管忠春，趙慶虛，馬麗波，王勝民,

（1.云南通海方圓工貿有限公司，云南 玉溪 652700； 2.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650093）

波形梁護欄是一種連續(xù)的梁柱式護欄結構，主要依靠立柱、防阻塊、波形梁板等構件的變形和結構來吸收能量，以防失控車輛沖出道路[1-3]。立柱是波形梁護欄的重要組成部分，土基壓實度、埋深、邊線與離、豎直度等是決定立柱施工合格與否的主要參數[4]。立柱的表面防腐同樣重要，其影響著立柱服役的可靠性和穩(wěn)定性。適用于高速公路護欄及立柱的防腐方法有很多[5]，其中熱浸鍍鋅是保護鋼材最常用的方法，也是立柱長效防腐的最有效手段[6-7]。熱浸鍍鋅發(fā)展至今已有300多年的歷史，其工藝過程的影響因素較多，參數的自動化控制和調節(jié)難以精確設計，故至今鋼構件的熱浸鍍鋅過程仍不能實現鍍層性能的智能預測和精確控制。立柱表面熱浸鍍鋅層的完整性、厚度、均勻性和結合強度是影響鍍鋅層防護效果的主要因素。結合強度是重要指標之一，若結合強度不足，則鍍層易出現開裂、剝落、翹起等缺陷，這也是立柱熱浸鍍鋅生產的常見問題。本文針對立柱熱浸鍍鋅過程中出現的鍍層翹起、剝落等缺陷，采用掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）分析鍍層的組織結構，探討了鍍層出現裂紋、翹起及脫落的原因，并提出了解決措施，以期提高立柱熱浸鍍鋅產品的質量。

1 試驗

1.1 立柱基材及鍍鋅工藝

基材為Q235B鋼圓管立柱，外徑114 mm、壁厚4.5 mm、長1 150 mm，元素組成（以質量分數計）為：C 0.03%，Si 0.035%，Mn 0.258%，S 0.0245%，P 0.018%，Fe余量。

熱浸鍍鋅工藝流程為：酸洗除銹（采用20%工業(yè)鹽酸）→2道漂洗→助鍍（采用120 g/L氯化銨 + 150 g/L氯化鋅，溫度60 °C，時間2 min）→烘干→熱浸鍍鋅（采用0#電解鋅錠，溫度440 °C，時間約120 s）→水冷。

1.2 分析方法

按GB/T 31439.1-2015《波形梁鋼護欄 第1部分：兩波形梁鋼護欄》對立柱沖孔位置和孔徑的要求，采用自制鋼管自動沖孔機床對不合格熱浸鍍鋅立柱的3個部位沖孔取樣，分別為沿立柱長度方向先出鋅鍋的頭部、中部和最后出鋅鍋的尾部，觀察孔邊緣鍍層的結合情況。

采用FEI Quanta-200型掃描電鏡（SEM）分析鍍層的組織結構，并用它附帶的X射線能譜儀（EDS）分析鍍層的化學成分。

2 熱浸鍍鋅立柱不同部位的缺陷特征

2.1 宏觀特征

從圖1可知，立柱頭部、中部和尾部的鍍層沖孔后都在孔邊緣發(fā)生一定程度的起皺、剝離或脫落現象，說明沖孔加工時鍍層的結合強度或塑性不能夠滿足沖裁力的作用。尾部鍍層的剝離和脫落情況最嚴重，結合強度或塑性最差。

圖1 立柱頭部（a）、中部（b）和尾部（c）沖孔后熱浸鍍鋅層的起皺和脫落現象 Figure 1 Wrinkling and peeling phenomena of hot-dip zinc coating at the head (a), middle (b), and end (c) of guardrail post after being punched

2.2 微觀結構

從圖2和表1可知，故障立柱長度方向不同位置均覆蓋有完整的鍍鋅層，鍍層均由Г、δ、ζ及η相層組成，其中ζ相的厚度最大，是鍍層的主體。合格立柱的鍍層也由Г、δ、ζ及η相層組成，其ζ相較為致密。 與故障立柱的鋅層相比，合格立柱表面鋅層的ζ相層厚度明顯較小，η相層則更厚。在鋅鐵合金相中，ζ相為脆性相，δ相和η相為塑性相[8-9]，因為鍍層中的δ相較薄，所以鍍層中脆性的ζ相和塑性的η相是影響鍍層抗沖擊的決定因素。

圖2 故障立柱頭部（a）、中部（b）和尾部（c）鍍鋅層及正常立柱（d）鍍鋅層的截面形貌 Figure 2 Cross-sectional morphologies of failed hot-dip zinc coating at the head (a), middle (b), and end (c) as well as normal zinc coating of guardrail posts

表1 立柱不同部位熱浸鍍鋅層中不同相層的厚度 Table 1 Thickness of different phase layers in hot-dip zinc coating at different positions of guardrail post （單位：μm）

故障立柱尾部鍍層的ζ相厚度大于頭部和中部鍍層，η相厚度則小于頭部和中部鍍層，因此立柱頭部和中部鍍層的抗沖擊性要稍好于立柱尾部，這是沖孔后立柱尾部鍍層起皺、剝離和脫落現象更嚴重的原因。然而，故障立柱3個位置的鍍層中脆性ζ相都較厚，表層η相層都較薄，故抗沖擊性都差。相對而言，合格立柱的鍍鋅層中包括明顯減薄的ζ相和適宜厚度的η相，脆性相和塑性相厚度搭配恰當，故具有足夠的抗沖擊性。

3 原因分析和改進措施

分析熱浸鍍鋅過程可知，入鍋浸鍍時立柱尾部先進后出，頭部則后進先出，不同位置的實際浸鍍時間不同，尾部浸鍍時間最長，中部次之，頭部最短。由熱浸鍍鋅層的生長動力學規(guī)律可知，在一定時間內，隨著浸鍍時間的延長，ζ相逐漸生成并增厚，這與立柱尾部ζ相層最厚吻合。這也說明在保證鍍層厚度滿足要求的前提下，適當縮短浸鍍時間能夠減小ζ相層的厚度，從而降低鍍層的脆性。Al是熱浸鍍鋅經常添加的元素，它能夠在基體表面形成Fe2Al5阻擋層[8]，阻礙Fe與Zn反應，延緩鋅鐵合金相的生長。因此，在鋅鍋中添加0.1%（質量分數）Al。1萬根產品的生產統(tǒng)計和抽檢結果表明，所有產品的鍍層厚度合格，沖孔后鍍層沒有發(fā)生起皺、剝離或脫落。

4 結語

熱鍍鋅立柱在沖孔后鍍層出現起皺、剝離或脫落是鍍層中的脆性ζ相過厚所致。適當縮短浸鍍時間和在鋅鍋中添加0.1%的Al都能夠減小ζ相層的厚度，降低鍍層的脆性，從而獲得合格的熱浸鍍鋅立柱。