熔融鋅對(duì)沉沒(méi)輥腐蝕磨損過(guò)程的影響*

李德元， 張廣偉， 李德堃， 段思華

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 大連華銳重工特種備件制造有限公司 硬面技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116052)

熔融鋅對(duì)沉沒(méi)輥腐蝕磨損過(guò)程的影響*

李德元1， 張廣偉1， 李德堃1， 段思華2

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2. 大連華銳重工特種備件制造有限公司 硬面技術(shù)研究所， 遼寧 大連 116052)

為了研究材料或涂層在熔融鋅中的耐腐蝕磨損情況，自行研制了一種耐熔融鋅腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，并介紹了該試驗(yàn)機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成.利用該腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)Al2O3涂層在鋅液中的腐蝕磨損性能進(jìn)行了測(cè)試，利用掃描電子顯微鏡與能譜儀對(duì)比分析了未經(jīng)腐蝕磨損試件、腐蝕磨損5 d試件、腐蝕磨損10 d試件的組織和成分變化，并對(duì)Al2O3涂層的失效機(jī)制進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，該腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)可以模擬熱鍍鋅沉沒(méi)輥在熔融鋅液中的工作狀況，從而可以對(duì)沉沒(méi)輥的失效情況進(jìn)行更直觀的分析，因而可為耐熔融鋅腐蝕磨損材料或涂層的研究提供理想平臺(tái).

Al2O3涂層； 沉沒(méi)輥； 熱鍍鋅； 熔融鋅液； 腐蝕磨損； 裂紋； 失效機(jī)制； 理想平臺(tái)

熱鍍鋅工藝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中金屬材料防腐蝕的主要方法之一.由于具有優(yōu)良的耐腐蝕性，鍍鋅材料在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用十分廣泛.經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理，熱鍍鋅材料的壽命可提高11～28倍，日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求使得熱鍍鋅工藝越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視[1-3].目前，帶鋼連續(xù)冷軋鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)單次作業(yè)時(shí)間約為一周，而使用的不銹鋼輥件通常在2～3 d內(nèi)就會(huì)被鋅液嚴(yán)重腐蝕，因而需要停機(jī)修補(bǔ)[4-5].由這種技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致的停產(chǎn)維護(hù)給正常生產(chǎn)帶來(lái)了許多不必要的經(jīng)濟(jì)損失.提高工件的耐鋅蝕能力，可以減少不必要的停機(jī)時(shí)間和停機(jī)次數(shù)，從而有效控制生產(chǎn)成本與勞動(dòng)強(qiáng)度，并起到環(huán)保的作用[6-7].我國(guó)的熱鍍鋅金屬制品率(約為14%)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家(約為58%)[8].因此，針對(duì)耐鋅腐蝕磨損材料的研究顯得非常重要.

為了滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的生產(chǎn)需求，以及更準(zhǔn)確、更深入地研究鍍鋅材料的腐蝕磨損現(xiàn)象，本文自行研制了一種耐熔融鋅腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，并利用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)Al2O3涂層在鋅液中的腐蝕磨損性能進(jìn)行了測(cè)試.

1　試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

1.1腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

1) 爐體設(shè)計(jì).腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)中采用的爐體材質(zhì)為SiC.這是因?yàn)镾iC具有較高的強(qiáng)度與硬度、較低的密度與熱膨脹系數(shù)、較好的熱傳導(dǎo)率，以及優(yōu)良的抗高溫氧化與耐化學(xué)腐蝕性能[9-10].腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的爐體尺寸如圖1所示(單位：mm).

圖1　爐體尺寸

2) 主動(dòng)輥和從動(dòng)輥設(shè)計(jì).腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的最主要組成部分為主動(dòng)輥和從動(dòng)輥.為了使得試驗(yàn)結(jié)果更為精確，腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的主動(dòng)輥采用了氧化鋯陶瓷軸.至于從動(dòng)輥，則可以根據(jù)試驗(yàn)的需要來(lái)選擇從動(dòng)輥的材質(zhì).腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的主動(dòng)輥、從動(dòng)輥尺寸分別如圖2、3所示(單位：mm).

圖2　主動(dòng)輥尺寸

圖3　從動(dòng)輥尺寸

1.2腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的整體設(shè)計(jì)

腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.其中：左上方部件為電路與控制面板的控制系統(tǒng)；右上方部件為內(nèi)表面鋪滿(mǎn)了硅酸鋁耐火材料的加熱箱體；下方部件為主要用于放置試驗(yàn)所需各種材料的容納箱.

