高耐蝕性Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的組織及耐蝕性

劉秋元,江社明,劉 昕,岳崇峰,俞鋼強,張啟富

(中國鋼研科技集團有限公司 先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室,北京 100081)

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高耐蝕性Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的組織及耐蝕性

劉秋元,江社明,劉 昕,岳崇峰,俞鋼強,張啟富

(中國鋼研科技集團有限公司 先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室,北京 100081)

采用雙鍍法制備了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，用ICP-AES分析了鍍層的化學成分，用SEM觀察了鍍層的組織結構，采用中性鹽霧試驗評價了鍍層鋼絲的耐蝕性，并與鋅鍍層鋼絲進行了比較。結果表明：Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的腐蝕質量損失率約為鋅鍍層鋼絲的六分之一，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性遠遠優于鋅鍍層鋼絲的。

Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲；耐蝕性；鹽霧試驗；鋅鍍層鋼絲

ResearchInstituteGroup,Beijing100081,China)

鋼絲廣泛應用于建筑、電力、通訊、漁業等國民經濟的各個行業。為了提高鋼絲的耐蝕性，延長其壽命，對其表面熱浸鍍一層具有犧牲防護性的鍍層，是一種最為經濟和有效的防護方式。最初的鍍層為純鋅鍍層[1-3]，目前國家電網采用的抗腐蝕鍍層地線鋼絲主要是鍍鋅鋼絲。鍍鋅鋼絲在輸配電系統上的應用主要包括輸電導線鋼芯絞線、地線、引線、接地網等。

隨著對鍍層鋼絲耐蝕性要求的提高和鍍層鋼絲應用領域的拓展，鍍層鋼絲的種類也不斷增加，目前應用的有近10種,如Galfan、Galvalume及ZnAlMg等合金鍍層鋼絲。這些鍍層鋼絲使用年限各不相同，少則幾年，多則十幾年甚至幾十年。法國Fical公司生產的Zn-5%Al-Re合金鍍層，是金屬純鋅鍍層的升級換代產品，其耐蝕性高出純鋅1～2倍[2-6]。

鎂具有強化晶界，細化晶粒和提高鍍層耐蝕性的特性[7-11]，在Zn-Al合金中加入少量的鎂，研究Zn-Al-Mg合金鍍層具有重要意義。近年來，Zn-Al-Mg合金鍍層鋼絲成為了鋼絲制品一個新的研究熱點，國外各大公司競相開展相關研究，如日本新日鐵日亞鋼業株式會社生產了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，大大提高了鍍層鋼絲的耐蝕性。我國在Zn-Al-Mg合金鍍層鋼絲開發和生產方面的研究極少，缺少成熟的生產工藝，對其組織及耐腐蝕性能也缺乏足夠的了解。由于大氣污染的問題越來越嚴重，酸雨沉降、污染物排放、霧霾等頻繁發生，如何提高輸電線路的耐腐蝕性能，延長其使用壽命得到了越來越多的關注，也促進了高耐腐蝕性合金鍍層鋼絲的開發和生產。因此，本工作采用雙鍍法制備了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，評價了鍍層鋼絲的耐蝕性，并與鋅鍍層鋼絲進行了比較，以期為提高我國在該產品領域的技術水平提供參考。

1　試驗

1.1鍍層鋼絲的制備

試驗用鋼絲的直徑為2.7mm，化學成分見表1。鋼絲熱浸鍍前經過堿洗、酸洗、助鍍、烘干等工序處理。采用傳統的氯化鋅銨鍍鋅工藝制備純鋅鍍層鋼絲。采用雙鍍法制備Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲，即鋼絲先快速進入純鋅液中“閃鍍”上一層薄薄的純鋅，接著進入Zn-10%Al-Mg合金鋅液中進行熱鍍。Zn-10%Al-Mg合金鋅液中鋁質量分數在10%～12%，鎂質量分數約為0.01%，其余為鋅。鋅液用純度為99.99%的鋅熔化而成。

表1　鋼絲的化學成分(質量分數)Tab. 1　Chemical composition of steel wire (mass)　%

1.2試驗方法

將鍍后的鋼絲用環氧化樹脂進行冷鑲，用220號至2 000號砂紙依次進行打磨，然后進行拋光，使得鍍層橫截面平整，便于在試樣腐蝕之后能看到清晰的鍍層結構。為防止磨削過程中鋅鍍層被氧化，采用航空煤油作為潤滑液和冷卻劑。在0.5%(體積分數)硝酸的酒精溶液中腐蝕4～5s，然后觀察鍍層厚度和鍍層組織。

