不同元素對輸電桿塔用熱鍍鋅鍍層性能的影響*

王 立，王 偉，楊世平，劉 恒，屈中偉

(1 貴州電網有限責任公司電網規劃研究中心，貴州 貴陽 550000；2 武漢騰耀新材料工程有限公司，湖北 武漢 430000)

輸電線路一般靠輸電桿塔進行電能傳輸，因此輸電桿是電網最重要的輸電線路承載結構。但是，金屬結構的輸電桿塔在戶外長期服役，容易因大氣污染、酸雨侵蝕等形成桿塔表層的腐蝕，從而縮短其運行壽命周期，還可能造成安全隱患，影響電網安全穩定運行[1]。隨著礦產開發、金屬冶煉、化工、火電等行業的快速發展，我國工業大氣污染日益嚴重。工業區內的企業在生產過程中排放了大量含氮、硫的污染元素，形成了嚴重的酸雨區。酸雨的進一步加快了輸電桿塔防腐層的腐蝕速度，導致大部分鍍鋅層損耗殆盡，鋼基材銹蝕嚴重，一般投運5～6年之后，便會開始逐漸銹蝕，造成嚴重損失[2]。另外，山區及丘陵地區輸電桿塔由于處于復雜的野外環境，也極易發生腐蝕，一旦發生腐蝕，運行維護起來極為困難。因此，有必要對輸電桿塔進行有效的防腐保護。

我國現行的輸電桿塔防腐處理方式主要為熱鍍鋅處理，但目前純鋅鍍層存在結構多孔、腐蝕產物保護性差、耐酸雨侵蝕能力低等問題，極大的減少了其耐腐蝕的壽命[3]。另外，由于鍍鋅層不耐酸侵蝕，酸雨環境和工業污穢環境可使其腐蝕速率加快1～3倍，從而達不到預期的使用壽命，并在運行周期內需頻繁的進行防腐維護，否則還存在倒塔事故發生的隱患[4]。因此，純熱鋅鍍塔材存在耐腐蝕性不足，耐酸雨侵蝕性不佳，防腐維護成本高等缺點。為改善輸電桿塔傳統熱鍍鋅材料的上述不足，通過對熱鍍鋅鍍層的改性，向鍍層內添加一些微量元素，從而改善鍍鋅層的鍍件成形性與耐腐蝕性能的方法，成為了目前主流的研究方向[5]。諸多研究表明，鋁、鎂元素主要能增加鍍層抗氧化性能，鎳、錫元素主要能提高鋅液的流動性，硅元素能提高鍍層的附著力，稀土元素主要起到細化晶粒、凈化界面雜質的作用。本文主要介紹目前輸電桿塔用熱鍍鋅材料中添加各種元素的作用及對鍍層的影響。

1 各元素對熱鍍鋅鍍層的影響分析

1.1 鋁元素

鋁是熱浸鍍鋅液中常見的添加元素之一。 鋁元素本身的熔點較低(660 ℃)，與鋅的熔點相對接近，從而使得二者能夠在當前的工藝條件下得到較好的結合并形成穩定的合金層。研究表明，鋅浴內添加0.005%～0.02%質量分數的鋁，能顯著增加合金鍍層的光亮性，減少鋅浴中鋅液表面的氧化[6]。另外，Al與O的親和力比Zn大，能在鍍層表面形成一層較薄的Al2O3層，Al2O3層相對于ZnO層更為致密，不容易粉化脫落，能阻止內金屬鍍層繼續氧化，從而提高整個鍍層的耐腐蝕性能。

研究表明[7]，0.2%以上的鋁元素添加到熱浸鍍鋅液中會造成熱鍍層厚度的減少，這是因為Al元素富集在Zn-Fe界面端，并形成了一層連續的厚度為 0.02～0.2 μm的Fe2Al5，抑制形成Fe-Zn合金相，抑制Fe-Zn合金相形核長大，從而導致鍍層的生長速率降低，鍍層變薄。

1.2 鎂元素

鎂元素也是熱鍍鋅液常見的添加元素之一。鎂的熔點在648 ℃，屬于活潑的輕金屬元素，鋅浴中摻入適量的鎂可以強化晶界、細化鍍層晶粒，從而改善熱鍍鋅鍍層的性能。研究表明[8]，在鋅浴中加入的鎂含量在0.1%～0.2%時，鎂的會在Zn-Fe界面區形成鎂富集區，使合金相組織變得細化致密; 鎂元素通過合金化可以促進靠近基體部分形成致密 Г1相擴散層，完全避免了脆性相的形成，以較軟的Г1相代之，同時促進鍍層致密化及其與基體緊密附著。

另外，Mg元素的加入還能增加鍍層的耐腐蝕性能。研究表明[9]，鋅浴中加入微量的Mg可使鍍層組織結構發生明顯的改變；同時腐蝕發生時，Mg可以抑制碳酸鋅和氧化鋅等非保護性腐蝕產物的生成，且含有鎂元素的鍍層腐蝕產物能抑制腐蝕陰極反應發生。當鎂含量在0.3%～0.5%時，則會影響鍍層的生長，鍍層表面組織變厚，鍍層外觀失光，附著性能變差。

