電力鐵塔材料高耐蝕熱浸厚鋅層工藝開發

王茂法

（溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325000）

電力鐵塔用來支撐和架空導線、避雷線和其他附件的塔架結構，使得導線與導線、導線與桿塔、導線與避雷線之間、導線對地面或交叉跨越物保持規定的安全距離的高聳式結構，電力鐵塔的建設是能源輸送有效安全運行的重要保障。鐵塔在大氣腐蝕和力學因素的相互作用下鋼鐵材料會發生斷裂甚至倒塌[1，2]，直接影響供電系統的穩定性，甚至威脅人們的生命財產安全。因此，作為高壓輸電線路的承重結構，鐵塔的防腐蝕保護是影響鐵塔服役安全和壽命的關鍵因素之一，對輸電線路的安全產生重要的影響。

熱浸鋅是將鋼鐵材料浸入到熔融的鋅液中并保持一定的時間，在鋼鐵表面生成一層具有保護性能的鋅合金鍍層的工藝[3]，其對鋼件的形狀、尺寸的適應性強，相比電沉積和熱噴涂等涂層制備方法，熱浸鋅工藝成本低、效率高。因此，熱浸鋅是鐵塔材料最常用及最有效的防腐方法之一。

當鐵塔建在多元氣候（高溫、高濕度、高鹽度三種因素同時存在和作用的復雜氣候）環境時，在多腐蝕因子協同作用下，鐵塔材料腐蝕速率成倍增加，承載性能和耐久性能退化，嚴重影響電力鐵塔服役狀態。因此，輸電鐵塔的耐腐蝕性能的研究已經成為電力鐵塔制造企業及電力部門的最為關注的問題之一。鹽霧腐蝕試驗及相關實踐已證明，輸電鐵塔的耐腐蝕性能與鋼件表面的熱浸鋅層厚度成正比。國標GB/T 2694-2018輸電線路鐵塔制造技術條件中，明確了不同厚度鋼材要求的最低鍍鋅層厚度及附著量[4]。因此，開發高耐蝕熱浸厚鋅層及工藝對提升多元氣候環境服役條件下的電力鐵塔構件的安全性、輸電線路的可靠性具有重要意義及價值。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

本文試驗所需的樣品均在本公司智能熱鍍鋅流水線完成，鐵塔材料為Q355高強度合金鋼，鍍鋅工藝主要設備由酸洗槽、水洗槽、助鍍槽、鋅鍋燃燒及控制系統、冷卻槽、鈍化槽、全封閉酸霧收集及處理系統、開合式封閉煙霧收集系統、熱浸鋅煙塵凈化設備、助鍍液除鐵鹽設備、污水處理系統、烘干坑及助鍍槽加熱系統（利用煙道余熱）、酸液加熱系統等組成。其工藝流程如圖1所示。

圖1 鍍鋅生產工藝流程

1.2 實驗方法

采用德國布魯克公司生產的S4 Pioneer型X射線熒光光譜儀（XRF）對凝固后的鍍鋅液化學成分進行測試。使用線切割機從鍍鋅件的橫截面切取試樣，經打磨拋光后，用4%硝酸酒精進行腐蝕，在荷蘭飛納的Pro X FEI掃描電鏡（SEM）下進行觀察，掃描電鏡的測試電壓為15kV，采用掃描電鏡自帶的測量工具對鍍層的厚度進行測量；使用英國牛津X-Max型能譜儀（EDS）進行點及線掃描分析。

電化學腐蝕行為測試設備為Par Stat2273型三電極電化學工作站，試驗在裝有200mL3.5%NaCl水溶液的三頸燒瓶中進行。用線切割切取8×2mm的純鋅和Zn-Al-Ni鍍層試樣，并用冷鑲嵌料包埋，經金相砂紙打磨和拋光至表面粗糙度為0.5μm左右。在電化學測試過程中，樣品作為工作電極，鉑板電極為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。采用相對于開路電位0.5V～1.5V的掃描電位范圍作為電位測試區間，掃描速率為1mV/s。

2 結果與分析

2.1 化學成分

本文設計的理論成分為Zn-0.006Al-0.02Ni（均為質量百分比，下同），實際鍍鋅液成分測試結果如表1所示，其中Al為0.0063%，Ni為0.0208%，是人為添加的元素；由于鐵塔材料為Q355等低合金高強度鋼，因此，鍍液中也會有一定量的Fe，Pb是原材料自帶的雜質元素。