采用電感耦合等離子體原子發射光譜法ICP-AES測鍍層中合金元素的含量。采用FEIQuantaFEG650場發射掃描電鏡(FE-SEM)觀察和分析試樣鍍層橫截面形貌，并用附帶的PegasusApex4型能譜儀(EDS)進行元素成分的分析(高真空模式，掃描加速電壓為20kV，工作距離10mm)。按照GB/T10125-1997《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》標準進行鹽霧試驗，試驗溶液為5%(質量分數)NaCl溶液，溫度為(35±1) ℃；并且采用失重法分析兩種鍍層在中性鹽霧環境下的質量損失率，鍍層在中性鹽霧試驗前均未進行鈍化。

2　結果與討論

2.1鍍層組織形貌及化學成分

從圖1可以看出，Zn-10%Al-Mg鍍層表面較平整，出現共晶相，截面可以分辨出鍍層、合金層和基體。鋅鍍層和Zn-10%Al-Mg鍍層厚度均約為45μm。鋅鍍層的鐵/鋅界面層中有一層厚度約20μm鐵鋅相化合物層，這是由于鋅液中不含鋁，沒有抑制鐵和鋅迅速反應的Fe2Al5，致使鐵和鋅反應比較充分。

將兩種鍍層溶解，進行了ICP光譜分析，結果如表2所示。同時結合能譜分析(圖略)表明，兩種鍍層中均含有一定量的鐵元素，這是因為在熱浸鍍過程中，鋼絲與合金液擴散反應，鋼絲表面的鐵元素擴散進入了鍍層。

2.2中性鹽霧試驗結果

從圖2，3中可以看到，鹽霧試驗96h后，鋅鍍層鋼絲表面已經開始出現白銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面除了極其輕微的銹外，幾乎沒有變化；鹽霧試驗480h后，鋅鍍層鋼絲表面開始出現紅銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面依舊是白銹；鹽霧試驗2 500h后，鋅鍍層鋼絲表面已經出現大面積紅銹，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的表面只是白銹，還沒有出現紅銹。這說明了Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性相對于鋅鍍層鋼絲，得到了大幅提高。

從表3可見，中性鹽霧試驗480h后，鋅鍍層鋼絲和Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的質量損失率分別為209.229 3，32.882 6g/m2；中性鹽霧試驗2 500h后，鋅鍍層鋼絲和Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的質量損失率分別為266.462 3，42.444 9g/m2。由此可以看出，經不同時間的中性鹽霧后，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性均為鋅鍍層的6倍左右，所以Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性遠優于鋅鍍層鋼絲的。

表3　經不同時間的中性鹽霧后兩種鍍層鋼絲的 腐蝕質量損失率Tab. 3　Corrosion weight loss rates of two coated steel wiresafter NSST for different times　g/m2

從圖4可以看出，經2 500h鹽霧試驗后，鋅鍍層鋼絲已經嚴重腐蝕，而Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲

基本沒有腐蝕。由此可以看出，Zn-10%Al-Mg鍍層鋼絲的耐蝕性大大高于鋅鍍層的。

3　結論

(1)Zn-10%Al-Mg鍍層表面較平整，出現共晶相，截面可以分辨出鍍層、合金層和基體。

(2) 中性鹽霧試驗表明,Zn-10%Al-Mg鍍層的耐蝕性遠遠優于鋅鍍層的，同等條件下的腐蝕質量損失率僅為鋅鍍層的六分之一。

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MicrostructureandAnti-CorrosionPropertyofHighAnti-CorrosionZn-10%Al-MgCoatedSteelWire

LIUQiu-yuan,JIANGShe-ming,LIUXin,YUEChong-feng,YUGang-qiang,ZHANGQi-fu

(NationalEngineeringLaboratoryofAdvancedCoatingTechnologyforMaterials,ChinaIronandsteel

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewaspreparedbydualhotdippingmethod.ThechemicalcompositionandmicrostructureofthecoatingwereanalyzedbyICP-AESandSEM.Theanti-corrosionpropertyoftheZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasalsoanalyzedbyneuralsaltsprayingtest(NSST)method,andcomparedwiththatofzinccoatedsteelwire.TheresultsshowthattheweightlossrateofZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasone-sixthofthatofZncoatedsteelwire,sotheanti-corrosionpropertyofZn-10%Al-MgcoatedsteelwirewashighlysuperiortothatofZncoatedsteelwire.

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwire;anti-corrosionproperty;saltspraytest;Zncoatedsteelwire

10.11973/fsyfh-201606008

2015-05-15

國家“十二五”規劃科技支撐(2012BAJ13B03)

劉秋元(1984-)，博士，從事表面防腐蝕研究,010-62182572，18201126349，lqypvd2012@163.com

TG172

A

1005-748X(2016)06-0472-03