圖4腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.4Schematic overall structure of corrosion

and wear testing machine

1.3腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程

首先通過(guò)向腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的加熱箱體內(nèi)通入氬氣的方式排出空氣，從而防止鋅液在之后的加熱過(guò)程中發(fā)生氧化.按下加熱啟動(dòng)按鈕，設(shè)定控溫儀表的預(yù)定溫度(450 ℃)，此時(shí)爐體開(kāi)始加熱鋅錠.待鋅液溫度達(dá)到450 ℃時(shí)，上升鋅液槽，使得從動(dòng)輥沒(méi)入鋅液中.等待約30 min后，開(kāi)啟主動(dòng)輥調(diào)速電機(jī)，使主動(dòng)輥帶動(dòng)從動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，此時(shí)腐蝕磨損試驗(yàn)正式開(kāi)始.待腐蝕磨損試驗(yàn)結(jié)束后，降下鋅液槽，關(guān)閉主動(dòng)輥調(diào)速電機(jī)的同時(shí)，按下加熱停止按鈕以停止加熱，待鋅液槽冷卻一段時(shí)間后，停通氬氣.

2　結(jié)果與分析

2.1Al2O3粉末的組織與成分分析

為了考察熔融鋅腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的使用性能，選用304不銹鋼加工制成腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)的從動(dòng)輥.在從動(dòng)輥上噴涂NiCoCrAlY打底的Al2O3涂層，并進(jìn)行相應(yīng)的腐蝕磨損試驗(yàn).設(shè)定試驗(yàn)溫度為450 ℃，進(jìn)行以24 h為一個(gè)周期的腐蝕磨損試驗(yàn)，獲得經(jīng)過(guò)5、10 d腐蝕磨損的試件，分析Al2O3涂層在不同腐蝕磨損階段的腐蝕情況.

圖5為Al2O3粉末的SEM圖像.觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，Al2O3的顆粒尺寸并不足夠均勻，這可能會(huì)在一定程度上提高Al2O3涂層的孔隙率.利用能譜儀對(duì)Al2O3粉末進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果如表1所示.

圖5　Al2O3粉末的SEM圖像

%

2.2未經(jīng)腐蝕磨損試件的涂層組織

未經(jīng)腐蝕磨損試件的涂層SEM圖像如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，未經(jīng)腐蝕磨損試件的Al2O3涂層與NiCoCrAlY層的厚度均約為150 μm.其中，Al2O3涂層呈灰色；NiCoCrAlY層與基體顏色相似，且可由孔隙排列分辨出NiCoCrAlY層與基體的結(jié)合面.另外，在Al2O3涂層中未觀察到裂紋與貫穿型孔隙，但存在一定數(shù)量的較小孔隙.

圖6　未經(jīng)腐蝕磨損涂層的SEM圖像

2.3腐蝕磨損試件的涂層分析

2.3.1Al2O3涂層的磨痕形貌

對(duì)試件進(jìn)行為時(shí)24 h的腐蝕磨損試驗(yàn)，并利用HCl清除Al2O3涂層的鋅渣，即可得到Al2O3涂層的表面磨痕形貌，結(jié)果如圖7所示.由圖7可見(jiàn)，磨痕處的涂層薄于周?chē)繉?因此，磨痕會(huì)對(duì)Al2O3涂層的耐腐蝕性產(chǎn)生不利影響，從而加快了Al2O3涂層的失效速度.

圖7　腐蝕磨損24 h后Al2O3涂層的表面磨痕形貌

2.3.2Al2O3涂層的微觀組織

在450 ℃鋅液中腐蝕磨損5 d后，Al2O3涂層的SEM圖像如圖8所示.圖8a為無(wú)裂紋的Al2O3涂層形貌.可見(jiàn)，雖然Al2O3涂層的厚度有所變薄，但仍與NiCoCrAlY層保持良好的連接，Al2O3涂層的組織較為致密.圖8b為組織中存在裂紋的Al2O3涂層形貌.可見(jiàn)，此時(shí)Al2O3涂層與NiCoCrAlY層之間出現(xiàn)了一小段橫向裂紋.

