輸電鐵塔鋼制件熱浸鍍厚鋅工藝正交優(yōu)化

王邦林 *，廖興利，柯?lián)碥?，陳欽燁，李武俊，馬尚城，盧承宏， 顏財敏，邵凱湖，白炳城，谷長棟

（1.溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325013； 2.浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

輸電鐵塔作為輸電線路的承重結(jié)構(gòu)，是電力輸送和安全運行的重要保障[1]。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235和低合金高強度鋼Q345能夠滿足不同類型輸電鐵塔的力學(xué)性能要求，但這些材料的耐腐蝕性能差，若不進行表面防腐處理，很容易在短時間內(nèi)就腐蝕失效。因此，材料表面防腐處理是輸電鐵塔安全服役的關(guān)鍵。熱浸鍍鋅是目前應(yīng)用最廣、最經(jīng)濟有效的鋼制件表面處理工藝，熱浸鍍鋅層具有分布均勻、附著力強、耐蝕性好、使用壽命長等優(yōu)點[2]。然而輸電塔鋼制件(尤其是塔腳)長期服役于野外惡劣環(huán)境中，鍍鋅工藝控制不當將會導(dǎo)致鋅層出現(xiàn)大面積銹蝕和脫落[3-5]。影響熱鍍鋅鋼制件耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素之一是鍍鋅層的厚度[6]，現(xiàn)有的國家標準《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》(GB/T 2694–2018)規(guī)定了不同厚度鋼材對應(yīng)的最低鍍鋅層厚度，其中厚度大于5 mm的鍍件要求鍍鋅層的厚度大于86 μm。隨著我國能源基建的輸出，如在“一帶一路”建設(shè)中一般都是依據(jù)Standard Specification for Zinc (Hot-dip Galvanized) Coatings on Iron and Steel Products(ASTM A123/A 123M-02)的規(guī)范，其中規(guī)定厚度大于6.4 mm的鍍件的鍍鋅層厚度應(yīng)不小于100 μm。因此，開發(fā)耐腐蝕性能優(yōu)異的熱浸鍍厚鋅工藝具有重大的現(xiàn)實意義。

根據(jù)鍍鋅層的生長動力學(xué)過程，鍍鋅層的厚度(δ)與施鍍時間(t)的關(guān)系為δ = ktn(其中，k為生長速率常數(shù)，n為生長速率時間指數(shù))[7]，即鍍鋅層的厚度與施鍍時間呈正比，但是隨著施鍍時間的延長，鍍鋅層的結(jié)合力逐漸變差。鍍鋅溫度的升高能加快Fe–Zn反應(yīng)的擴散，對鍍鋅層性能有著重要影響。此外，鋼件鍍前的烘干溫度和烘干時間也會影響鍍鋅層的結(jié)合力。本文通過正交試驗對鋼制件的鍍前烘干溫度和時間、鍍鋅溫度和時間進行優(yōu)化，熱浸鍍得到厚度大于100 μm的厚鋅層，為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 實驗

1.1 熱浸鍍厚鋅工藝

基體材料為100 mm × 100 mm × 8 mm的Q345鋼板，鍍鋅在智能熱鍍鋅流水線上完成，主要工藝流程為：酸洗除銹(鹽酸18 g/L，HG高效環(huán)保型酸洗添加劑適量，室溫，時間20 min)→水洗→溶劑助鍍(氯化鋅180 g/L，氯化銨230 g/L，溫度60 °C，時間2 min)→烘干→熱浸鍍鋅→冷卻→鈍化。

鍍鋅液由0號鋅錠、高純鋁和鋅鎳中間合金配制而得，采用德國Bruker公司的S4 Pioneer型X射線熒光光譜儀測得鍍液組成(以質(zhì)量分數(shù)計)為：Al 0.0062%，Ni 0.0210%，F(xiàn)e 0.0172%，Pb 0.0045%，Zn余量。

1.2 性能檢測

取鍍鋅試樣，用線切割機截取橫截面，經(jīng)鑲樣(防止鍍鋅層破壞)、打磨和拋光后，采用含4%(質(zhì)量分數(shù))硝酸的酒精溶液進行腐蝕，在Phenom Pro X掃描電鏡(SEM)下觀察鍍鋅層的截面形貌及其與基體的結(jié)合情況，并測量鍍層厚度。采用SEM搭載的能譜儀(EDS)分析鍍鋅層的元素分布情況。

采用華銀HVS-1000A數(shù)顯顯微硬度計測定鍍鋅層的顯微硬度。測試面為經(jīng)打磨拋光的熱鍍鋅橫截面，載荷200 g，加載時間15 s，每隔10 μm為1個取樣點，以3次測量的結(jié)果作為梯度硬度的平均值和偏差。由于鍍鋅層的硬度直接影響耐磨性，因此每個試樣取最高測定值來進行比較。

依據(jù)《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》(GB/T 10125–2012)進行中性鹽霧試驗。鹽霧溶液為3.5% NaCl，pH為7.0。試樣與水平面呈25°放置，每80 cm2的鹽霧沉降量為1.2 mL/h，溫度35 °C，時間96 h。試驗完畢，依據(jù)《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層 經(jīng)腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》(GB/T 6461–2002)進行RP/RA性能評級，RP指保護評級，RA指外觀評級。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗方案

