王邦林 *，廖興利，柯?lián)碥?，陳欽燁，李武俊，馬尚城，盧承宏， 顏財(cái)敏，邵凱湖，白炳城，谷長(zhǎng)棟

（1.溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325013； 2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

輸電鐵塔作為輸電線(xiàn)路的承重結(jié)構(gòu)，是電力輸送和安全運(yùn)行的重要保障[1]。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235和低合金高強(qiáng)度鋼Q345能夠滿(mǎn)足不同類(lèi)型輸電鐵塔的力學(xué)性能要求，但這些材料的耐腐蝕性能差，若不進(jìn)行表面防腐處理，很容易在短時(shí)間內(nèi)就腐蝕失效。因此，材料表面防腐處理是輸電鐵塔安全服役的關(guān)鍵。熱浸鍍鋅是目前應(yīng)用最廣、最經(jīng)濟(jì)有效的鋼制件表面處理工藝，熱浸鍍鋅層具有分布均勻、附著力強(qiáng)、耐蝕性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。然而輸電塔鋼制件(尤其是塔腳)長(zhǎng)期服役于野外惡劣環(huán)境中，鍍鋅工藝控制不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致鋅層出現(xiàn)大面積銹蝕和脫落[3-5]。影響熱鍍鋅鋼制件耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素之一是鍍鋅層的厚度[6]，現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《輸電線(xiàn)路鐵塔制造技術(shù)條件》(GB/T 2694–2018)規(guī)定了不同厚度鋼材對(duì)應(yīng)的最低鍍鋅層厚度，其中厚度大于5 mm的鍍件要求鍍鋅層的厚度大于86 μm。隨著我國(guó)能源基建的輸出，如在“一帶一路”建設(shè)中一般都是依據(jù)Standard Specification for Zinc (Hot-dip Galvanized) Coatings on Iron and Steel Products(ASTM A123/A 123M-02)的規(guī)范，其中規(guī)定厚度大于6.4 mm的鍍件的鍍鋅層厚度應(yīng)不小于100 μm。因此，開(kāi)發(fā)耐腐蝕性能優(yōu)異的熱浸鍍厚鋅工藝具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)鍍鋅層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，鍍鋅層的厚度(δ)與施鍍時(shí)間(t)的關(guān)系為δ = ktn(其中，k為生長(zhǎng)速率常數(shù)，n為生長(zhǎng)速率時(shí)間指數(shù))[7]，即鍍鋅層的厚度與施鍍時(shí)間呈正比，但是隨著施鍍時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍鋅層的結(jié)合力逐漸變差。鍍鋅溫度的升高能加快Fe–Zn反應(yīng)的擴(kuò)散，對(duì)鍍鋅層性能有著重要影響。此外，鋼件鍍前的烘干溫度和烘干時(shí)間也會(huì)影響鍍鋅層的結(jié)合力。本文通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)鋼制件的鍍前烘干溫度和時(shí)間、鍍鋅溫度和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，熱浸鍍得到厚度大于100 μm的厚鋅層，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 熱浸鍍厚鋅工藝

基體材料為100 mm × 100 mm × 8 mm的Q345鋼板，鍍鋅在智能熱鍍鋅流水線(xiàn)上完成，主要工藝流程為：酸洗除銹(鹽酸18 g/L，HG高效環(huán)保型酸洗添加劑適量，室溫，時(shí)間20 min)→水洗→溶劑助鍍(氯化鋅180 g/L，氯化銨230 g/L，溫度60 °C，時(shí)間2 min)→烘干→熱浸鍍鋅→冷卻→鈍化。

鍍鋅液由0號(hào)鋅錠、高純鋁和鋅鎳中間合金配制而得，采用德國(guó)Bruker公司的S4 Pioneer型X射線(xiàn)熒光光譜儀測(cè)得鍍液組成(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))為：Al 0.0062%，Ni 0.0210%，F(xiàn)e 0.0172%，Pb 0.0045%，Zn余量。

1.2 性能檢測(cè)

取鍍鋅試樣，用線(xiàn)切割機(jī)截取橫截面，經(jīng)鑲樣(防止鍍鋅層破壞)、打磨和拋光后，采用含4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸的酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在Phenom Pro X掃描電鏡(SEM)下觀(guān)察鍍鋅層的截面形貌及其與基體的結(jié)合情況，并測(cè)量鍍層厚度。采用SEM搭載的能譜儀(EDS)分析鍍鋅層的元素分布情況。

采用華銀HVS-1000A數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍鋅層的顯微硬度。測(cè)試面為經(jīng)打磨拋光的熱鍍鋅橫截面，載荷200 g，加載時(shí)間15 s，每隔10 μm為1個(gè)取樣點(diǎn)，以3次測(cè)量的結(jié)果作為梯度硬度的平均值和偏差。由于鍍鋅層的硬度直接影響耐磨性，因此每個(gè)試樣取最高測(cè)定值來(lái)進(jìn)行比較。

依據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》(GB/T 10125–2012)進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。鹽霧溶液為3.5% NaCl，pH為7.0。試樣與水平面呈25°放置，每80 cm2的鹽霧沉降量為1.2 mL/h，溫度35 °C，時(shí)間96 h。試驗(yàn)完畢，依據(jù)《金屬基體上金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層 經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)》(GB/T 6461–2002)進(jìn)行RP/RA性能評(píng)級(jí)，RP指保護(hù)評(píng)級(jí)，RA指外觀(guān)評(píng)級(jí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)方案

