張　順，　王玉星，　張　凱

(1.江蘇國(guó)華管塔制造有限公司，江蘇 徐州　221000;　2.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照　276800)

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熱浸鋅鋼板鋅層厚度研究

張順1，王玉星2，張凱1

(1.江蘇國(guó)華管塔制造有限公司，江蘇 徐州221000;2.日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司，山東 日照276800)

摘要：熱浸鋅鋼板的鋅層厚度是評(píng)估熱浸鋅鋼板防腐性能的重要指標(biāo)。為得出熱浸鋅鋼板鋅層厚度與浸鋅時(shí)間之間的關(guān)系規(guī)律，從而精確地控制浸鋅時(shí)間和鋅層厚度，需要對(duì)不同厚度的鋼板熱浸鋅進(jìn)行研究。通過(guò)掃描電鏡測(cè)定不同厚度鋼板在不同浸鋅時(shí)間的鋅層厚度，得出相應(yīng)的鋅層厚度隨浸鋅時(shí)間變化的曲線，找出鋅層厚度與浸鋅時(shí)間之間的關(guān)系規(guī)律，并擬合得出鋅層厚度與浸鋅時(shí)間之間的關(guān)系系數(shù)值。結(jié)果表明，同一溫度下，鋅層厚度與浸鋅時(shí)間之間呈類似線性的關(guān)系，隨著鋼板厚度的增加，鋅層厚度增長(zhǎng)的速度加快且鋅層厚度增大。

關(guān)鍵詞:熱浸鍍鋅; 鋅層厚度; 掃描電鏡; 浸鋅時(shí)間; 鋼板厚度

引言

熱浸鍍鋅是指將鋼件或者鑄件浸入熔融鋅液中,在其表面形成鋅-鐵合金或鋅和鋅-鐵合金覆蓋層的一種工藝過(guò)程[1]。因熱浸鋅產(chǎn)品具有良好的機(jī)械加工性能，熱浸鍍鋅層可以對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行陰極保護(hù)，在交通、建筑、通訊及電力等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,是目前鋼材防腐處理中較為實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的方法之一。發(fā)達(dá)國(guó)家的熱浸鍍鋅已有200多年的歷史[3-6]。世界許多著名的工程，如英國(guó)伊甸園計(jì)劃場(chǎng)館、悉尼歌劇院等都采用了該技術(shù)進(jìn)行防腐。

熱鍍鋅鍍層對(duì)鍍鋅成品的外觀質(zhì)量及企業(yè)成本控制起到至關(guān)重要的作用。一般鋼鐵的鍍層的顯微結(jié)構(gòu)包括γ相、δ相、ξ相、η相[3]四個(gè)亞層，現(xiàn)代檢測(cè)手段認(rèn)為在鋼鐵進(jìn)入鋅液并升溫至工作溫度后，首先形成的是鋅溶于鐵中而形成固溶液的Fe-Zn相，當(dāng)它被鐵方向擴(kuò)散時(shí)，即由于躍變而形成了一個(gè)含鐵較鐵基質(zhì)較少的γ相層，然后是較γ相更少的δ相、ξ相、η相。同時(shí)隨著時(shí)間的增加其Fe元素含量在逐步減少向純鋅層過(guò)渡。盧錦堂[7-9]在研究純鋅浴中鍍件的整個(gè)鋅層厚度與鍍鋅時(shí)間的關(guān)系時(shí)得到了二者接近線性關(guān)系的結(jié)論，但沒(méi)有具體的給出線性關(guān)系的系數(shù)范圍。

在鋼管桿和電力、通信等鐵塔的制造中，產(chǎn)品的鋼板厚度一般介于6～12mm，因此研究6～12mm范圍內(nèi)的底材厚度對(duì)于熱浸鋅層的影響具有重要的實(shí)際意義。

經(jīng)熱軋的鋼板會(huì)存在不同程度的表面氧化、亞氧化現(xiàn)象，使表面硅元素產(chǎn)生偏聚[10]。因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要使用打磨或者切削來(lái)降低鋼材氧化層及硅偏聚的影響。

1試樣的制備及測(cè)試

研究所用的材料為含硅鋼中的普通低碳鋼(Q345鋼)，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1Q345鋼化學(xué)成分(%)

材 質(zhì)規(guī)格CSiMnPSQ3456～8mm0.130.160.480.010.004

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，選取6、8、10和12mm四種厚度的樣品分別取一塊，組成一組,再根據(jù)不同的鍍鋅時(shí)間分成11組，一共有44組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2。

