代玉杰,李存志,謝愛軍

(1.青島金鏈檢測技術(shù)服務(wù)有限公司,山東 青島 266705; 2.青島征和工業(yè)股份有限公司,山東 青島 266705)

近年來,經(jīng)常有客戶委托檢測鍍鋅產(chǎn)品的鍍鋅方式,但由于沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)而無法書面給出實(shí)質(zhì)性的鑒別報(bào)告。電鍍鋅與熱鍍鋅鋼材傳統(tǒng)的區(qū)分方法主要是感官檢驗(yàn)鋅花。鋅花是指熱鍍鋅鋼材從鋅鍋拉出后,隨著鋅層的冷卻凝固,鍍層中的鋅結(jié)晶時(shí)生成的一種具有特定位向的粗大晶粒[1]。熱鍍鋅鋼材表面通常比較粗糙,具有典型的鋅花特征;而電鍍鋅鋼材的表面比較光滑。隨著新技術(shù)的提高與發(fā)展,即使是同一廠家的電鍍鋅與熱鍍鋅鋼材從外觀上已無法進(jìn)行區(qū)分,熱鍍鋅鋼材已不具備普通鋅花的典型特征,尤其是無鉛鋅液生產(chǎn)的無鋅花或小鋅花的熱鍍鋅鋼材[2-3]。甚至有時(shí)熱鍍鋅鋼材表面比電鍍鋅鋼材表面更加光亮,反光性更好。另外由于氣刀技術(shù)的進(jìn)步,小鋅花和無鋅花生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善,熱鍍鋅鋼板的表面質(zhì)量大大提高[4]。因此,目前已不能通過感官檢驗(yàn)鋅花來區(qū)分兩者,勢必要從理論根源上研究區(qū)分兩者的方法。

1 試驗(yàn)儀器

本文使用日本理學(xué)(Rigaku)D/max-2500PC型X射線衍射儀進(jìn)行XRD測試,使用Zeiss Axio1型金相顯微鏡及S-3400N型掃描電鏡對電鍍鋅層和熱鍍鋅層進(jìn)行觀察。

2 原理介紹

2.1 熱鍍鋅原理

熱鍍鋅也稱熱浸鋅和熱浸鍍鋅,其原理是將表面除銹、活化等預(yù)處理后的鋼鐵制品浸入445～460 ℃熔融的鋅液(浴)中,通過鋼鐵鐵基體與鋅液體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程,在鋼鐵制品表面鍍覆附著性良好的Zn-Fe合金鍍層[5]。熱鍍鋅層的形成過程實(shí)質(zhì)是鐵基體與最外面的純鋅層之間形成Zn-Fe合金層的過程,因此其附著力非常強(qiáng),不容易脫落,耐腐蝕性非常好。從微觀組織上觀察熱鍍鋅的基本特征為兩層結(jié)構(gòu):靠近鋼基體一層為Zn-Fe合金層,最外側(cè)一層為純鋅層。

熱鍍鋅層中有Zn-Fe合金相,其包括Γ1相、Γ2相、δ相和ζ相,各相的化學(xué)式及性能見表1。

表1 Zn-Fe合金相化學(xué)式及性質(zhì)[5]

2.2 電鍍鋅原理

電鍍鋅也稱冷鍍鋅,其原理是利用電解原理在工件表面形成均勻致密、結(jié)合良好的金屬或合金沉積層的過程,從而防止鋼材腐蝕。電鍍鋅是將試件經(jīng)過除油、酸洗后放入鋅鹽溶液中,并連接電解設(shè)備的負(fù)極,在試件的對面放置鋅板并連接電解設(shè)備的正極,利用電流從正極向負(fù)極的定向移動(dòng),電解液中Zn2+在電位作用下成核生長沉積到試件上形成鍍鋅層,電鍍過程中沒有鋅鐵之間的擴(kuò)散過程,因此電鍍層從微觀組織上觀察只有一層純鋅層。