以熱浸鍍鋅前的烘干溫度、時間及鍍鋅溫度、時間為因素，熱鍍鋅層厚度、結(jié)合力和顯微硬度為指標，采用L9(34)正交試驗表對熱鍍鋅工藝進行優(yōu)化，以獲得鍍層組織結(jié)構(gòu)和性能都較優(yōu)的熱浸鍍厚鋅工藝。具體方案見表1。

表1 正交試驗因素和水平 Table 1 Levels of different factors for orthogonal test

2.2 正交試驗結(jié)果

從圖1可知，在不同工藝條件下獲得的熱浸鍍鋅層的形貌和厚度都不同。除了在A1B1C1D1條件下所得鋅層(1#)與基體之間存在很大的縫隙，其余鍍鋅層與基體之間都結(jié)合緊密，表明所選熱浸鍍鋅工藝基本上都能制得結(jié)合力合格的鍍鋅層。另外，A1B1C1D1和A3B1C3D2條件下所得的1#和7#鍍鋅層都存在貫穿至基底的微裂紋。

圖1 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的截面形貌 Figure 1 Cross-sectional morphologies of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

從圖2可知，基體的顯微硬度在170 ~ 180 HV之間。隨鍍層與基體界面距離的增大，顯微硬度逐漸減小，鍍鋅層表層的顯微硬度僅70 HV左右。表2示出了不同工藝條件下所得鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度。

表2 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度 Table 2 Thickness and highest microhardness of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

圖2 不同工藝條件下所得熱鍍鋅層的顯微硬度 Figure 2 Microhardness of hot-dip zinc coatings obtained under different conditions

2.3 直觀分析

從表3可知，從鍍鋅層厚度方面考慮，較佳工藝組合為A3B1C2D1。鍍鋅溫度對鍍層厚度的影響最大，其次是鍍鋅時間，鍍前烘干溫度和時間對厚度的影響相差不大。從鍍鋅層的最高顯微硬度看，較佳工藝組合為A2B1C3D1，各因素對鍍層最高顯微硬度的影響順序為：鍍鋅溫度 > 鍍前烘干溫度 > 鍍鋅時間 > 鍍前烘干時間。

表3 鍍鋅層的厚度和最高顯微硬度的直觀分析 Table 3 Visual analysis for thickness and highest microhardness of hot-dip zinc coating

2.4 驗證試驗

分別在上述以鍍鋅層厚度和最高顯微硬度為指標得出的較佳工藝條件(即A3B1C2D1和A2B1C3D1)下熱鍍鋅，對所得鍍層的截面進行線掃描分析。從圖3可以看出，在A3B1C2D1和A2B1C3D1條件下所得的鍍鋅層都致密，無微裂紋存在，厚度分別為(234.5 ± 2.6) μm和(138.2 ± 2.2) μm，與基體表面緊密結(jié)合。根據(jù)Fe–Zn二元相圖[8]，從鋼基體到鍍鋅層表面會依次形成α-Fe相層、Г相層、ζ相層和η-Zn相層。從圖3的能譜分析結(jié)果可知，在A3B1C2D1條件下所得鍍鋅層中基本不存在η-Zn相層。此外，顯微硬度測試結(jié)果顯示，在A3B1C2D1和A2B1C3D1條件下所得鍍鋅層的最高顯微硬度分別為(239 ± 4) HV和(263 ± 3) HV。兩者的厚度和最高顯微硬度均高于正交試驗的9個組合。

圖3 較佳工藝條件下所得熱浸鍍鋅層的截面線掃分析結(jié)果 Figure 3 Results of EDS line scan analysis at cross-sections of hot-dip zinc coatings obtained under the optimal conditions

熱浸鍍鋅鋼制件長期暴露在野外潮濕環(huán)境中，會受到強烈的腐蝕。針對這一工況，對兩個較佳工藝條件下所得鍍鋅層進行了96 h中性鹽霧試驗。如圖4所示，A3B1C2D1鍍鋅層50%以上的表面存在陽極性覆蓋層的腐蝕產(chǎn)物，耐腐蝕性能等級為8/0C(“8”指缺陷面積超過表面0.1%，小于表面0.25%；“0C”指陽極性覆蓋層發(fā)暗面積超過50%)。A2B1C3D1鍍鋅試樣無明顯缺陷和陽極性覆蓋層的腐蝕產(chǎn)物，耐腐蝕性能評級為10/?vsB (“10/?”指無缺陷；“vs”指破壞程度非常輕；“B”指很難看見覆蓋層腐蝕導(dǎo)致的發(fā)暗)，表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能。

圖4 較佳工藝條件下所得的熱浸鍍鋅層在中性鹽霧試驗96 h后的狀態(tài) Figure 4 Appearances of hot-dip zinc coatings obtained under the optimal conditions after neutral salt spray test for 96 hours

綜合以上兩種驗證試驗，得到最佳工藝組合為A2B1C3D1，即：鍍前烘干溫度80 °C，鍍前烘干時間3 min，鍍鋅溫度440 °C，鍍鋅時間4 min。

3 結(jié)論

以鍍鋅層厚度和最高硬度為指標，通過正交試驗對鋼制件的熱浸鍍鋅工藝進行優(yōu)化，得到較佳的工藝條件為：鍍前烘干溫度80 °C，鍍前烘干時間3 min，鍍鋅溫度440 °C，鍍鋅時間4 min。在該條件下所得的鍍鋅層厚度達到138.2 μm，最高硬度為263 HV，耐腐蝕性能良好。