钢中Mn的质量分数对热浸镀锌的影响.pdf

:/钢中 的质量分数对热浸镀锌的影响宋智峰 王猛 王鑫铭 封举宁 胡静娴 刘艳 吴煜(.湖南大隆环境科技有限公司 湖南 长沙.湖南宏工智能科技有限公司 湖南 株洲.湘潭大学材料科学与工程学院 湖南 湘潭)摘 要:利用扫描电子显微镜、能谱仪等设备 研究纯铁、合金在 纯锌浴中浸镀 后 合金镀层的组织变化及生长动力学 结果表明:随着 质量分数的增大镀层组织基本为 相和 相 当 的质量分数 镀层开始出现裂纹 在 合金镀层生长动力学中 随着锰元素的添加 镀层厚度较纯铁镀层都有一定的降低 且随着浸镀时间的延长 镀层厚度的增长速度也在增加 合金的生长机制主要由扩散机制控制 在浸镀过程中 扩散通道从液相开始、穿过 相、进入 相 锰元素质量分数的增大会使扩散通道向真实合金成分偏离关键词:热浸镀锌 的质量分数 相 相中图分类号:文献标志码:文章编号:()基金项目:国家自然科学基金项目()国家自然科学基金项目()湖南省教育厅一般项目()收稿日期:修回日期:(.):()().:引言输电杆塔钢构件的防腐蚀性能直接关系到输电线路的安全可靠运行 现役杆塔钢构件等重要设备由于服役时间长、周围环境复杂、腐蚀介质多样等影响 腐蚀日渐加快 损害严重 造成重大经第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月济损失 存在严重安全隐患 为了保证输电网络的可靠性和耐久性 必须采取有效的腐蚀防护措施目前 输电杆塔钢结构多采用镀金属覆盖层、有机涂料涂层的方式进行腐蚀防护 其中 在大气环境下以热浸镀锌使用最为普遍 具有良好的耐腐蚀效果 然而 在沿海及重工业污染等重腐蚀环境中 输电杆塔钢构件热镀锌防腐技术已不能满足使用寿命要求 因此 亟需开发出耐腐蚀性更好的热镀锌防腐技术 是钢中的主要合金元素.等人发现在锌液中加入 后 相的厚度大幅降低 相层和 相层之间变得更致密且均匀 并且镀层的耐腐蚀性能得到提高 尹德友等人研究了 合金中 元素对镀层的影响 发现随着 添加量的增多镀层厚度先增加后减小 舒冠华等人在铝池中添加了 元素后 合金镀层厚度增加 且具有较高的抗划擦性能 本文对含不同质量分数 的合金镀层组织和镀层生长动力学进行研究为 合金镀层的质量控制提供一定的参考 材料与方法试验所用原材料是纯度为 的工业纯锌锭、锰锭和铁锭 使用锰锭和铁锭在真空非自耗钨极电弧炉中熔炼出含不同质量分数 元素的合金 将熔炼好的铁锰合金切割成 的试样并钻孔 将试样的被镀面用砂纸磨平 下用 /的 溶液进行脱脂去油 酸洗采用/的 溶液去除表面氧化皮 助镀剂为 混合溶液 保证 合金在浸镀时能有较好的活性锌池的配制方法为:在坩锅中加入约 的纯锌锭 将坩锅放入井式电阻炉中随炉加热至锌锭熔化 随后保温至 稳定后即可进行热浸镀浸镀时间分别为 、和 将浸镀后的样品进行预磨、抛光和腐蚀 使用 扫描电子显微镜()观察镀层组织和测量镀层厚度 使用能谱分析仪()进行成分分析 试验结果与讨论 含不同质量分数 的 合金镀层组织根据 二元相图可知 当基体浸入纯锌池后 处于亚平衡状态 在基体与液锌界面之间会形成 相 而生成的 相层会阻碍 向 扩散随着浸镀时间的增加 相层逐渐完整 使得在 相层与基体之间的 元素浓度升高 进而促进了 相层的形成图 为含不同质量分数 元素的 