表1 鍍鋅液化學成分（wt.%）

Al對鋅合金鍍層的組織和性能有很重要的影響。其主要作用是為了改善鍍層的表面光澤度，減少鋅液表面氧化，增大鍍層的粘附性能和耐腐蝕性能。當在鋅浴中添加Al的質量分數為0.005%～0.02%時，主要為了獲得光亮的鍍層。這主要是由于Al比Zn更活潑而優先和氧反應，使鋅液表面形成一層連續而致密的Al2O3薄膜，它通過阻止鋅和氧原子的擴散抑制了進一步的氧化，減少了鋅灰的形成[5]。

Ni在鋅液中添加Ni元素最主要的作用是抑制圣德林效應，消除脆性相的異常生長，組織細化，從而使鍍層的結合強度和外觀質量均得到改善[6]。

2.2 鍍層組織分析

圖2是Q355鋼熱浸Zn-Al-Ni涂層的顯微組織，從圖2可以看出，鍍層與基體結合良好，外觀平整，平均厚度為103μm，高于國標GB/T2694-2018規定的鑄件厚度大于5mm時，鍍層最小平均86μm的要求，同時，也達到了ASTMA123-01標準規范，符合我公司出口“一帶一路”國家要求。從圖2線掃描能譜的結果可知，鍍層的化學成分與XRF的檢測結果一致，由Zn、Al、Ni及Fe元素組成。鍍層從外到里的組織有一定的差異。目前鍍鋅層的組織由較多的研究結果，從鋼基體到鍍層表面會形成下列相層 ：α相（Zn（Fe））層、Г相（Fe3Zn10）層、Г1相（Fe5Zn21）層、δ相（FeZn10）層、ζ相（FeZn13）層、η相（Fe（Zn））層[7]，其中Г1相是由共析反應生成，ζ、δ和Г相是通過包晶反應生成。

圖2 Q355鋼熱浸Zn-Al-Ni涂層組織形貌及能譜分析

圖3 是圖2中位置1和位置2的EDS分析結果，從圖中可以看出，位置1位于基體，其成分除了基體的Fe和Si外，有檢測到1.14%的Zn；同樣，在靠近基體位置的鍍層中（位置2），有8.43%的Fe，這說明，在高溫下，基體中的Fe與涂層中的Zn互有擴散與互熔，達到冶金結合，結合強度高。

圖3 不同位置（圖2）的EDS分析結果

2.3 鍍層耐蝕性能分析

圖4 為兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學極化曲線。從圖3中可以看出，兩種鍍層試樣均表現出類似的電化學規律，即在陽極極化曲線上存在明顯的鈍化峰。對試樣極化曲線的Tafel區進行線性擬合，所得到的電化學性能參數如表2所示。

圖4 兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學極化曲線

表2 兩種鍍層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學性能參數

從表2中可以看出，未添加合金元素的純鋅鍍層試樣的腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率分別為-1.074Vvs.SCE、30.3μA/cm2和445.2μm/y。添加合金化元素后，Zn-Al-Ni鍍層試樣表現出更正的腐蝕電位和更小的腐蝕電流密度和腐蝕速率，分別 為 -1.060Vvs.SCE、12.3μA/cm2和 179.7μm/y。Zn-Al-Ni鍍 層試樣的腐蝕電流密度和腐蝕速率相對于純Zn鍍層試樣減小了59.6%，結果表明經合金化處理后鍍層的耐腐蝕性能有了顯著提升。邵大偉[5]同樣發現，在熱鍍鋅液中添加適量的Ni和Al元素，能夠減小鍍層的腐蝕速率，從而提升鍍鋅構件的耐腐蝕性能。這主要是由于Al元素的加入能夠有效抑制鋅液中Fe和Zn離子的反應，使得原本鍍層組織中分布的粗大疏松的ζ脆性相轉變為均勻致密分布的細小顆粒相，有效減緩腐蝕介質進入鍍層，從而提升鍍Zn層的抗腐蝕能力。此外，由于Al元素活潑的化學性質，在鍍鋅過程中易發生氧化反應，能夠在鍍層表面形成一層致密的Al2O3薄膜，也有助于提升鍍Zn層的耐腐蝕性能。

3 結論

本文根據實際生產經驗，將鍍鋅層成分調整為Zn-0.006Al-0.02Ni，并研究了其組織、鍍層厚度及耐腐蝕性能，得到的結論如下：

（1）鍍層與基體冶金結合，外觀平整，平均厚度為103μm，達到ASTMA123-01標準要求。

（2）Al、Ni元素能提升鍍鍍鋅層的抗腐蝕能力，Zn-Al-Ni鍍層的腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率分別為-1.060Vvs.SCE、12.3μA/cm2和179.7μm/y，腐蝕速率較純鋅降低了59.6%。