锌锅漏锌原因分析

王洪如，刘 康，王利峰，朱 玲

(1.江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007)

(2.江苏省机械研究设计院有限责任公司，江苏南京 210012)

锌锅漏锌原因分析

王洪如1，刘 康1，王利峰2，朱 玲2

(1.江苏省产品质量监督检验研究院，江苏南京 210007)

(2.江苏省机械研究设计院有限责任公司，江苏南京 210012)

采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜断口观察和能谱分析、显微组织检验等方法对某企业漏锌锌锅进行分析。结果表明:一方面由于底板热加工工艺不当、锌锅底板组织中的渗碳体呈片状沿晶界析出使材料脆化，同时晶界处局部碳富集，使材料出现沿晶锌腐蚀，造成晶界强度的弱化并产生微裂纹;另一方面由于镀锌生产工艺不当，锌锅的温度不均匀和局部温度过高加速了锌腐蚀并存在较大的热应力，以上两方面的共同作用导致锌锅产生应力腐蚀开裂并最终引起锌锅泄漏。

锌锅;漏锌;应力腐蚀

锌锅是热镀锌作业线的核心设备，其功能是熔化锌锭并在生产过程中实现镀锌过程。锌锅寿命直接关系到热镀锌炉的使用寿命。某企业在使用热镀锌炉时，发现锌锅漏锌，立即停止使用，并委托笔者对锌锅漏锌原因进行分析鉴定。

1 检验及技术分析

1.1 宏观分析

从锌锅外侧观察，在锌锅底部靠边缘(距边缘约40mm)处有一泄漏点，泄漏点外形呈不规则椭圆状(岛状)，长径约16mm，短径约11mm。泄漏点呈现凹坑状特征，凹坑深约3mm，凹坑内有灰色异物。凹坑周围呈深红色(油漆)和灰黑氧化色，如图1所示;从锌锅内侧观察，对应外侧泄漏点处的内侧焊缝部位有长条状凹陷特征，长条状方向倾斜于焊缝走向，长约40mm;最宽处约5mm;同时，在邻近长条状凹陷处可见一条裂纹，裂纹大体位于焊缝与底板母材交界处，平行于焊缝方向，从长条状凹陷处向一侧发展，长约400mm以上。此外，由宏观分析还可发现，在锌锅内侧的侧墙板和底板表面均可见鳞片状特征，且侧墙板的厚度存在明显差异，其中取样部位侧墙板最厚处约为58.5mm，最薄处约为30.5mm，而底板厚度则差异较小。

图1 锌锅泄漏点外观

1.2 宏观低倍检验

在锌锅泄漏点附近，垂直于焊缝方向剖开锌锅，进行宏观低倍浸蚀。可见泄漏点内侧位于焊缝与底板母材的交界处，由内侧向底板内部发展，外侧位于底板的下(底)部，同时可见裂纹内有锌及渣状物残留，如图2所示。此外，在紧邻泄漏点以及泄漏点附近的类似剖面也可见裂纹特征。裂纹大体起始于锌锅内侧焊缝与底板母材交界处或交界附近的母材处，由锅内侧向底板外侧发展。

1.3 化学成分

采用湿法化学分析方法对样品进行化学成分测定，其化学成分分析结果见表1。由化学成分分析结果可知，锌锅另一块底板(非漏锌板，1号样品)其化学成分不符合质保书技术要求，其中1号样品中的C和Si含量偏高。锌锅的侧墙板(2号样品)和锌锅底板(漏锌处，3号样品)的所检化学成分均符合质保书技术要求，可见本案中锌锅漏锌和原材料的化学成分无必然关系。

图2 锌锅泄漏处宏观金相

1.4 金相分析［1］

漏锌处锅内侧泄漏口位于焊缝与底板母材交界的热影响区，沿底板母材发展，直至底板锅外侧;邻近泄漏口的裂纹大多为沿晶裂纹，裂纹周围晶界上有第二相产物，裂纹周围组织无明显塑性变形;底板基体组织主要为铁素体，晶粒大体呈等轴状。漏锌处附近裂纹区域裂口起始于锅内侧焊缝与底板交界处的底板母材一侧，主裂口边缘可见沿晶裂纹;主裂口起始部、中部及尾部周围组织无塑性变形;裂纹边缘晶界上有第二相产物;邻近主裂口的裂纹也大多为断续锯齿状，且为沿晶裂纹，裂纹周围组织无明显变形;晶界上有第二相产物;底板基体组织主要为铁素体，晶粒大体呈等轴状。

1.5 扫描电镜及能谱分析

裂纹前端端口形貌如图3所示。同时，在用扫描电镜放大观察金相试样过程中发现，在锌锅的侧墙板材料组织中位于晶界处出现暗色调物质，X射线能谱分析结果表明为石墨化组织。同时在锌锅的侧墙板和底板组织中其晶界处均有析出物，其中侧墙板中晶界的析出物为点(球)状，而底板中晶界的析出物为片状，用X射线能谱仪对该析出物进行了线扫描分析，该晶界析出物含有较高的C、较低的Fe，根据Fe－C相图可知，该析出物为三次渗碳体(图4)。

