鋅鍋漏鋅原因分析

王洪如，劉 康，王利峰，朱 玲

(1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210007)

(2.江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012)

鋅鍋漏鋅原因分析

王洪如1，劉 康1，王利峰2，朱 玲2

(1.江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210007)

(2.江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇南京 210012)

采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡斷口觀察和能譜分析、顯微組織檢驗(yàn)等方法對(duì)某企業(yè)漏鋅鋅鍋進(jìn)行分析。結(jié)果表明:一方面由于底板熱加工工藝不當(dāng)、鋅鍋底板組織中的滲碳體呈片狀沿晶界析出使材料脆化，同時(shí)晶界處局部碳富集，使材料出現(xiàn)沿晶鋅腐蝕，造成晶界強(qiáng)度的弱化并產(chǎn)生微裂紋;另一方面由于鍍鋅生產(chǎn)工藝不當(dāng)，鋅鍋的溫度不均勻和局部溫度過高加速了鋅腐蝕并存在較大的熱應(yīng)力，以上兩方面的共同作用導(dǎo)致鋅鍋產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂并最終引起鋅鍋泄漏。

鋅鍋;漏鋅;應(yīng)力腐蝕

鋅鍋是熱鍍鋅作業(yè)線的核心設(shè)備，其功能是熔化鋅錠并在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)鍍鋅過程。鋅鍋壽命直接關(guān)系到熱鍍鋅爐的使用壽命。某企業(yè)在使用熱鍍鋅爐時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋅鍋漏鋅，立即停止使用，并委托筆者對(duì)鋅鍋漏鋅原因進(jìn)行分析鑒定。

1 檢驗(yàn)及技術(shù)分析

1.1 宏觀分析

從鋅鍋外側(cè)觀察，在鋅鍋底部靠邊緣(距邊緣約40mm)處有一泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)外形呈不規(guī)則橢圓狀(島狀)，長(zhǎng)徑約16mm，短徑約11mm。泄漏點(diǎn)呈現(xiàn)凹坑狀特征，凹坑深約3mm，凹坑內(nèi)有灰色異物。凹坑周圍呈深紅色(油漆)和灰黑氧化色，如圖1所示;從鋅鍋內(nèi)側(cè)觀察，對(duì)應(yīng)外側(cè)泄漏點(diǎn)處的內(nèi)側(cè)焊縫部位有長(zhǎng)條狀凹陷特征，長(zhǎng)條狀方向傾斜于焊縫走向，長(zhǎng)約40mm;最寬處約5mm;同時(shí)，在鄰近長(zhǎng)條狀凹陷處可見一條裂紋，裂紋大體位于焊縫與底板母材交界處，平行于焊縫方向，從長(zhǎng)條狀凹陷處向一側(cè)發(fā)展，長(zhǎng)約400mm以上。此外，由宏觀分析還可發(fā)現(xiàn)，在鋅鍋內(nèi)側(cè)的側(cè)墻板和底板表面均可見鱗片狀特征，且側(cè)墻板的厚度存在明顯差異，其中取樣部位側(cè)墻板最厚處約為58.5mm，最薄處約為30.5mm，而底板厚度則差異較小。

圖1 鋅鍋泄漏點(diǎn)外觀

1.2 宏觀低倍檢驗(yàn)

在鋅鍋泄漏點(diǎn)附近，垂直于焊縫方向剖開鋅鍋，進(jìn)行宏觀低倍浸蝕?？梢娦孤c(diǎn)內(nèi)側(cè)位于焊縫與底板母材的交界處，由內(nèi)側(cè)向底板內(nèi)部發(fā)展，外側(cè)位于底板的下(底)部，同時(shí)可見裂紋內(nèi)有鋅及渣狀物殘留，如圖2所示。此外，在緊鄰泄漏點(diǎn)以及泄漏點(diǎn)附近的類似剖面也可見裂紋特征。裂紋大體起始于鋅鍋內(nèi)側(cè)焊縫與底板母材交界處或交界附近的母材處，由鍋內(nèi)側(cè)向底板外側(cè)發(fā)展。

1.3 化學(xué)成分

采用濕法化學(xué)分析方法對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，其化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，鋅鍋另一塊底板(非漏鋅板，1號(hào)樣品)其化學(xué)成分不符合質(zhì)保書技術(shù)要求，其中1號(hào)樣品中的C和Si含量偏高。鋅鍋的側(cè)墻板(2號(hào)樣品)和鋅鍋底板(漏鋅處，3號(hào)樣品)的所檢化學(xué)成分均符合質(zhì)保書技術(shù)要求，可見本案中鋅鍋漏鋅和原材料的化學(xué)成分無必然關(guān)系。

