，日本Fujimi公司研發(fā)的MoB-CoCr涂層[17]具有非常優(yōu)異的抗Al-Zn熔液腐蝕的能力。陶瓷材料雖也具有和Zn液潤濕液差的特點，但其脆性大以及涂層孔隙多的特點，不利于提高抗腐蝕性能。通過合適的材料改性、涂層結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，也可以獲得腐蝕性能優(yōu)異的涂層。如呂艷紅等采用等離子噴涂工藝制備的Al2O3-TiB2復(fù)合涂層，經(jīng)過30 d的Zn液浸泡，涂層未見明顯腐蝕和開裂[13]。

另外，涂層封孔處理可以填充涂層中的孔隙，阻礙Zn液向涂層內(nèi)部的擴散和腐蝕，可明顯提高抗腐蝕性能。

沉沒輥相關(guān)的研究對軸套抗腐蝕性能的提高提供了良好的指導(dǎo)借鑒作用，開發(fā)保護涂層可以提高軸套的抗腐蝕性能。目前在軸套表面已應(yīng)用了WC-Co涂層，但使用過程中發(fā)生了Co粘結(jié)相腐蝕的情況[7]，進而導(dǎo)致涂層的失效。制備適合軸套使用的抗腐蝕涂層，可以達到改善提高軸套使用壽命的目的，但需要考慮以下因素：選用合適的涂層材料，如浸潤性差的硼化物材料；調(diào)整涂層結(jié)構(gòu)，改善涂層抗熱震性能差異；優(yōu)化涂層制備工藝，降低涂層的孔隙率；增加涂層封孔處理工序。同時，軸套的腐蝕和磨損是同時發(fā)生的，需要對軸套及涂層的腐蝕磨損機理做進一步的深入研究，以提高涂層耐腐蝕磨損性能。

4 結(jié)論

1)軸套及軸瓦的失效過程是腐蝕和磨損的協(xié)同、交替作用導(dǎo)致的，F(xiàn)e2Al5硬質(zhì)顆粒導(dǎo)致的磨粒磨損是軸套及軸瓦工作過程的主要磨損形式。

2)鋁鋅液和軸套的Co基合金工作面層發(fā)生反應(yīng)形成化合物，導(dǎo)致Co基固溶體的熔融剝落，而富含Mo、Si的Laves相在Fe2Al5顆粒的作用磨損消耗，二者共同作用導(dǎo)致軸套尺寸顯著降低。

3)鋁鋅液浸入Fe基軸瓦內(nèi)部，導(dǎo)致孔洞和裂紋的形成，并引起了組織疏松，同時磨粒磨損導(dǎo)致富Cr相的消耗，是軸瓦失效的主要原因。