高耐蚀性Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的组织及耐蚀性

刘秋元,江社明,刘 昕,岳崇峰,俞钢强,张启富

(中国钢研科技集团有限公司 先进金属材料涂镀国家工程实验室,北京 100081)



高耐蚀性Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的组织及耐蚀性

刘秋元,江社明,刘 昕,岳崇峰,俞钢强,张启富

(中国钢研科技集团有限公司 先进金属材料涂镀国家工程实验室,北京 100081)

采用双镀法制备了Zn-10%Al-Mg镀层钢丝，用ICP-AES分析了镀层的化学成分，用SEM观察了镀层的组织结构，采用中性盐雾试验评价了镀层钢丝的耐蚀性，并与锌镀层钢丝进行了比较。结果表明：Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的腐蚀质量损失率约为锌镀层钢丝的六分之一，Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的耐蚀性远远优于锌镀层钢丝的。

Zn-10%Al-Mg镀层钢丝；耐蚀性；盐雾试验；锌镀层钢丝

ResearchInstituteGroup,Beijing100081,China)

钢丝广泛应用于建筑、电力、通讯、渔业等国民经济的各个行业。为了提高钢丝的耐蚀性，延长其寿命，对其表面热浸镀一层具有牺牲防护性的镀层，是一种最为经济和有效的防护方式。最初的镀层为纯锌镀层[1-3]，目前国家电网采用的抗腐蚀镀层地线钢丝主要是镀锌钢丝。镀锌钢丝在输配电系统上的应用主要包括输电导线钢芯绞线、地线、引线、接地网等。

随着对镀层钢丝耐蚀性要求的提高和镀层钢丝应用领域的拓展，镀层钢丝的种类也不断增加，目前应用的有近10种,如Galfan、Galvalume及ZnAlMg等合金镀层钢丝。这些镀层钢丝使用年限各不相同，少则几年，多则十几年甚至几十年。法国Fical公司生产的Zn-5%Al-Re合金镀层，是金属纯锌镀层的升级换代产品，其耐蚀性高出纯锌1～2倍[2-6]。

镁具有强化晶界，细化晶粒和提高镀层耐蚀性的特性[7-11]，在Zn-Al合金中加入少量的镁，研究Zn-Al-Mg合金镀层具有重要意义。近年来，Zn-Al-Mg合金镀层钢丝成为了钢丝制品一个新的研究热点，国外各大公司竞相开展相关研究，如日本新日铁日亚钢业株式会社生产了Zn-10%Al-Mg镀层钢丝，大大提高了镀层钢丝的耐蚀性。我国在Zn-Al-Mg合金镀层钢丝开发和生产方面的研究极少，缺少成熟的生产工艺，对其组织及耐腐蚀性能也缺乏足够的了解。由于大气污染的问题越来越严重，酸雨沉降、污染物排放、雾霾等频繁发生，如何提高输电线路的耐腐蚀性能，延长其使用寿命得到了越来越多的关注，也促进了高耐腐蚀性合金镀层钢丝的开发和生产。因此，本工作采用双镀法制备了Zn-10%Al-Mg镀层钢丝，评价了镀层钢丝的耐蚀性，并与锌镀层钢丝进行了比较，以期为提高我国在该产品领域的技术水平提供参考。

1　试验

1.1镀层钢丝的制备

试验用钢丝的直径为2.7mm，化学成分见表1。钢丝热浸镀前经过碱洗、酸洗、助镀、烘干等工序处理。采用传统的氯化锌铵镀锌工艺制备纯锌镀层钢丝。采用双镀法制备Zn-10%Al-Mg镀层钢丝，即钢丝先快速进入纯锌液中“闪镀”上一层薄薄的纯锌，接着进入Zn-10%Al-Mg合金锌液中进行热镀。Zn-10%Al-Mg合金锌液中铝质量分数在10%～12%，镁质量分数约为0.01%，其余为锌。锌液用纯度为99.99%的锌熔化而成。

表1　钢丝的化学成分(质量分数)Tab. 1　Chemical composition of steel wire (mass)　%

1.2试验方法

将镀后的钢丝用环氧化树脂进行冷镶，用220号至2 000号砂纸依次进行打磨，然后进行抛光，使得镀层横截面平整，便于在试样腐蚀之后能看到清晰的镀层结构。为防止磨削过程中锌镀层被氧化，采用航空煤油作为润滑液和冷却剂。在0.5%(体积分数)硝酸的酒精溶液中腐蚀4～5s，然后观察镀层厚度和镀层组织。