圖2 鋅鍋泄漏處宏觀金相

1.4 金相分析［1］

漏鋅處鍋內(nèi)側(cè)泄漏口位于焊縫與底板母材交界的熱影響區(qū)，沿底板母材發(fā)展，直至底板鍋外側(cè);鄰近泄漏口的裂紋大多為沿晶裂紋，裂紋周圍晶界上有第二相產(chǎn)物，裂紋周圍組織無明顯塑性變形;底板基體組織主要為鐵素體，晶粒大體呈等軸狀。漏鋅處附近裂紋區(qū)域裂口起始于鍋內(nèi)側(cè)焊縫與底板交界處的底板母材一側(cè)，主裂口邊緣可見沿晶裂紋;主裂口起始部、中部及尾部周圍組織無塑性變形;裂紋邊緣晶界上有第二相產(chǎn)物;鄰近主裂口的裂紋也大多為斷續(xù)鋸齒狀，且為沿晶裂紋，裂紋周圍組織無明顯變形;晶界上有第二相產(chǎn)物;底板基體組織主要為鐵素體，晶粒大體呈等軸狀。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

裂紋前端端口形貌如圖3所示。同時(shí)，在用掃描電鏡放大觀察金相試樣過程中發(fā)現(xiàn)，在鋅鍋的側(cè)墻板材料組織中位于晶界處出現(xiàn)暗色調(diào)物質(zhì)，X射線能譜分析結(jié)果表明為石墨化組織。同時(shí)在鋅鍋的側(cè)墻板和底板組織中其晶界處均有析出物，其中側(cè)墻板中晶界的析出物為點(diǎn)(球)狀，而底板中晶界的析出物為片狀，用X射線能譜儀對(duì)該析出物進(jìn)行了線掃描分析，該晶界析出物含有較高的C、較低的Fe，根據(jù)Fe－C相圖可知，該析出物為三次滲碳體(圖4)。

圖3 裂紋前端斷口形貌

圖4 底板C、Fe線掃描結(jié)果

進(jìn)一步用掃描電鏡觀察了鋅鍋的底板沖擊試驗(yàn)樣品的縱截面金相組織，在沖擊斷口附近，其晶界析出的片狀滲碳體有開裂現(xiàn)象。由此說明，這些晶界析出的片狀滲碳體的存在已使材料脆化，造成沖擊性能大大降低。

此外，對(duì)鋅鍋側(cè)墻板、底板及底板的裂紋附近的金相樣品進(jìn)行了X射線能譜面掃描分析，由結(jié)果可知，在鋅鍋側(cè)墻板和底板均有鋅腐蝕現(xiàn)象，并且鋅沿著晶界向內(nèi)部滲透。尤其在鋅鍋底板的裂紋附近，鋅沿著晶界向內(nèi)部的滲透非常明顯。

2 綜合分析

由宏觀分析和宏觀低倍檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋅鍋漏鋅處起始于鍋內(nèi)側(cè)焊縫與底板母材的交界處，由鍋內(nèi)向底板內(nèi)部發(fā)展，外側(cè)則位于鋅鍋底板的下(底)部。在漏鋅起始處可見長(zhǎng)條狀凹陷特征，同時(shí)可見緊鄰泄漏點(diǎn)有裂紋存在，且裂紋大體起始于鋅鍋內(nèi)側(cè)焊縫與底板母材的交界處或交界處附近的母材處，由鍋內(nèi)側(cè)沿著底板向鍋外側(cè)發(fā)展。

由金相分析可知，鍋內(nèi)側(cè)泄漏口的入口位于焊縫與底板母材交界的熱影響區(qū)，泄漏口的中部和出口處均位于底板上。鄰近泄漏口處可見裂紋，裂紋大多呈斷續(xù)鋸齒狀，尾端尖細(xì)，裂紋大多為沿晶裂紋，裂紋周圍的晶界上有第二相產(chǎn)物。同時(shí)，在漏鋅處附近的鍋內(nèi)側(cè)也可見裂紋，此裂紋特征與泄漏口處及其鄰近區(qū)域的裂紋特征相近，也同樣表現(xiàn)為斷續(xù)鋸齒狀沿晶裂紋特征，同時(shí)可見裂紋邊緣的晶界上有第二相產(chǎn)物，掃描電鏡X射線能譜分析可知該第二相主要為鋅鐵相，表明存在沿晶鋅腐蝕現(xiàn)象。此外，用掃描電鏡觀察金相樣品還可發(fā)現(xiàn)，在鋅鍋側(cè)墻板和底板的組織中其晶界處均有三次滲碳體析出，其中底板的組織中其三次滲碳體呈片狀。進(jìn)一步觀察可知，在底板沖擊斷口附近晶界上析出的片狀滲碳體有開裂特征。此外，由補(bǔ)充性試驗(yàn)結(jié)果可知，底板材料經(jīng)正火后其沖擊性能大大提高。由此表明，底板材料未經(jīng)正火處理前，這些晶界析出的片狀滲碳體的存在已使材料產(chǎn)生脆化［2］，從而導(dǎo)致沖擊性能大大降低。