图3 裂纹前端断口形貌

图4 底板C、Fe线扫描结果

进一步用扫描电镜观察了锌锅的底板冲击试验样品的纵截面金相组织，在冲击断口附近，其晶界析出的片状渗碳体有开裂现象。由此说明，这些晶界析出的片状渗碳体的存在已使材料脆化，造成冲击性能大大降低。

此外，对锌锅侧墙板、底板及底板的裂纹附近的金相样品进行了X射线能谱面扫描分析，由结果可知，在锌锅侧墙板和底板均有锌腐蚀现象，并且锌沿着晶界向内部渗透。尤其在锌锅底板的裂纹附近，锌沿着晶界向内部的渗透非常明显。

2 综合分析

由宏观分析和宏观低倍检验结果可知，锌锅漏锌处起始于锅内侧焊缝与底板母材的交界处，由锅内向底板内部发展，外侧则位于锌锅底板的下(底)部。在漏锌起始处可见长条状凹陷特征，同时可见紧邻泄漏点有裂纹存在，且裂纹大体起始于锌锅内侧焊缝与底板母材的交界处或交界处附近的母材处，由锅内侧沿着底板向锅外侧发展。

由金相分析可知，锅内侧泄漏口的入口位于焊缝与底板母材交界的热影响区，泄漏口的中部和出口处均位于底板上。邻近泄漏口处可见裂纹，裂纹大多呈断续锯齿状，尾端尖细，裂纹大多为沿晶裂纹，裂纹周围的晶界上有第二相产物。同时，在漏锌处附近的锅内侧也可见裂纹，此裂纹特征与泄漏口处及其邻近区域的裂纹特征相近，也同样表现为断续锯齿状沿晶裂纹特征，同时可见裂纹边缘的晶界上有第二相产物，扫描电镜X射线能谱分析可知该第二相主要为锌铁相，表明存在沿晶锌腐蚀现象。此外，用扫描电镜观察金相样品还可发现，在锌锅侧墙板和底板的组织中其晶界处均有三次渗碳体析出，其中底板的组织中其三次渗碳体呈片状。进一步观察可知，在底板冲击断口附近晶界上析出的片状渗碳体有开裂特征。此外，由补充性试验结果可知，底板材料经正火后其冲击性能大大提高。由此表明，底板材料未经正火处理前，这些晶界析出的片状渗碳体的存在已使材料产生脆化［2］，从而导致冲击性能大大降低。

由泄漏处断口的扫描电镜分析可知，在裂纹靠近锅内侧及裂纹中部区域的断口上有大量致密的锌(锌铁合金)和较疏松的“锌渣”覆盖物，表明断口表面出现程度不同的腐蚀现象。在裂纹前端的断口上可见沿晶断裂及众多的沿晶二次裂纹，呈现出脆性开裂特征。同时在裂纹前端人为拨开的材料断口上可见解理花样和小块状准解理特征，也呈现出脆性断裂特征。虽然两者均呈现出脆性断裂特征，但不同的是钢板原始裂纹的断口上明显表现出沿晶腐蚀造成晶界强度下降的断裂特征。

综合以上分析结果可以看出，一方面，锌锅底板组织中的渗碳体呈片状沿晶界析出使材料脆化(渗碳体呈片状沿晶界析出与底板的热加工工艺不当有关)。同时，由于底板组织中晶界处的局部碳含量富集使材料出现了沿晶锌腐蚀，造成了晶界强度的弱化并产生微裂纹。另一方面，由宏观分析可知，该泄漏锌锅的侧墙板存在明显的厚度差异，而厚度存在明显差异表明板材存在不均匀腐蚀现象，此不均匀腐蚀现象的产生与侧墙板和锌液的温度不均匀有关。同时，在侧墙板的组织中有石墨化现象，表明侧墙板存在局部温度过高现象。锌锅的温度不均匀和局部温度过高不仅加速锌液对锌锅内壁的腐蚀而且将使热应力大大增加(锌锅的温度不均匀和局部温度过高与镀锌生产工艺不当有关)。在以上两方面因素的共同作用下，由于底板材料的脆化以及沿晶锌腐蚀，使晶界出现微裂纹，这时在较大热应力的作用下，造成了在应力集中部位(侧墙板与底板交界的折角处)的微裂纹沿晶界向材料内部扩展，同时锌液沿着裂纹进入材料内部，对新鲜的表面进行腐蚀，且因应力作用使腐蚀加剧，从而又促进裂纹的沿晶进一步扩展，形成应力腐蚀裂纹。裂纹不断扩展，使最严重处的内外壁贯穿，引起锌液的泄漏。

3 结束语

由分析可知，锌锅底板化学成分符合质保书要求，与锌锅漏锌没有必然关系;底板热加工工艺不当和镀锌生产工艺不当，这两方面的共同作用导致锌锅产生应力腐蚀开裂并最终引起锌锅泄漏。

因此，严格控制底板的含碳量，减少碳化物沿晶析出并对底板进行正火处理，减少晶间碳化物量;在镀锌过程中，降低锌锅升温速度，减小底板和锌液温差，可以提高热镀锌炉的使用寿命。

［1］蔡宏伟.金相检验［M］.北京:中国计量出版社，2008.

［2］戴起勋.金属材料学［M］.北京:化学工业出版社，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，江苏响水人，江苏省产品质量监督检验研究院高级工程师，主要研究方向为机械产品失效分析。