立柱熱鍍鋅層剝落原因分析和改進

管忠春，趙慶虛，馬麗波，王勝民,

（1.云南通海方圓工貿(mào)有限公司，云南 玉溪 652700； 2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

波形梁護欄是一種連續(xù)的梁柱式護欄結(jié)構(gòu)，主要依靠立柱、防阻塊、波形梁板等構(gòu)件的變形和結(jié)構(gòu)來吸收能量，以防失控車輛沖出道路[1-3]。立柱是波形梁護欄的重要組成部分，土基壓實度、埋深、邊線與離、豎直度等是決定立柱施工合格與否的主要參數(shù)[4]。立柱的表面防腐同樣重要，其影響著立柱服役的可靠性和穩(wěn)定性。適用于高速公路護欄及立柱的防腐方法有很多[5]，其中熱浸鍍鋅是保護鋼材最常用的方法，也是立柱長效防腐的最有效手段[6-7]。熱浸鍍鋅發(fā)展至今已有300多年的歷史，其工藝過程的影響因素較多，參數(shù)的自動化控制和調(diào)節(jié)難以精確設(shè)計，故至今鋼構(gòu)件的熱浸鍍鋅過程仍不能實現(xiàn)鍍層性能的智能預(yù)測和精確控制。立柱表面熱浸鍍鋅層的完整性、厚度、均勻性和結(jié)合強度是影響鍍鋅層防護效果的主要因素。結(jié)合強度是重要指標(biāo)之一，若結(jié)合強度不足，則鍍層易出現(xiàn)開裂、剝落、翹起等缺陷，這也是立柱熱浸鍍鋅生產(chǎn)的常見問題。本文針對立柱熱浸鍍鋅過程中出現(xiàn)的鍍層翹起、剝落等缺陷，采用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析鍍層的組織結(jié)構(gòu)，探討了鍍層出現(xiàn)裂紋、翹起及脫落的原因，并提出了解決措施，以期提高立柱熱浸鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 試驗

1.1 立柱基材及鍍鋅工藝

基材為Q235B鋼圓管立柱，外徑114 mm、壁厚4.5 mm、長1 150 mm，元素組成（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）為：C 0.03%，Si 0.035%，Mn 0.258%，S 0.0245%，P 0.018%，F(xiàn)e余量。

熱浸鍍鋅工藝流程為：酸洗除銹（采用20%工業(yè)鹽酸）→2道漂洗→助鍍（采用120 g/L氯化銨 + 150 g/L氯化鋅，溫度60 °C，時間2 min）→烘干→熱浸鍍鋅（采用0#電解鋅錠，溫度440 °C，時間約120 s）→水冷。

1.2 分析方法

按GB/T 31439.1-2015《波形梁鋼護欄 第1部分：兩波形梁鋼護欄》對立柱沖孔位置和孔徑的要求，采用自制鋼管自動沖孔機床對不合格熱浸鍍鋅立柱的3個部位沖孔取樣，分別為沿立柱長度方向先出鋅鍋的頭部、中部和最后出鋅鍋的尾部，觀察孔邊緣鍍層的結(jié)合情況。

采用FEI Quanta-200型掃描電鏡（SEM）分析鍍層的組織結(jié)構(gòu)，并用它附帶的X射線能譜儀（EDS）分析鍍層的化學(xué)成分。

2 熱浸鍍鋅立柱不同部位的缺陷特征

2.1 宏觀特征

從圖1可知，立柱頭部、中部和尾部的鍍層沖孔后都在孔邊緣發(fā)生一定程度的起皺、剝離或脫落現(xiàn)象，說明沖孔加工時鍍層的結(jié)合強度或塑性不能夠滿足沖裁力的作用。尾部鍍層的剝離和脫落情況最嚴(yán)重，結(jié)合強度或塑性最差。

圖1 立柱頭部（a）、中部（b）和尾部（c）沖孔后熱浸鍍鋅層的起皺和脫落現(xiàn)象 Figure 1 Wrinkling and peeling phenomena of hot-dip zinc coating at the head (a), middle (b), and end (c) of guardrail post after being punched

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

從圖2和表1可知，故障立柱長度方向不同位置均覆蓋有完整的鍍鋅層，鍍層均由Г、δ、ζ及η相層組成，其中ζ相的厚度最大，是鍍層的主體。合格立柱的鍍層也由Г、δ、ζ及η相層組成，其ζ相較為致密。 與故障立柱的鋅層相比，合格立柱表面鋅層的ζ相層厚度明顯較小，η相層則更厚。在鋅鐵合金相中，ζ相為脆性相，δ相和η相為塑性相[8-9]，因為鍍層中的δ相較薄，所以鍍層中脆性的ζ相和塑性的η相是影響鍍層抗沖擊的決定因素。

圖2 故障立柱頭部（a）、中部（b）和尾部（c）鍍鋅層及正常立柱（d）鍍鋅層的截面形貌 Figure 2 Cross-sectional morphologies of failed hot-dip zinc coating at the head (a), middle (b), and end (c) as well as normal zinc coating of guardrail posts

表1 立柱不同部位熱浸鍍鋅層中不同相層的厚度 Table 1 Thickness of different phase layers in hot-dip zinc coating at different positions of guardrail post （單位：μm）

故障立柱尾部鍍層的ζ相厚度大于頭部和中部鍍層，η相厚度則小于頭部和中部鍍層，因此立柱頭部和中部鍍層的抗沖擊性要稍好于立柱尾部，這是沖孔后立柱尾部鍍層起皺、剝離和脫落現(xiàn)象更嚴(yán)重的原因。然而，故障立柱3個位置的鍍層中脆性ζ相都較厚，表層η相層都較薄，故抗沖擊性都差。相對而言，合格立柱的鍍鋅層中包括明顯減薄的ζ相和適宜厚度的η相，脆性相和塑性相厚度搭配恰當(dāng)，故具有足夠的抗沖擊性。

3 原因分析和改進措施

分析熱浸鍍鋅過程可知，入鍋浸鍍時立柱尾部先進后出，頭部則后進先出，不同位置的實際浸鍍時間不同，尾部浸鍍時間最長，中部次之，頭部最短。由熱浸鍍鋅層的生長動力學(xué)規(guī)律可知，在一定時間內(nèi)，隨著浸鍍時間的延長，ζ相逐漸生成并增厚，這與立柱尾部ζ相層最厚吻合。這也說明在保證鍍層厚度滿足要求的前提下，適當(dāng)縮短浸鍍時間能夠減小ζ相層的厚度，從而降低鍍層的脆性。Al是熱浸鍍鋅經(jīng)常添加的元素，它能夠在基體表面形成Fe2Al5阻擋層[8]，阻礙Fe與Zn反應(yīng)，延緩鋅鐵合金相的生長。因此，在鋅鍋中添加0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Al。1萬根產(chǎn)品的生產(chǎn)統(tǒng)計和抽檢結(jié)果表明，所有產(chǎn)品的鍍層厚度合格，沖孔后鍍層沒有發(fā)生起皺、剝離或脫落。

4 結(jié)語

熱鍍鋅立柱在沖孔后鍍層出現(xiàn)起皺、剝離或脫落是鍍層中的脆性ζ相過厚所致。適當(dāng)縮短浸鍍時間和在鋅鍋中添加0.1%的Al都能夠減小ζ相層的厚度，降低鍍層的脆性，從而獲得合格的熱浸鍍鋅立柱。