表2樣品實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

δ(板材)/mmt熱浸鋅/s6609012015021024027030036039042086090120150210240270300360390420106090120150210240270300360390420126090120150210240270300360390420

將鋼板進(jìn)行打磨加工，去除表面氧化層，得到均勻一致的表面。再切割成200mm×150mm的試樣。其熱浸鍍鋅工藝流程如圖1所示。

圖1　熱浸鍍工藝流程

試件經(jīng)過(guò)酸洗(14%的鹽酸)前處理工序，將鐵基體表面的氧化層清除，酸洗后的試件需經(jīng)清水沖洗掉殘余酸液，然后浸助鍍劑，完成后在試件自身殘余熱量下使其表面自然干燥，然后進(jìn)行熱浸鍍鋅。

取每個(gè)鍍鋅樣品正反面各3個(gè)點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，采用EZO-10掃描電子顯微鏡測(cè)量其鍍層厚度，取平均值，將所得數(shù)值繪制成曲線。

2結(jié)果與分析

2.1熱浸鍍鋅層截面形貌

圖2為部分鋅層截面掃描電鏡(SEM)照片。

圖2　部分試樣鋅層截面形貌照片

2.2熱浸鋅層厚度與時(shí)間的關(guān)系

目前我國(guó)尚無(wú)慢阻肺首次確診前錯(cuò)失早期診斷時(shí)間的研究報(bào)道。因此本研究重點(diǎn)驗(yàn)證慢阻肺確診前錯(cuò)失早期診斷時(shí)間是否可以反映慢阻肺的嚴(yán)重程度，探討與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)的臨床危險(xiǎn)因素，從而進(jìn)一步探索建立有利于慢阻肺早期確診的方法。

不同厚度的鋼板熱浸鍍鋅層厚度與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3　不同厚度鋼板鋅層厚度與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖3可以看出，相同成分的鋼材在同一化學(xué)成分的鋅液和相同溫度下，隨著時(shí)間的增加，鋅層厚度也相應(yīng)的增加，且具有類似線性的生長(zhǎng)規(guī)律。這是由于鋼鐵進(jìn)入鋅液并升溫至鋅的熔融溫度后，首先在鋼鐵表面形成的是鋅溶于鐵中產(chǎn)生的Fe-Zn相，當(dāng)鋅液和所形成的Fe-Zn相向鋼鐵基材方向擴(kuò)散時(shí)，由于躍變形成含鐵量較鋼鐵基質(zhì)少的γ相層，隨著擴(kuò)散的不斷進(jìn)行相繼產(chǎn)生含鐵量逐漸少的δ相、ξ相、η相。

同時(shí)隨著時(shí)間的增加其Fe元素含量在減少逐步向純鋅層過(guò)渡。可以根據(jù)線性公式δ=kt，(其中δ為樣品的鋅層厚度(μm)，t為浸鋅時(shí)間(s)，k為該溫度下鋅層厚度的生長(zhǎng)系數(shù)),對(duì)總體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合(如圖4)，可得到k值為0.428。由于不同厚度鋼板的鍍鋅厚度隨時(shí)間變化的斜率相差不大，由此可以定義鍍鋅鋼板的鍍層厚度隨時(shí)間變化的公式為δ=0.428t。

此外，由圖3還可以看出鋅層厚度隨著時(shí)間的增加過(guò)程中存在一個(gè)較快的增長(zhǎng)階段，出現(xiàn)在270～360s的時(shí)間區(qū)域內(nèi)。由于鋼材的硅含量較高，有研究表明，當(dāng)試件硅含量較高時(shí)，會(huì)在鍍鋅時(shí)間達(dá)到一定值之后(一般在3min)，出現(xiàn)Fe-Zn相層的劇烈增長(zhǎng)的現(xiàn)象，稱之為圣德林效應(yīng)，這一過(guò)程會(huì)使硅元素融在Fe-Zn相層內(nèi)而產(chǎn)生消耗。隨著鍍鋅時(shí)間的增長(zhǎng)，鐵基質(zhì)表層中的硅被逐漸消耗使圣德林效應(yīng)的影響逐步降低。

2.3鋼板厚度對(duì)鋅層厚度的影響

鋼板厚度對(duì)熱浸鋅層厚度的影響關(guān)系擬合直線如圖4所示。

圖4　鍍鋅時(shí)間與鋅層厚度關(guān)系擬合直線

根據(jù)四組不同厚度的鋼板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，板材厚度在6～12mm的范圍內(nèi)，隨著板材厚度的增加，鋅層厚度增長(zhǎng)的速度增大；而且同一鍍鋅時(shí)間內(nèi)，底材厚度越大，鋅層厚度也越大。