通過上述原理可知,熱鍍鋅層存在Zn-Fe合金層和純鋅層,而電鍍鋅層只有一層純鋅層,可通過檢測鍍層中有無Zn-Fe合金層作為主要依據(jù)來鑒別電鍍鋅層與熱鍍鋅層。本文利用金相法和XRD法對電鍍鋅層與熱鍍鋅層進(jìn)行鑒別,該方法適用于鍍鋅的鋼板、鋼帶、鋼絲和鋼管等產(chǎn)品。

3 鑒別方法

3.1 金相法

金相法不受含量范圍、樣品尺寸限制,適用于所有電鍍鋅與熱鍍鋅產(chǎn)品。其原理為從待測試樣上切取試樣,鑲嵌后對試樣橫截面進(jìn)行研磨、拋光(腐蝕),采用金相顯微鏡和掃描電子電鏡對鍍層的微觀形貌進(jìn)行觀察。如果在金相顯微鏡下無法觀察到清晰的兩層組織形貌,可采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察;當(dāng)從層次上無法識(shí)別時(shí),可采用EBSD系統(tǒng)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析,存在Zn-Fe合金相,則為熱鍍鋅層;反之則為電鍍鋅層。

3.1.1試樣制備

取垂直于鍍層的截面為檢測面,參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298和GB/T 6462進(jìn)行取樣、鑲嵌、研磨、拋光以及腐蝕。試樣在拋光態(tài)和腐蝕態(tài)下均可進(jìn)行檢測,腐蝕劑建議采用苦味酸乙醇水溶液,其配比為:苦味酸0.3 g、乙醇30 mL、蒸餾水70 mL,腐蝕時(shí)間:采用光學(xué)顯微鏡觀察時(shí)建議少于3 min;采用掃描電子顯微鏡觀察時(shí)為3～5 min。試樣也可采用其他溶液腐蝕,以清晰顯示組織為準(zhǔn)。

我從柳江古鎮(zhèn)回來已經(jīng)有好長一段時(shí)間了，那天在整理畫稿的時(shí)候，李小樹無意間看到我在柳江古鎮(zhèn)采風(fēng)時(shí)替許春花畫的一幅肖像。

3.1.2金相法鑒別原則

在拋光態(tài)下,熱鍍鋅層截面可清晰地觀測到兩層,最外層為純鋅層,組織粗大;內(nèi)層為Zn-Fe合金層,組織細(xì)小,如圖1(a)所示。而電鍍鋅層則只有一層,如圖1(b)所示。在腐蝕態(tài)下,熱鍍鋅層外側(cè)的純鋅層組織疏松、顏色較淺;內(nèi)層Zn-Fe合金層組織緊密、顏色相對偏深,如圖2(a)所示。而電鍍鋅層腐蝕后內(nèi)外顏色深度一樣,如圖2(b)所示。

(a)熱鍍鋅層;(b) 電鍍鋅層圖1 采用光學(xué)顯微鏡觀察鋼材鍍層拋光態(tài)形貌(a)hot dip galvanized coating; (b)electrogalvanizing coatingFig.1 Polished morphology of steel coating by optical microscope

如果采用金相顯微鏡無法區(qū)分鍍層層數(shù),可采用掃描電子顯微鏡觀察,拋光態(tài)下熱鍍鋅層和電鍍鋅層的形貌如圖3所示。

(a)熱鍍鋅層;(b) 電鍍鋅層圖3 采用掃描電鏡觀察鋼材鍍層拋光態(tài)形貌(a)hot dip galvanized coating; (b)electrogalvanizing coatingFig.3 Polished morphology of steel coating by scanning electron microscope

如果從鍍層分層上無法鑒別熱鍍鋅層和電鍍鋅層,可采用EBSD系統(tǒng)進(jìn)行Zn-Fe合金相分析,鍍層中存在Zn-Fe合金相,則為熱鍍鋅;反之則為電鍍鋅。具體情況分為以下兩種:

1)采用光學(xué)顯微鏡只觀察到一層鍍層,但該層為組織細(xì)膩的Zn-Fe合金層。

圖4(a)為熱鍍鋅鋼絲拋光后的形貌,其組織細(xì)膩,且邊界上有些許兩層痕跡。經(jīng)再次取樣后發(fā)現(xiàn)部分位置鍍層分為兩層,如圖4(b)所示。由于該樣品在鍍鋅后又經(jīng)過拉拔工藝,并且使用了很長時(shí)間,所以外側(cè)的純鋅層已經(jīng)脫落,只保留了Zn-Fe合金層,從而導(dǎo)致檢測時(shí)容易出現(xiàn)誤解。

(a)只有一層;(b)部分保留兩層圖4 熱鍍鋅鋼絲拋光態(tài)形貌(a)only one layer; (b)partially retain two layersFig.4 Polished morphology of the hot dip galvanized steel wire

2)鍍層為兩層或多層結(jié)構(gòu),但鍍層組織形貌一致,沒有組織區(qū)分。這種情況多數(shù)是樣品經(jīng)過了多次電鍍,雖然是兩層結(jié)構(gòu),但沒有檢測到Zn-Fe合金層相,為電鍍鋅層。

3.2 X射線衍射法

3.2.1X射線衍射法鑒別原則

若鍍層中存在Zn-Fe合金相,則為熱鍍鋅層,如圖5所示;未檢測出Zn-Fe合金相,則為電鍍鋅層,如圖6所示。

圖5 熱鍍鋅鋼材鍍層XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of the hot-dip galvanized steel coating

圖6 電鍍鋅鋼材鍍層譜圖Fig.6 XRD pattern of the electrogalvanizing steel coating

3.2.2X射線衍射法的弊端

1)試樣要求

X射線衍射法檢測樣品為平板試樣,對于小直徑的鋼絲和鋼管,由于表面有弧度,其準(zhǔn)確度不高。檢測樣品要求鋼絲直徑>8 mm、鋼管類外徑>8 mm,這樣才能保證制成最小尺寸5 mm×5 mm的平板試樣。

除此之外,試樣還應(yīng)滿足以下要求:①選取的試樣表面鍍層完好,無脫落、無刮傷等缺陷;②試樣切割時(shí)應(yīng)冷卻切割,避免鍍層發(fā)生過熱熔化、脫落等現(xiàn)象;③先后用丙醇和無水乙醇對試樣進(jìn)行超聲波清洗,去除表面的油污、污漬等。

2)相含量

X射線衍射法對于鍍層中相及元素含量≤5%的識(shí)別度不高,如果鍍層中相含量尤其是Zn-Fe合金相含量非常少,則不適合采用X射線衍射法鑒別。

3)鍍層厚度

對于一些熱鍍鋅產(chǎn)品,當(dāng)其外層的純鋅層非常厚(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般鍍層厚度≥40 μm)時(shí),由于X射線無法穿透純鋅層,而無法檢測到Zn-Fe合金層,進(jìn)而會(huì)誤認(rèn)為其是電鍍鋅層。

4 結(jié)論

1)由于熱鍍鋅和電鍍鋅原理不同,熱鍍鋅層和電鍍鋅層結(jié)構(gòu)不同,熱鍍鋅層分為兩層,而電鍍鋅層只有一層,可以采用金相法直接觀察進(jìn)行鑒別。當(dāng)采用金相顯微鏡無法區(qū)分鍍層層數(shù)時(shí),可采用掃描電子顯微鏡觀察鍍層層數(shù)。如果從層次上無法識(shí)別,可采用EBSD系統(tǒng)分析鍍層中有無Zn-Fe合金相。

2)采用X射線衍射法鑒別熱鍍鋅層和電鍍鋅層時(shí),鍍層中存在Zn-Fe合金相為熱鍍鋅層,反之則為電鍍鋅層。但X射線衍射法對檢測樣品有一定的要求,而且會(huì)受到鍍層中相含量和厚度的限制。