熱浸鋅鋼板鋅層厚度研究

張　順，　王玉星，　張　凱

(1.江蘇國華管塔制造有限公司，江蘇 徐州　221000;　2.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照　276800)

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熱浸鋅鋼板鋅層厚度研究

張順1，王玉星2，張凱1

(1.江蘇國華管塔制造有限公司，江蘇 徐州221000;2.日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照276800)

摘要：熱浸鋅鋼板的鋅層厚度是評估熱浸鋅鋼板防腐性能的重要指標。為得出熱浸鋅鋼板鋅層厚度與浸鋅時間之間的關系規律，從而精確地控制浸鋅時間和鋅層厚度，需要對不同厚度的鋼板熱浸鋅進行研究。通過掃描電鏡測定不同厚度鋼板在不同浸鋅時間的鋅層厚度，得出相應的鋅層厚度隨浸鋅時間變化的曲線，找出鋅層厚度與浸鋅時間之間的關系規律，并擬合得出鋅層厚度與浸鋅時間之間的關系系數值。結果表明，同一溫度下，鋅層厚度與浸鋅時間之間呈類似線性的關系，隨著鋼板厚度的增加，鋅層厚度增長的速度加快且鋅層厚度增大。

關鍵詞:熱浸鍍鋅; 鋅層厚度; 掃描電鏡; 浸鋅時間; 鋼板厚度

引言

熱浸鍍鋅是指將鋼件或者鑄件浸入熔融鋅液中,在其表面形成鋅-鐵合金或鋅和鋅-鐵合金覆蓋層的一種工藝過程[1]。因熱浸鋅產品具有良好的機械加工性能，熱浸鍍鋅層可以對鋼鐵材料進行陰極保護，在交通、建筑、通訊及電力等領域具有廣泛的應用,是目前鋼材防腐處理中較為實用和經濟的方法之一。發達國家的熱浸鍍鋅已有200多年的歷史[3-6]。世界許多著名的工程，如英國伊甸園計劃場館、悉尼歌劇院等都采用了該技術進行防腐。

熱鍍鋅鍍層對鍍鋅成品的外觀質量及企業成本控制起到至關重要的作用。一般鋼鐵的鍍層的顯微結構包括γ相、δ相、ξ相、η相[3]四個亞層，現代檢測手段認為在鋼鐵進入鋅液并升溫至工作溫度后，首先形成的是鋅溶于鐵中而形成固溶液的Fe-Zn相，當它被鐵方向擴散時，即由于躍變而形成了一個含鐵較鐵基質較少的γ相層，然后是較γ相更少的δ相、ξ相、η相。同時隨著時間的增加其Fe元素含量在逐步減少向純鋅層過渡。盧錦堂[7-9]在研究純鋅浴中鍍件的整個鋅層厚度與鍍鋅時間的關系時得到了二者接近線性關系的結論，但沒有具體的給出線性關系的系數范圍。

在鋼管桿和電力、通信等鐵塔的制造中，產品的鋼板厚度一般介于6～12mm，因此研究6～12mm范圍內的底材厚度對于熱浸鋅層的影響具有重要的實際意義。

經熱軋的鋼板會存在不同程度的表面氧化、亞氧化現象，使表面硅元素產生偏聚[10]。因此在實驗過程中要使用打磨或者切削來降低鋼材氧化層及硅偏聚的影響。

1試樣的制備及測試

研究所用的材料為含硅鋼中的普通低碳鋼(Q345鋼)，其主要化學成分見表1。

表1Q345鋼化學成分(%)

材 質規格CSiMnPSQ3456～8mm0.130.160.480.010.004

根據實驗的需要，選取6、8、10和12mm四種厚度的樣品分別取一塊，組成一組,再根據不同的鍍鋅時間分成11組，一共有44組數據，實驗設計方案如表2。

表2樣品實驗設計表

δ(板材)/mmt熱浸鋅/s6609012015021024027030036039042086090120150210240270300360390420106090120150210240270300360390420126090120150210240270300360390420

將鋼板進行打磨加工，去除表面氧化層，得到均勻一致的表面。再切割成200mm×150mm的試樣。其熱浸鍍鋅工藝流程如圖1所示。

圖1　熱浸鍍工藝流程

試件經過酸洗(14%的鹽酸)前處理工序，將鐵基體表面的氧化層清除，酸洗后的試件需經清水沖洗掉殘余酸液，然后浸助鍍劑，完成后在試件自身殘余熱量下使其表面自然干燥，然后進行熱浸鍍鋅。

取每個鍍鋅樣品正反面各3個點，共計6個測量點，采用EZO-10掃描電子顯微鏡測量其鍍層厚度，取平均值，將所得數值繪制成曲線。

2結果與分析

2.1熱浸鍍鋅層截面形貌

圖2為部分鋅層截面掃描電鏡(SEM)照片。

圖2　部分試樣鋅層截面形貌照片

2.2熱浸鋅層厚度與時間的關系

目前我國尚無慢阻肺首次確診前錯失早期診斷時間的研究報道。因此本研究重點驗證慢阻肺確診前錯失早期診斷時間是否可以反映慢阻肺的嚴重程度，探討與疾病嚴重程度相關的臨床危險因素，從而進一步探索建立有利于慢阻肺早期確診的方法。