采用电感耦合等离子体原子发射光谱法ICP-AES测镀层中合金元素的含量。采用FEIQuantaFEG650场发射扫描电镜(FE-SEM)观察和分析试样镀层横截面形貌，并用附带的PegasusApex4型能谱仪(EDS)进行元素成分的分析(高真空模式，扫描加速电压为20kV，工作距离10mm)。按照GB/T10125-1997《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》标准进行盐雾试验，试验溶液为5%(质量分数)NaCl溶液，温度为(35±1) ℃；并且采用失重法分析两种镀层在中性盐雾环境下的质量损失率，镀层在中性盐雾试验前均未进行钝化。

2　结果与讨论

2.1镀层组织形貌及化学成分

从图1可以看出，Zn-10%Al-Mg镀层表面较平整，出现共晶相，截面可以分辨出镀层、合金层和基体。锌镀层和Zn-10%Al-Mg镀层厚度均约为45μm。锌镀层的铁/锌界面层中有一层厚度约20μm铁锌相化合物层，这是由于锌液中不含铝，没有抑制铁和锌迅速反应的Fe2Al5，致使铁和锌反应比较充分。

将两种镀层溶解，进行了ICP光谱分析，结果如表2所示。同时结合能谱分析(图略)表明，两种镀层中均含有一定量的铁元素，这是因为在热浸镀过程中，钢丝与合金液扩散反应，钢丝表面的铁元素扩散进入了镀层。

2.2中性盐雾试验结果

从图2，3中可以看到，盐雾试验96h后，锌镀层钢丝表面已经开始出现白锈，而Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的表面除了极其轻微的锈外，几乎没有变化；盐雾试验480h后，锌镀层钢丝表面开始出现红锈，而Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的表面依旧是白锈；盐雾试验2 500h后，锌镀层钢丝表面已经出现大面积红锈，而Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的表面只是白锈，还没有出现红锈。这说明了Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的耐蚀性相对于锌镀层钢丝，得到了大幅提高。

从表3可见，中性盐雾试验480h后，锌镀层钢丝和Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的质量损失率分别为209.229 3，32.882 6g/m2；中性盐雾试验2 500h后，锌镀层钢丝和Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的质量损失率分别为266.462 3，42.444 9g/m2。由此可以看出，经不同时间的中性盐雾后，Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的耐蚀性均为锌镀层的6倍左右，所以Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的耐蚀性远优于锌镀层钢丝的。

表3　经不同时间的中性盐雾后两种镀层钢丝的 腐蚀质量损失率Tab. 3　Corrosion weight loss rates of two coated steel wiresafter NSST for different times　g/m2

从图4可以看出，经2 500h盐雾试验后，锌镀层钢丝已经严重腐蚀，而Zn-10%Al-Mg镀层钢丝

基本没有腐蚀。由此可以看出，Zn-10%Al-Mg镀层钢丝的耐蚀性大大高于锌镀层的。

3　结论

(1)Zn-10%Al-Mg镀层表面较平整，出现共晶相，截面可以分辨出镀层、合金层和基体。

(2) 中性盐雾试验表明,Zn-10%Al-Mg镀层的耐蚀性远远优于锌镀层的，同等条件下的腐蚀质量损失率仅为锌镀层的六分之一。

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MicrostructureandAnti-CorrosionPropertyofHighAnti-CorrosionZn-10%Al-MgCoatedSteelWire

LIUQiu-yuan,JIANGShe-ming,LIUXin,YUEChong-feng,YUGang-qiang,ZHANGQi-fu

(NationalEngineeringLaboratoryofAdvancedCoatingTechnologyforMaterials,ChinaIronandsteel

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewaspreparedbydualhotdippingmethod.ThechemicalcompositionandmicrostructureofthecoatingwereanalyzedbyICP-AESandSEM.Theanti-corrosionpropertyoftheZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasalsoanalyzedbyneuralsaltsprayingtest(NSST)method,andcomparedwiththatofzinccoatedsteelwire.TheresultsshowthattheweightlossrateofZn-10%Al-Mgcoatedsteelwirewasone-sixthofthatofZncoatedsteelwire,sotheanti-corrosionpropertyofZn-10%Al-MgcoatedsteelwirewashighlysuperiortothatofZncoatedsteelwire.

Zn-10%Al-Mgcoatedsteelwire;anti-corrosionproperty;saltspraytest;Zncoatedsteelwire

10.11973/fsyfh-201606008

2015-05-15

国家“十二五”规划科技支撑(2012BAJ13B03)

刘秋元(1984-)，博士，从事表面防腐蚀研究,010-62182572，18201126349，lqypvd2012@163.com

TG172

A

1005-748X(2016)06-0472-03