在450 ℃鋅液中腐蝕磨損10 d后，Al2O3涂層的SEM圖像如圖9所示.由圖9a為Al2O3涂層的完整形貌.可見(jiàn)，Al2O3涂層與NiCoCrAlY層，以及NiCoCrAlY層與基體之間的結(jié)合較好，未出現(xiàn)失效狀態(tài).圖9b為Al2O3涂層的腐蝕形貌.可見(jiàn)，雖然此時(shí)的Al2O3涂層并未脫落，但涂層之間已經(jīng)出現(xiàn)了較長(zhǎng)的橫向裂紋.圖9c為Al2O3涂層的脫落形貌.可見(jiàn)，此時(shí)大部分Al2O3涂層已經(jīng)脫落，只剩下NiCoCrAlY層，但試件并未受到腐蝕.

圖8　腐蝕磨損5 d后Al2O3涂層的SEM圖像

圖9　腐蝕磨損10 d后Al2O3涂層的SEM圖像

2.3.3Al2O3涂層的能譜分析

為了進(jìn)一步研究Al2O3涂層的失效過(guò)程，對(duì)腐蝕磨損后的試件進(jìn)行了能譜分析，并從腐蝕磨損后Al2O3涂層相組成變化的角度，分析了Al2O3涂層的失效機(jī)制.

Al2O3涂層的形貌與EDS圖譜如圖10所示，且Al2O3涂層的EDS分析結(jié)果如表2所示.由圖10和表2可見(jiàn)，Al2O3涂層中未發(fā)現(xiàn)Zn元素的存在.

圖10　Al2O3涂層的形貌與EDS圖譜

%

NiCoCrAlY層的形貌與EDS圖譜如圖11所示，且NiCoCrAlY層的EDS分析結(jié)果如表3所示.由圖11和表3可見(jiàn)，NiCoCrAlY層中同樣未發(fā)現(xiàn)Zn元素的存在.由圖11和表3還可以觀察到，NiCoCrAlY層的化學(xué)成分未發(fā)生變化，因而可以判定Al2O3涂層變薄的主要原因?yàn)橥繉颖旧淼娜芙饷撀?

3　結(jié)　論

本文研制的耐熔融鋅腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)可以模擬熱鍍鋅沉沒(méi)輥在熔融鋅液中的工作狀況，利用該腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)具有不同材質(zhì)或不同表面處理狀態(tài)的沉沒(méi)輥進(jìn)行腐蝕磨損試驗(yàn)，進(jìn)而得到較為理想的耐熔融鋅腐蝕磨損方案，從而為熱鍍鋅中

圖11　NiCoCrAlY層的形貌與EDS圖譜

%

沉沒(méi)輥的腐蝕磨損失效機(jī)理的研究提供了理想平臺(tái).通過(guò)以上試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

1) 在鋅液腐蝕磨損過(guò)程中，Al2O3涂層的失效過(guò)程依次為橫向裂紋的產(chǎn)生、鋅液侵入裂紋、Al2O3涂層的成塊脫落、鋅液的進(jìn)一步侵入、Al2O3涂層的逐漸脫落與鋅液浸蝕母材過(guò)程.

2) 在未經(jīng)腐蝕磨損試件的Al2O3涂層中，并未觀察到橫向裂紋.

3) 當(dāng)試件經(jīng)過(guò)腐蝕磨損后，鋅液會(huì)侵入Al2O3涂層的橫向裂紋，并促進(jìn)裂紋的橫向擴(kuò)展，從而導(dǎo)致裂紋的相互貫穿，以及Al2O3涂層的成塊脫落，并最終致使Al2O3涂層發(fā)生失效.

[1]高擴(kuò)農(nóng)，黎守榮.抗液態(tài)鋅腐蝕材料綜述 [J].金屬制品，2001，27(3)：50-51.

(GAO Kuo-nong，LI Shou-rong.Summarization of liquid zinc corrosion resistant material [J].Steel Wire Products，2001，27(3)：50-51.)

[2]賀俊光，周旭東，李興霞.國(guó)內(nèi)外耐熔融鋅腐蝕材料研究縱橫 [J].材料保護(hù)，2004，37(7)：33-35.

(HE Jun-guang，ZHOU Xu-dong，LI Xing-xia.Anticorrosion materials resistant to molten zinc [J].Journal of Materials Protection，2004，37(7)：33-35.)

[3]韓文祥，王貴新.液鋅對(duì)金屬的腐蝕及其對(duì)策 [J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，30(3)：45-46.