1.3 鎳元素

鎳元素一種抗氧化能力較強的金屬元素，具有較好的耐腐蝕性能，一般用作防銹金屬材料的制備。因此，將鎳元素加入到鍍鋅液中，能明顯增加鍍層的耐腐蝕性能。此外，鎳元素還能起到降低硅的活性，提高鋅液的流動性，改善鍍層的外觀質量的作用，能夠使熱鍍鋅層超厚而粘附性差的現象明顯減少，達到節約用鋅的效果，并且能減少鋅浴對鐵制鋅鍋的腐蝕作用[10]。

鋼鐵材料的Si含量超過0.3%時(又稱活性鋼)，常規鍍鋅容易產生耐腐蝕下降，基體結合力變差的現象，稱為Sandelin效應。研究表明[11]，往鋅浴中添加0.04%～0.12%的鎳，能夠消除或減緩含Si量在0.1%左右活性鋼的Sandelin效應的作用，并能夠降低鐵鋅反應速率，降低活性鋼鍍鋅時ζ相的生長速率，提高鍍層的附著性，在鍍層表面形成連續的η相自由鋅層而令其外觀保持光亮。當鍍液成分含有0.1%～0.25% Ni時，能消除鍍層表面發黑、超厚的現象，提高鍍層的耐蝕性。當鎳含量太低時，減薄鍍層作用不明顯，鎳含量太高則會生成比較多的鋅渣。

1.4 錫元素

錫是一種低熔點的金屬，熔點只有232 ℃，極易與各種金屬形成合金。錫的化學性質很穩定，在常溫下不易被氧化，向熱鍍鋅液中添加錫能獲得較好的外觀。另外，錫元素的存在不僅可以獲得美麗的鋅花，而且還可以降低熱鍍鋅液的熔點，起到節能減排的作用。

研究表明[12]，當熱鍍鋅液中Sn的含量3%～5%時，會明顯減少鍍鋅層的厚度，因為Sn難溶于Fe-Zn相層中，隨著Fe-Zn合金層的生長，Sn會被排到Fe-Zn相層/液相Zn的生長界面上，到足夠量時就會形成一連續層，阻擋Fe與Zn的相互擴散，從而抑制Fe-Zn合金層的生長。因此，為保證鍍層的性能，鋅液中錫的含量需要嚴格控制。

1.5 硅元素

硅元素是一種非金屬元素，熔點1410 ℃，熔點較高，因此在熱鍍條件下很難與金屬形成共晶反應，一般會在晶界上偏析，從而形成硅的氧化物。硅元素含量過高容易在熱鍍過程中產生Sandelin效應，鍍層活性顯著增加，形成超厚、灰暗而粘附性差的鍍層[13]。因此需要嚴格控制硅元素的含量，不能超過0.3%。

研究表明[14]，硅能抑制熱鍍鋅鍍層中Fe-Zn或Fe-Al合金相的生長，還能提高熱鍍鋅層與基材的附著力。另外，硅還能夠提高鍍層的耐腐蝕性能，因為硅會在晶界上偏析，并形成硅-氧化物，從而抑制β-Zn相發生氧化反應。對于在典型的微量硅的鋼材上進行熱鍍時，在正常鍍鋅溫度下獲得的鍍層組織由鐵基起依次為Γ-Fe5Zn21、δ-FeZn10、ζ-FeZn13相,以及由自由鋅凝固而成的η相,符合鋅鐵二元平衡相圖,且合金層是緊密排列而連續的[15]。可見，少量硅的摻入對熱浸鋅鍍層厚度和鍍層形貌基本沒有影響。

1.6 稀土元素

稀土元素是17種特殊的元素的統稱，但涉及到熱鍍鋅工藝的稀土添加元素主要為鈰和鑭兩種元素。通常稀土元素都表現出很強的電負性，能和氧原子、硫原子結合成穩定的化合物。熱鍍鋅液中加入鈰、鑭等稀土元素后，能降低鋅液表面張力和固液界面能，改善鋅液的浸潤性，同時起到細化合金晶粒，凈化界面O、S等雜質元素，最終提高熱度鋅層的耐腐蝕性能[16]。向鋅液中添加適量的稀土元素還可以減薄Zn-Fe鍍層厚度，明顯降低熱鍍鋅液溫度，具有節能減耗的作用。

通常認為稀土的加入并不會改變熱鍍鋅層的結構，并能細化鍍層表面的合金組織。稀土鈰能富集在鍍層表層，并在鍍層表面形成一層很薄的致密Ce2O3氧化層，阻隔腐蝕介質的進入，從而提高其耐氧化腐蝕性能。有研究認為[17]，稀土元素在鍍層中的擴散不是均勻進行的，其會在Fe-Zn合金相界面上產生偏析，抑制基體Fe元素和鍍層Zn元素的相互擴散，從而降低了金屬間化合物的生長速率。但是當稀土含量大于0.20%時，鍍層出現 Zn-稀土化合物偏聚于晶界面，發生局部腐蝕，最終反而影響鍍層的耐腐蝕性能。

2 結 語

向鋅液中添加一些微量元素確實能改善熱鍍鋅耐腐蝕性能不足的問題，提高熱鍍鋅鍍層質量，延長輸電桿塔的運行使用壽命，但必須嚴格控制其摻雜量，否則反而會降低鍍鋅層的性能。通常，各元素的含量均不應超過0.2%。

但目前，我國輸電桿塔仍以傳統的熱鍍鋅塔材為主，目前尚未有采用其他摻雜元素改性的熱鍍鋅材料進行應用。因此，大力發展新型熱鍍鋅材料，延長輸電桿塔的運行使用壽命，減少其防腐維護所使用的費用，將具有較好的經濟效益和社會效益。