以熱浸鍍鋅前的烘干溫度、時(shí)間及鍍鋅溫度、時(shí)間為因素，熱鍍鋅層厚度、結(jié)合力和顯微硬度為指標(biāo)，采用L9(34)正交試驗(yàn)表對(duì)熱鍍鋅工藝進(jìn)行優(yōu)化，以獲得鍍層組織結(jié)構(gòu)和性能都較優(yōu)的熱浸鍍厚鋅工藝。具體方案見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平 Table 1 Levels of different factors for orthogonal test

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

從圖1可知，在不同工藝條件下獲得的熱浸鍍鋅層的形貌和厚度都不同。除了在A(yíng)1B1C1D1條件下所得鋅層(1#)與基體之間存在很大的縫隙，其余鍍鋅層與基體之間都結(jié)合緊密，表明所選熱浸鍍鋅工藝基本上都能制得結(jié)合力合格的鍍鋅層。另外，A1B1C1D1和A3B1C3D2條件下所得的1#和7#鍍鋅層都存在貫穿至基底的微裂紋。

圖1 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的截面形貌 Figure 1 Cross-sectional morphologies of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

從圖2可知，基體的顯微硬度在170 ~ 180 HV之間。隨鍍層與基體界面距離的增大，顯微硬度逐漸減小，鍍鋅層表層的顯微硬度僅70 HV左右。表2示出了不同工藝條件下所得鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度。

表2 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度 Table 2 Thickness and highest microhardness of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

圖2 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的顯微硬度 Figure 2 Microhardness of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

2.3 直觀(guān)分析

從表3可知，從鍍鋅層厚度方面考慮，較佳工藝組合為A3B1C2D1。鍍鋅溫度對(duì)鍍層厚度的影響最大，其次是鍍鋅時(shí)間，鍍前烘干溫度和時(shí)間對(duì)厚度的影響相差不大。從鍍鋅層的最高顯微硬度看，較佳工藝組合為A2B1C3D1，各因素對(duì)鍍層最高顯微硬度的影響順序?yàn)椋哄冧\溫度 > 鍍前烘干溫度 > 鍍鋅時(shí)間 > 鍍前烘干時(shí)間。

表3 鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度的直觀(guān)分析 Table 3 Visual analysis for thickness and highest microhardness of hot-dip zinc coating

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

分別在上述以鍍鋅層厚度和最高顯微硬度為指標(biāo)得出的較佳工藝條件(即A3B1C2D1和A2B1C3D1)下熱鍍鋅，對(duì)所得鍍層的截面進(jìn)行線(xiàn)掃描分析。從圖3可以看出，在A(yíng)3B1C2D1和A2B1C3D1條件下所得的鍍鋅層都致密，無(wú)微裂紋存在，厚度分別為(234.5 ± 2.6) μm和(138.2 ± 2.2) μm，與基體表面緊密結(jié)合。根據(jù)Fe–Zn二元相圖[8]，從鋼基體到鍍鋅層表面會(huì)依次形成α-Fe相層、Г相層、ζ相層和η-Zn相層。從圖3的能譜分析結(jié)果可知，在A(yíng)3B1C2D1條件下所得鍍鋅層中基本不存在η-Zn相層。此外，顯微硬度測(cè)試結(jié)果顯示，在A(yíng)3B1C2D1和A2B1C3D1條件下所得鍍鋅層的最高顯微硬度分別為(239 ± 4) HV和(263 ± 3) HV。兩者的厚度和最高顯微硬度均高于正交試驗(yàn)的9個(gè)組合。

圖3 較佳工藝條件下所得熱浸鍍鋅層的截面線(xiàn)掃分析結(jié)果 Figure 3 Results of EDS line scan analysis at cross-sections of hot-dip zinc coatings obtained under the optimal conditions

熱浸鍍鋅鋼制件長(zhǎng)期暴露在野外潮濕環(huán)境中，會(huì)受到強(qiáng)烈的腐蝕。針對(duì)這一工況，對(duì)兩個(gè)較佳工藝條件下所得鍍鋅層進(jìn)行了96 h中性鹽霧試驗(yàn)。如圖4所示，A3B1C2D1鍍鋅層50%以上的表面存在陽(yáng)極性覆蓋層的腐蝕產(chǎn)物，耐腐蝕性能等級(jí)為8/0C(“8”指缺陷面積超過(guò)表面0.1%，小于表面0.25%；“0C”指陽(yáng)極性覆蓋層發(fā)暗面積超過(guò)50%)。A2B1C3D1鍍鋅試樣無(wú)明顯缺陷和陽(yáng)極性覆蓋層的腐蝕產(chǎn)物，耐腐蝕性能評(píng)級(jí)為10/?vsB (“10/?”指無(wú)缺陷；“vs”指破壞程度非常輕；“B”指很難看見(jiàn)覆蓋層腐蝕導(dǎo)致的發(fā)暗)，表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能。

圖4 較佳工藝條件下所得的熱浸鍍鋅層在中性鹽霧試驗(yàn)96 h后的狀態(tài) Figure 4 Appearances of hot-dip zinc coatings obtained under the optimal conditions after neutral salt spray test for 96 hours

綜合以上兩種驗(yàn)證試驗(yàn)，得到最佳工藝組合為A2B1C3D1，即：鍍前烘干溫度80 °C，鍍前烘干時(shí)間3 min，鍍鋅溫度440 °C，鍍鋅時(shí)間4 min。

3 結(jié)論

以鍍鋅層厚度和最高硬度為指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)鋼制件的熱浸鍍鋅工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到較佳的工藝條件為：鍍前烘干溫度80 °C，鍍前烘干時(shí)間3 min，鍍鋅溫度440 °C，鍍鋅時(shí)間4 min。在該條件下所得的鍍鋅層厚度達(dá)到138.2 μm，最高硬度為263 HV，耐腐蝕性能良好。