不同厚度的鋼板熱浸鍍鋅層厚度與時間的關系見圖3。

圖3　不同厚度鋼板鋅層厚度與時間關系曲線

由圖3可以看出，相同成分的鋼材在同一化學成分的鋅液和相同溫度下，隨著時間的增加，鋅層厚度也相應的增加，且具有類似線性的生長規律。這是由于鋼鐵進入鋅液并升溫至鋅的熔融溫度后，首先在鋼鐵表面形成的是鋅溶于鐵中產生的Fe-Zn相，當鋅液和所形成的Fe-Zn相向鋼鐵基材方向擴散時，由于躍變形成含鐵量較鋼鐵基質少的γ相層，隨著擴散的不斷進行相繼產生含鐵量逐漸少的δ相、ξ相、η相。

同時隨著時間的增加其Fe元素含量在減少逐步向純鋅層過渡。可以根據線性公式δ=kt，(其中δ為樣品的鋅層厚度(μm)，t為浸鋅時間(s)，k為該溫度下鋅層厚度的生長系數),對總體實驗數據進行曲線擬合(如圖4)，可得到k值為0.428。由于不同厚度鋼板的鍍鋅厚度隨時間變化的斜率相差不大，由此可以定義鍍鋅鋼板的鍍層厚度隨時間變化的公式為δ=0.428t。

此外，由圖3還可以看出鋅層厚度隨著時間的增加過程中存在一個較快的增長階段，出現在270～360s的時間區域內。由于鋼材的硅含量較高，有研究表明，當試件硅含量較高時，會在鍍鋅時間達到一定值之后(一般在3min)，出現Fe-Zn相層的劇烈增長的現象，稱之為圣德林效應，這一過程會使硅元素融在Fe-Zn相層內而產生消耗。隨著鍍鋅時間的增長，鐵基質表層中的硅被逐漸消耗使圣德林效應的影響逐步降低。

2.3鋼板厚度對鋅層厚度的影響

鋼板厚度對熱浸鋅層厚度的影響關系擬合直線如圖4所示。

圖4　鍍鋅時間與鋅層厚度關系擬合直線

根據四組不同厚度的鋼板的實驗數據分析可知，板材厚度在6～12mm的范圍內，隨著板材厚度的增加，鋅層厚度增長的速度增大；而且同一鍍鋅時間內，底材厚度越大，鋅層厚度也越大。

這是由于鋅層生長的過程是一個合金相(包括純鋅層)生長的過程，該化學反應過程需要吸收大量熱量，因此熱量的供應直接影響鋅層生長速度。而鍍鋅產品在從鋅液中取出后，較厚的鋼板能夠給鋅層合金化過程提供更多的能量，因此較厚的鋼板能夠維持更長的合金化時間，從而獲得相對厚一些的鋅層。

3結論

1)當熱浸鋅液的溫度和成分固定時，熱浸鍍鋼板的鋅層厚度隨鍍鋅時間的增加而增加，在本文實驗條件下，二者呈類似線性的關系。通過對數據進行擬合，得到了線性系數值為0.428。

2)熱浸鋅的過程，是合金相生長的過程，整體生長速度較為平穩。在270～360s的范圍內鋅層的生長速度較快。

3)鋼板厚度在6～12mm的范圍內，鋼板越厚，鋅層增長的速度越快；在同一鍍鋅時間內，鋼板厚度越大，鋅層厚度也越大。

參考文獻

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[3]Marder A R.The Metallurgy of Zinc-coated Steel [J].Progress inMaterials Science,2000,(45):191-271.

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[5]盧錦堂，焦帥，車淳山.鋅浴中加錫對0.37%Si鋼熱浸鍍鋅的影響[J].材料保護，2005，2(38):47-49.

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[9]周濟.熱鍍鋅、電鍍鋅及鋅合金創新生產工藝實用全書[M].北京：北京工業大學出版社，2006：83-84.

[10]楊志勇,桂艷.添加Sn、Ni元素對熱浸鍍鋅鋼的影響[J].順德職業技術學院學報，2010，8(3):14-17.

Study on Zinc Coating Thickness of Hot-Dip Galvanized Steel Plate

ZHANG Shun1, WANG Yuxing2, ZHANG Kai1

(1.Jiangsu Guohua Tube Tower Manufacture Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,China; 2.Rizhao Steel Holding Group Co.,Ltd.,Rizhao 276800,China)

Abstract:The zinc coating thickness of hot-dip galvanized steel plate is an important index to evaluate anti-corrosion performance of the plate.In order to obtain the relationship between zinc coating thickness and zinc dipping time in the hot-dipping and thereby to control the dipping time and coating thickness accurately，it is needed to study the hot-dip galvanizing of different thicknesse steel plate.In this paper，through SEM method，the zinc coating thickness of different thicknesses steel plate in different dipping time was measured，the corresponding curves between zinc coating thickness and dipping time were obtained，the rules of the relationship between zinc coating thickness and dipping time were found out and the coefficient value of the relationship between zinc coating thickness and dipping time was obtained by curve fitting method. The results showed that：under the same temperature，there was a similar linear relationship between the zinc coating thickness and dipping time，the growth of zinc coating thickness would speed up and its thickness would increase as the increasing of the steel plate thickness.

Keywords:hot-dip galvanizing; zinc coating thickness; SEM; zinc dipping time; steel plate thickness

中圖分類號：TG174.443

文獻標識碼：A

收稿日期：2015-12-01修回日期： 2015-12-31

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.011