合金在 下热浸镀纯锌池 后获得的镀层的 照片 由图 ()可知 锌铁合金层在铁基体与纯锌层 之间 有两层相层 测得的平均成分分别为 和 根据 相图和 测得的成分可知 铁基体与纯锌层 之间的相层分别是、层靠近铁基体为 相 组织比较致密 相则靠近纯锌层 且靠近 相层的 相比较致密 靠近 层的 相比较疏松 图 ()为 合金镀层组织 由图可见 合金层由致密的 相层和 相层组成 与图 ()纯铁镀锌相比 相层厚度由 降 低 到 相 层 由 降低到 但 合金镀层更为致密 使用 分析镀层组织成分后发现合金层中存在锰元素()()()()()()图 含不同质量分数 元素的 合金在 纯锌池浸镀 后的显微组织第 卷第 期 宋智峰等:钢中 的质量分数对热浸镀锌的影响 年 月 图 ()为 合金浸镀后的镀层组织 由图可见 镀层组织与图 ()、()基本相同 但镀层厚度较图 ()、()有所变化 相层厚度为 相层厚度为 采用 分析合金层成分同样也存在锰元素 合金镀层凝固组织如图 ()所示 镀层组织由疏松的 相层和 相层组成 镀层总体厚度较图 ()变化不大 相层厚度为 且比较疏松 相层为 合金浸镀后的镀层组织如图 ()所示 可以看出 合金经过 浸镀后 相组织变得粗大 厚度为 相层组织致密 厚度为 并且有裂纹横跨 相层和 相层 说明添加的 元素质量分数过高会导致镀锌层产生应力 进而影响合金的机械性能 合金镀层 组 织 如 图 ()所 示 相 层 厚 度 为 相层厚度为 相层中存在多条裂纹 相较图 ()合金镀层来说 裂纹条数增加 且组织变化明显 靠近 相层的 相有部分保留致密状态 但靠近锌液的 相层则由致密的柱状转变为晶粒细小且破碎的状态 含不同质量分数 元素的 合金层生长动力学 图 为 下在纯锌池中浸镀 后 合金化合物层厚度和浸镀时间之间的变化关系曲线 可以看出 合金化合物层的增长速率近似抛物线 镀层厚度随浸镀时间的增加而增加 在纯锌池中浸镀时化合物层厚度的增长速度都比较慢 与纯铁热浸镀组织生长规律一致 由图可知 在 下纯锌池中热浸镀 的纯铁合金镀层厚度达 而随着 合金锰元素的添加 其镀层厚度较纯铁镀层厚度都有一定的降低 当锰元素质量分数达到 时 镀层厚度基本不发生变化 随着浸镀时间的延长 镀层生长速度略有加快 表明锰的质量分数大小对镀层生长影响较小用经验公式 来评价热浸镀时 合金层的生长动力学过程 其中 为镀层厚度 为生长速度常数 为浸镀时间 为生长速率时间指数 根据图 中的实验数据 采用最小二乘法对数据进行拟合 所得出的生长速度常数 和生长速率时间指数 见表 图 合金浸镀镀层厚度与时间的 关系曲线表 合金浸镀时的生长动力学参数参数锰的质量分数/生长速率时间指数 生长速率常数 生长动力学方程 从表 可以看出 合金生长速率时间指数都不超过 表明镀层的生长都由扩散控制 呈抛物线规律生长 当 的质量分数超过 时 生长速率常数低于表中的其他合金镀层的生长速度较慢 合金元素锰的作用机理 对 合金层组织的形成可用扩散通道理论进行解释 扩散通道代表平面平均成分点构成的轨迹 垂直于扩散方向 三元体系中扩散通道一般可分为真实扩散通道和虚拟扩散通道 真实扩散通道指扩散通道只穿过单相区或沿着共轭线穿过两相区 扩散层中的组织形态呈平面状 而中间相也会生成平面状组织 相反 虚拟扩散通道是共轭线被扩散通道切割时 