核电设备用20 钢电镀锌铁合金及其性能

陈慧*，孙永亮

（苏州热工研究院寿命管理中心，江苏 苏州 215004）

锌镀层在核电设备上的应用较多，如排气系统、管线、罐体等。但锌镀层在海洋大气环境下的耐蚀性差，且成本较高。锌铁合金镀层与锌镀层相似，但耐蚀性强于锌镀层，且钝化处理后其耐蚀性得到大幅提高。本文通过模拟亚热带地区核电站气候与工作环境，对比研究了目前核电设备用镀锌钢板、镀锌螺栓和本工艺镀锌铁合金钢板的耐蚀性，以探索锌铁合金镀层在核电设备上应用的可能性。

1 工艺介绍

基体材料为核电设备常用的20 钢，尺寸为4.0 cm ×3.0 cm × 0.1 cm，采用无氰碱性锌酸盐体系对其进行电镀锌铁合金。

1.1 工艺流程

磨光─化学除油─热水洗─冷水洗─酸洗─活化─水洗─电镀锌铁合金─水洗─出光─三价铬钝化─水洗─吹干[1]。

1.2 配方与工艺

1.2.1 化学除油

Na2SiO3黏度较大、吸附性强，容易在试片表面形成薄膜而影响清洗效果，需控制其用量，并加入一定量的表面活性剂。

1.2.2 酸洗

采用体积分数为9%的硝酸对铁片进行酸洗，酸洗温度为30°C，时间为30～60 min[2]。酸洗过程中，每隔5～8 min 要翻转一次试片，保证试片表面得到充分处理。

1.2.3 活化

采用200 mL/L 的盐酸，室温，时间2～5 min。活化过程中，每隔30～40 s 就要翻转一次试片，使试片表面得到充分处理。

1.2.4 电镀Zn–Fe 合金

应定期进行镀液维护，尤其是夏天温度较高，阳极锌板溶解速率较快，镀液中Zn2+含量较高。另外，镀液中的Fe2+被氧化成Fe3+后会水解生成有害杂质Fe(OH)3，从而镀液性能降低[3]。

1.2.5 出光

30～50 g/L 的硝酸[w(HNO3)=65%]，室温，时间3～15 s。

1.2.6 三价铬钝化

每周应对钝化液进行一次维护，使钝化液各组分浓度维持在正常范围内。

2 锌铁合金性能

2.1 镀层厚度

采用德国尼克斯QuaNix1200 镀层测厚仪测定镀锌铁合金钢板表面镀层的厚度，随机选取5 个不同点进行测定，结果见表1。

表1 锌铁合金镀层的厚度Table 1 Thickness of zinc–iron alloy coating

GB/T 9799–2011《金属及其他覆盖层 钢铁上的锌电镀层》规定，在中等腐蚀、高温环境下锌镀层的厚度应为8～10 μm。从表1 可知，锌铁合金镀层的厚度满足GB/T 9799–2011 的要求。

2.2 耐蚀性

亚热带地区年平均温度为24.2°C，年平均相对湿度为84%，大气中Cl−平均累计含量为0.084 mg/(100 cm2·d)，SO2平均累计含量为0.098 9 mg/(100 cm2·d)[4]。中性盐雾(NSS)试验箱内的相对湿度≥95%，大于核电站设备工作环境的相对湿度。因此根据亚热带地区的气候和某核电站工作环境(高温厂房温度为28～35°C)，分别在30、32、35 与37°C 下对镀锌铁合金钢板进行中性盐雾试验，并与目前核电设备用镀锌钢板和镀锌螺栓进行对比，结果如图1 所示。

图1 不同试样在不同温度下的NSS 试验结果Figure 1 Results of NSS test for different samples at different temperatures

由图1 可知，随盐雾试验温度升高，不同试样出现白锈的时间均缩短；相同温度下，经钝化处理的锌铁合金镀层其NSS 试验时间长于镀锌螺栓而低于镀锌板。镀锌板常用于罐体内壁、一回路等重要的敏感设备，以确保设备不被腐蚀；核电站的常规岛和BOP(厂房辅助系统)部分的镀锌钢板耐蚀性要求相对较低，但应优于螺栓部位。因此就耐蚀性而言，镀锌铁合金钢板可用于常规岛和BOP 部分设备。

2.3 微观形貌

采用日本电子株式会社生产的JSM-5610LV 型扫描电子显微镜观察钝化后锌铁合金的微观形貌，结果见图2。由图2 可知，锌铁合金表面平整、致密而均匀。

图2 锌铁合金镀层的微观结构Figure 2 Microstructure of zinc–iron alloy coating

2.4 机械性能

核电设备镀层的机械性能检测结果应满足GB/T 2518–2008《连续热镀锌钢板及钢带》的相关规定，分别对锌铁合金镀层进行180°弯曲试验。结果表明，镀层无脱落，无露钢基裂纹。表2 为其抗拉伸强度和拉伸率测试结果。从表2 可知，锌铁合金的机械性能满足GB/T 2518–2008 的要求。

表2 锌铁合金镀层的机械性能Figure 2 Mechanical properties of zinc–iron alloy coating

3 结语

从耐蚀性方面考虑，镀锌铁合金钢板可用于常规岛和BOP 部分设备。锌铁合金镀层用于部分核电设备可降低成本并提高设备寿命，但锌铁合金镀层无法满足一回路等设备的特殊性和高耐蚀性要求，如何进一步提高镀层耐蚀性和特殊环境的适应性是锌铁合金镀层在核电设备应用上亟待解决的问题。

[1]张昭,舒余德,李晓梅.电镀Zn–Fe 合金的发展现状[J].电镀与环保,1998,18 (5):7-11.

[2]李香文,衣海涛,李乃军,等.电镀锌–铁合金的进一步研究[J].电镀与环保,2001,21 (1):8-9.

[3]李峰,王建良.碱性锌铁合金电镀[J].材料保护,2000,33 (4):10-11.

[4]陈孝渝,杨德模,凌勇,等.大亚湾核电站地区大气腐蚀性污染物检测与分析[J].核科学与工程,2005,25 (3):193-200.

[5]尚书定.镀锌层蓝白钝化工艺研究[J].电镀与涂饰,2001,20 (5):21-24.