這是由于鋅層生長(zhǎng)的過(guò)程是一個(gè)合金相(包括純鋅層)生長(zhǎng)的過(guò)程，該化學(xué)反應(yīng)過(guò)程需要吸收大量熱量，因此熱量的供應(yīng)直接影響鋅層生長(zhǎng)速度。而鍍鋅產(chǎn)品在從鋅液中取出后，較厚的鋼板能夠給鋅層合金化過(guò)程提供更多的能量，因此較厚的鋼板能夠維持更長(zhǎng)的合金化時(shí)間，從而獲得相對(duì)厚一些的鋅層。

3結(jié)論

1)當(dāng)熱浸鋅液的溫度和成分固定時(shí)，熱浸鍍鋼板的鋅層厚度隨鍍鋅時(shí)間的增加而增加，在本文實(shí)驗(yàn)條件下，二者呈類似線性的關(guān)系。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了線性系數(shù)值為0.428。

2)熱浸鋅的過(guò)程，是合金相生長(zhǎng)的過(guò)程，整體生長(zhǎng)速度較為平穩(wěn)。在270～360s的范圍內(nèi)鋅層的生長(zhǎng)速度較快。

3)鋼板厚度在6～12mm的范圍內(nèi)，鋼板越厚，鋅層增長(zhǎng)的速度越快；在同一鍍鋅時(shí)間內(nèi)，鋼板厚度越大，鋅層厚度也越大。

參考文獻(xiàn)

[1]BS EN ISO 1461-2009,Hot dip galvanized coatings on fabricated iron and steel articles-Specifications and test methods[S].

[2]Pistofidis N,Vourlias G,konidaris S,et al.Microstructure of Zinc Hot-dip Galvanized Coatings Used for Corrosion Protection[J].Materials Letters，2006，(60)：786-789.

[3]Marder A R.The Metallurgy of Zinc-coated Steel [J].Progress inMaterials Science,2000,(45):191-271.

[4]ISO 1463,Metallic and oxide coatings-Measurement of coating thickness-Microscopical method[S].

[5]盧錦堂，焦帥，車(chē)淳山.鋅浴中加錫對(duì)0.37%Si鋼熱浸鍍鋅的影響[J].材料保護(hù)，2005，2(38):47-49.

[6]邱向偉,李文斌,包祥明.淺析熱鍍鋁鋅鋼板性能和前景[J].梅山科技,2011(1):57-59.

[7]呂家舜,李鋒,文偉,等.鋁鋅硅熱浸鍍液的侵蝕性及鍍層結(jié)構(gòu)與性能研究[J].材料保護(hù),2008，41(08):67-68,74,82.

[8]朱立.鋼材熱鍍鋅[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2006:21-42.

[9]周濟(jì).熱鍍鋅、電鍍鋅及鋅合金創(chuàng)新生產(chǎn)工藝實(shí)用全書(shū)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006：83-84.

[10]楊志勇,桂艷.添加Sn、Ni元素對(duì)熱浸鍍鋅鋼的影響[J].順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，8(3):14-17.

Study on Zinc Coating Thickness of Hot-Dip Galvanized Steel Plate

ZHANG Shun1, WANG Yuxing2, ZHANG Kai1

(1.Jiangsu Guohua Tube Tower Manufacture Co.,Ltd.,Xuzhou 221000,China; 2.Rizhao Steel Holding Group Co.,Ltd.,Rizhao 276800,China)

Abstract:The zinc coating thickness of hot-dip galvanized steel plate is an important index to evaluate anti-corrosion performance of the plate.In order to obtain the relationship between zinc coating thickness and zinc dipping time in the hot-dipping and thereby to control the dipping time and coating thickness accurately，it is needed to study the hot-dip galvanizing of different thicknesse steel plate.In this paper，through SEM method，the zinc coating thickness of different thicknesses steel plate in different dipping time was measured，the corresponding curves between zinc coating thickness and dipping time were obtained，the rules of the relationship between zinc coating thickness and dipping time were found out and the coefficient value of the relationship between zinc coating thickness and dipping time was obtained by curve fitting method. The results showed that：under the same temperature，there was a similar linear relationship between the zinc coating thickness and dipping time，the growth of zinc coating thickness would speed up and its thickness would increase as the increasing of the steel plate thickness.

Keywords:hot-dip galvanizing; zinc coating thickness; SEM; zinc dipping time; steel plate thickness

中圖分類號(hào)：TG174.443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-12-01修回日期： 2015-12-31

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.011