由泄漏處斷口的掃描電鏡分析可知，在裂紋靠近鍋內(nèi)側(cè)及裂紋中部區(qū)域的斷口上有大量致密的鋅(鋅鐵合金)和較疏松的“鋅渣”覆蓋物，表明斷口表面出現(xiàn)程度不同的腐蝕現(xiàn)象。在裂紋前端的斷口上可見沿晶斷裂及眾多的沿晶二次裂紋，呈現(xiàn)出脆性開裂特征。同時(shí)在裂紋前端人為撥開的材料斷口上可見解理花樣和小塊狀準(zhǔn)解理特征，也呈現(xiàn)出脆性斷裂特征。雖然兩者均呈現(xiàn)出脆性斷裂特征，但不同的是鋼板原始裂紋的斷口上明顯表現(xiàn)出沿晶腐蝕造成晶界強(qiáng)度下降的斷裂特征。

綜合以上分析結(jié)果可以看出，一方面，鋅鍋底板組織中的滲碳體呈片狀沿晶界析出使材料脆化(滲碳體呈片狀沿晶界析出與底板的熱加工工藝不當(dāng)有關(guān))。同時(shí)，由于底板組織中晶界處的局部碳含量富集使材料出現(xiàn)了沿晶鋅腐蝕，造成了晶界強(qiáng)度的弱化并產(chǎn)生微裂紋。另一方面，由宏觀分析可知，該泄漏鋅鍋的側(cè)墻板存在明顯的厚度差異，而厚度存在明顯差異表明板材存在不均勻腐蝕現(xiàn)象，此不均勻腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生與側(cè)墻板和鋅液的溫度不均勻有關(guān)。同時(shí)，在側(cè)墻板的組織中有石墨化現(xiàn)象，表明側(cè)墻板存在局部溫度過高現(xiàn)象。鋅鍋的溫度不均勻和局部溫度過高不僅加速鋅液對(duì)鋅鍋內(nèi)壁的腐蝕而且將使熱應(yīng)力大大增加(鋅鍋的溫度不均勻和局部溫度過高與鍍鋅生產(chǎn)工藝不當(dāng)有關(guān))。在以上兩方面因素的共同作用下，由于底板材料的脆化以及沿晶鋅腐蝕，使晶界出現(xiàn)微裂紋，這時(shí)在較大熱應(yīng)力的作用下，造成了在應(yīng)力集中部位(側(cè)墻板與底板交界的折角處)的微裂紋沿晶界向材料內(nèi)部擴(kuò)展，同時(shí)鋅液沿著裂紋進(jìn)入材料內(nèi)部，對(duì)新鮮的表面進(jìn)行腐蝕，且因應(yīng)力作用使腐蝕加劇，從而又促進(jìn)裂紋的沿晶進(jìn)一步擴(kuò)展，形成應(yīng)力腐蝕裂紋。裂紋不斷擴(kuò)展，使最嚴(yán)重處的內(nèi)外壁貫穿，引起鋅液的泄漏。

3 結(jié)束語

由分析可知，鋅鍋底板化學(xué)成分符合質(zhì)保書要求，與鋅鍋漏鋅沒有必然關(guān)系;底板熱加工工藝不當(dāng)和鍍鋅生產(chǎn)工藝不當(dāng)，這兩方面的共同作用導(dǎo)致鋅鍋產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂并最終引起鋅鍋泄漏。

因此，嚴(yán)格控制底板的含碳量，減少碳化物沿晶析出并對(duì)底板進(jìn)行正火處理，減少晶間碳化物量;在鍍鋅過程中，降低鋅鍋升溫速度，減小底板和鋅液溫差，可以提高熱鍍鋅爐的使用壽命。

［1］蔡宏偉.金相檢驗(yàn)［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2008.

［2］戴起勛.金屬材料學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

Analysis of the Zinc Leaking Causes in Zinc Pan

WANG Hongru1，LIU Kang1，WANG Lifeng2，ZHU Ling2
(1.Jiangsu Provincial Supervising＆ Testing Research Institute for Products Quality，Jiangsu Nanjing，210007，China)
(2.Jiangsu Province Mechanical Research and Design Institute Co.，LTD，Jiangsu Nanjing，210012，China)

By macroscopic observation，chemical composition analysis，scanning electron microscopy of fracture observation and energy spectrum analysis，microstructure test，it analyzes the zinc leaking from zinc pan.The result shows that the zinc leaking couses is(1)inappropriate heating process at the bottom of the pan，which leads to material embrittlement from cementite flake along the grain boundary precipitates，weakening of grain boundary strength and micro crack because of carbon content aggregation at grain boundary;(2)inappropriate galvanized process，which leads not uniform temperature and to speed upzinc corrosion and the thermal stress.These two reasons cause the zinc corrosion and leaking.

Zinc Pan;Zinc Leaking;Stress Corrosion

TG1

B

2095－509X(2013)04－0083－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.021

2013－02－04

王洪如(1957—)，男，江蘇響水人，江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品失效分析。