中间相的平面层状组织状态会改变 且扩散层出现两相混合图 为根据 所测定的 三元体系所绘制的扩散通道示意图 可知 在 相中最大溶解度可达 合金在纯锌液的浸镀过程中 最先反应的是 相首先在基体表面形成 当合金中锰的质量分数较低时 如图 中 所示 扩散通道从液相开第 卷第 期 湖 南 电 力 年 月始、穿过 相、进入到 相层 扩散通道沿着共轭线穿过两相区 扩散层形成平面层状组织 如图()()所示 当钢中锰的质量分数增大时如图 中 所示 扩散通道发生偏移 但依然从液相穿过进入到 相层 且沿两相共轭线 当钢中锰的质量分数达到一定值时 镀层会出现裂纹 如图 ()()所示 用 对 合金进行能谱分析发现 相中锰的质量分数超过 相约含 合金 相中锰的质量分数约为 相约为 测得的能谱数据符合 、两条扩散通道特征图 合金镀层扩散示意图 结论)随着 元素质量分数的增大 镀层组织基本为 相和 相 当 的质量分数 镀层开始出现裂纹)在含 钢镀层生长动力学中 随着锰元素的添加 镀层厚度较纯铁镀层都有一定的降低且随着浸镀时间的延长 镀层厚度的增长速度也在加快 合金的生长机制主要由扩散机制控制)在浸镀过程中 扩散通道从液相开始、穿过 相、进入到 相层 锰元素质量分数的增大将会使扩散通道向真实合金成分偏离参考文献 孙亮 韩钰 陈新.线路杆塔新型合金镀层的制备及耐蚀性研究.中国电业(技术版)():.宋焕东.浅议高压输电线路的防腐措施.民营科技():.陈颖敏 赵洁 冉玉倩 等.雾霾天气对铁塔的腐蚀影响实验研究.电力科学与工程 ():.陈云翔 倪清钊 林德源 等.大气环境下电网设备金属材料的腐蚀及服役寿命预测研究进展.材料导报 ():.樊志彬 李辛庚.输电杆塔钢构件腐蚀防护技术现状和发展趋势.山东电力技术 ():.王平 孙心利 马东伟 等.输变电设备大气腐蚀情况调查与分析.腐蚀科学与防护技术 ():.王茂法.电力铁塔材料高耐蚀热浸厚锌层工艺开发.中国金属通报 ():.胡俊鹏 李辛庚 岳增武 等.输变电钢构件热镀锌防腐蚀效果调查分析.腐蚀科学与防护技术 ():.周经中 王晓芳 陈云 等.输电杆塔用热镀锌钢在模拟东南沿海大气环境中的加速腐蚀试验方法研究.材料保护 ():.原徐杰 张俊喜 季献武 等.电力输电杆塔用镀锌钢在污染环境中的腐蚀行为研究.腐蚀科学与防护技术 ():.陈彤 谈天 洪毅成 等.输电网镀锌金属部件的腐蚀与防护.中国电力 ():.():.尹德友 吴广新 张捷宇.元素对硼钢热浸镀 镀层组织的影响.上海金属 ():.舒冠华 李新梅 王攀.不同锰含量热浸镀铝锰合金层扩散退火后的抗划擦性能.材料保护 ():.孔纲 卢锦堂 陈锦虹 等.钢中元素对钢结构件热镀锌的影响.腐蚀科学与防护技术 ():.杨志勇 桂艳.添加、元素对热浸镀锌钢的影响.顺德职业技术学院学报 ():.孔纲 刘仁彬 车淳山 等.锌浴温度对.活性钢热浸镀锌层组织的影响.材料工程 ():.李凯良 吴长军 彭浩平 等.对 合金镀层凝固组织及合金层生长的影响.工程科学学报 ():.苏旭平 李智 尹付成 等.热浸镀中硅反应性研究.金属学报 ():.():.作者简介宋智峰()男 工程师 主要从事工程设备和机器人及相关材料方向的研究胡静娴()女 副教授 通信作者 主要从事材料设计及热力学计算等方面的研究第 卷第 期 宋智峰等:钢中 的质量分数对热浸镀锌的影响 年 月