(HAN Wen-xiang，WANG Gui-xin.Corrosion of me-tals by molten zinc and the countermeasure [J].Journal of Hebei University of Technology，2001，30(3)：45-46.)

[4]李德元，謝天男，尹冬雁，等.HVOF噴涂Co基WC涂層的耐鋅腐蝕行為 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(4)：385-389.

(LI De-yuan，XIE Tian-nan，YIN Dong-yan，et al.Zinc corrosion resistant behavior of HVOF sprayed Co based WC coating [J].Journal of Shenyang University of Technology，2013，35(4)：385-389.)

[5]樊自栓.熔融鋅對(duì)熱鍍鋅沉沒(méi)輥的浸蝕機(jī)理及對(duì)策 [J].熱噴涂技術(shù)，2010，2(1)：1-7.

(FAN Zi-shuan.The mechanism and countermeasure of molten zinc corrosion of sink roll in hot dip galvanizing bath [J].Thermal Spray Technology，2010，2(1)：1-7.)

[6]桑蘭芬，劉海，馬瑞娜.不同材料在鋅液中腐蝕磨損機(jī)理的研究 [J].金屬制品，2006，32(4)：39-42.

(SANG Lan-fen，LIU Hai，MA Rui-na.Study on corrosion abrasion mechanism of different materials in zinc liquid [J].Steel Wire Products，2006，32(4)：39-42.)

[7]張忠禮，宮雪，張楠楠，等.304N不銹鋼表面電弧噴涂復(fù)合涂層高溫氧化防護(hù)機(jī)制 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(4)：384-389.

(ZHANG Zhong-li，GONG Xue，ZHANG Nan-nan，et al.High temperature oxidation protection mechanism of arc-sprayed composite coating on 304N stainless steel [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(4)：384-389.)

[8]孫宏飛，徐勇.耐熔鋅腐蝕涂層在熱鍍鋅設(shè)備中的應(yīng)用 [J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2004，16(6)：378-380.

(SUN Hong-fei，XU Yong.Applications of liquid zinc corrosion resistant coatings for hot-dipping galvanizing equipment [J].Corrosion Science and Protection Technology，2004，16(6)：378-380.)

[9]徐濱士，馬世寧，朱紹華，等.表面工程與再制造工程的進(jìn)展 [J].中國(guó)表面工程，2001，14(1)：8-14.

(XU Bin-shi，MA Shi-ning，ZHU Shao-hua，et al.Progress of surface engineering and remanufacture engineering in the new century [J].China Surface Engineering，2001，14(1)：8-14.)

[10]戴長(zhǎng)虹，趙茹，水麗.電場(chǎng)電爐合成碳化硅晶須的研究 [J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2003，18(3)：691-694.

(DAI Chang-hong，ZHAO Ru，SHUI Li.Synthesis of SiC whiskers by electric field furnaces [J].Journal of Inorganic Materials，2003，18(3)：691-694.)

(責(zé)任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Influence of molten zinc on corrosion and wear process of sink roller

LI De-yuan1, ZHANG Guang-wei1, LI De-kun1, DUAN Si-hua2

(1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Hardface Technology Institute, Dalian Huarui Heavy Industrial Special Spare Parts Co. Ltd., Dalian 116052, China)

In order to research the corrosion and wear resistance of materials or coatings in molten zinc, a testing machine for the corrosion and wear resistance in molten zinc was developed, and the working principle and structural components of the testing machine were introduced. With the developed testing machine, the corrosion and wear properties of Al2O3coating in molten zinc were tested. In addition, the changes of microstructures and compositions of specimens without corrosion and wear as well as subjected to corrosion and wear for both 5 and 10 days were compared with scanning electron microscope (SEM) and energy disperse spectroscope (EDS). Moreover, the failure mechanism of Al2O3coating was analyzed. The results show that the testing machine can simulate the working conditions of hot-galvanizing sink roller in the molten zinc, and thus more intuitive understanding on the failure situations of sink roller can be attained. Furthermore, the present testing machine can provide an ideal platform for the research on the corrosion and wear resistance of materials or coatings in molten zinc.

Al2O3coating; sink roller; hot-galvanizing; molten zinc; corrosion and wear; crack; failure mechanism; ideal platform

2013-10-21.

沈陽(yáng)市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(F14-231-1-26).

李德元(1959-)，男，遼寧營(yíng)口人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事材料表面強(qiáng)化技術(shù)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.04

TG 146.13

A

1000-1646(2016)03-0258-05

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.022.html