熱鍍鋅法增強高錳鋼的防腐性能研究

蔡云波

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710077)

鋼鐵長期暴露于潮濕的空氣中，容易造成腐蝕，全世界每年有大量鋼鐵，由于腐蝕而報廢，從而造成資源的巨大浪費，對環(huán)境亦產(chǎn)生重大影響。目前國內(nèi)外針對緩解鋼鐵腐蝕的方法主要有：表面涂層防腐[1-3]、陰極保護(hù)技術(shù)[4-6]及向鋼鐵材料中添加緩蝕劑[7-8]。熱浸鍍技術(shù)屬于表面涂層防腐一部分，通常在較高溫度下，鋼鐵材料表面形成含有電位較低金屬或合金化合物相層，進(jìn)而有效提高其表面硬度和抗氧化能力，從而達(dá)到緩解鋼鐵材料腐蝕的目的[9-11]。

高錳鋼作為采礦、鑄造常用防磨鋼材，緩解其腐蝕，有助于提高其使用年限，降低生產(chǎn)成本，為此本研究以高錳鋼為試驗基材，探討其熱浸鍍鋅層的最佳條件，并考察不同熱浸鍍溫度對材料在中性鹽液中腐蝕速率的影響，從而為熱鍍鋅法在高錳鋼防腐中的應(yīng)用提供參考。

1　材料與方法

1.1　試驗儀器

Phenom XL臺式掃描電鏡(復(fù)納科學(xué)儀器有限公司)；YWX/F-鹽霧試驗箱(廣州漢迪環(huán)境試驗設(shè)備有限公司)；MC-3001Plus涂層測厚儀(濟(jì)寧科電檢測儀器有限公司)；FA2004N電子天平(上海精密儀器有限公司)。

1.2　試驗試劑

高錳鋼圓餅(40 mm×20 mm，東北特鋼)；氯化鋅銨；氯化鈉、丙酮、無水乙醇(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；試驗用水為二次純化水。

1.3　試驗方法

1.3.1樣品制備

將高錳鋼樣品分別置于不同溫度的200 mg/mL的氯化鋅銨溶液中，60 s后取出冷卻至室溫，即得不同熱浸鍍溫度下的具有鍍鋅層的高錳鋼樣品。

1.3.2中性鹽霧試驗

依照國標(biāo)GB/T10125-1997要求，采用砂紙打磨拋光熱浸鍍鋅后的高錳鋼后，經(jīng)丙酮、無水乙醇洗凈，在鹽霧試驗箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗，觀察其腐蝕情況[12]。

1.3.3掃描電鏡分析

采用掃描電鏡儀，工作電壓20 kV，觀察中性鹽霧試驗前后的鍍鋅高錳鋼表面微觀形貌。

1.3.4熱浸鍍鋅層厚度分析

依照國標(biāo)GB/T4956-2003要求，利用涂層厚度儀測定不同熱浸鍍溫度下高錳鋼鍍鋅層的厚度，平行測定3次，取平均值[13]。

1.3.5靜態(tài)質(zhì)量損失法

利用靜態(tài)質(zhì)量損失法評價高錳鋼熱浸鍍鋅后防腐效果，將進(jìn)行中性鹽霧試驗后的樣品，在天平上稱重后，按照下式計算腐蝕速率[14]。

式中v——腐蝕速率，g/(m2·h)；

m0——腐蝕前樣品質(zhì)量，g；

m——腐蝕后樣品質(zhì)量，g；

ρ——樣品密度，g/cm3；

A——樣品面積，cm2；

t——腐蝕時間，h。

2　結(jié)果與討論

2.1　浸鍍層厚度與浸鍍溫度

在相同浸鍍時間下，不同熱浸鍍溫度與鍍鋅層厚度的關(guān)系見圖1所示。從圖1中可知當(dāng)熱浸鍍溫度在440～540℃時，鍍鋅層厚度隨熱浸鍍溫度升高而升高，而當(dāng)熱浸鍍溫度在540～620℃時，鍍鋅層厚度卻隨熱浸鍍溫度升高而降低。這可能源于當(dāng)熱浸鍍溫度過高時，高錳鋼表面鍍鋅層，又會逐漸融入至鍍鋅液中，從而造成鍍鋅層厚度下降。目前一般認(rèn)為金屬鍍層厚度大于80 μm[15]，可保證基底金屬材質(zhì)的防腐，而熱浸鍍鋅液溫度在540～560℃時，厚度均超過規(guī)定，從而滿足防腐性能要求。

圖1　熱浸鍍鋅液溫度與鍍鋅層厚度關(guān)系

2.2　鍍鋅層表面微觀分析

圖2為高錳鋼樣品在熱浸鍍溫度560℃下形成的鍍鋅層，及進(jìn)行中性鹽霧試驗30 h、60 h后的微觀形貌。

圖2　熱浸鍍鋅層在中性鹽霧試驗前后掃描電鏡圖

從圖2中可見，中性鹽霧試驗后，高錳鋼樣品外表面鍍鋅層表面開始出現(xiàn)程度不一的腐蝕，且隨著中性鹽霧時間的增長，腐蝕程度逐漸加劇。通過對比熱鍍鋅后高錳鋼樣品進(jìn)行中性鹽霧試驗30 h和60 h后可知，在經(jīng)歷60 h的中性鹽霧試驗后，高錳鋼樣品鍍鋅層表面出現(xiàn)大量的蝕坑，且鍍鋅層脫落較為嚴(yán)重，鍍層表面顯蓬松狀，已失去防腐作用。

這主要因為在腐蝕初始階段，鍍鋅層中鋅元素首先被氧化為氧化鋅，然后與水反應(yīng)，從而在陽極生成氫氧化鋅，同時與氯離子結(jié)合，生成氯化鋅，氯化鋅與氫氧化鋅結(jié)合生成堿式氯化鋅，而在陰極空氣中的氧氣得到電子，與水結(jié)合不斷生成氫氧根離子，造成金屬表面電化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行[16]。

2.3　不同熱浸鍍溫度的樣品腐蝕速率分析

圖3為采用質(zhì)量損失法考察，在540～560℃熱浸鍍溫度下制備的鍍鋅高錳鋼樣品在中性鹽霧試驗中的樣品腐蝕速率。

圖3　不同熱浸鍍時間的鍍鋅層腐蝕速率

從圖3可知，隨著中性鹽霧試驗時間的增長，同一熱浸鍍溫度下制備的鍍鋅高錳鋼樣品的腐蝕速率出現(xiàn)遞增的趨勢，這源于隨著時間的增長，鍍鋅層被腐蝕破壞，使得高錳鋼出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕。在相同的試驗時間下，隨著熱浸鍍溫度的增加，腐蝕速率出現(xiàn)減小趨勢，這可能因為較高的熱浸鍍溫度有助于鍍層材料與高錳鋼材料結(jié)合更緊密，從而進(jìn)一步阻止基底鋼材腐蝕，因此較高的熱浸鍍溫度有助于提高高錳鋼的耐腐蝕性。

3　結(jié)　論

通過考察不同熱浸鍍溫度下的鍍鋅高錳鋼樣品的鍍鋅層厚度，利用掃描電鏡觀察樣品在腐蝕前后的微觀形貌，及不同熱浸鍍溫度制備得到的樣品腐蝕速率，得到如下結(jié)論：

1)高錳鋼熱浸鍍鋅最佳溫度為540～560℃，制備得到的鍍鋅高錳鋼的鍍層厚度滿足相關(guān)要求；

2)鍍層的微觀形貌與其腐蝕情況具有關(guān)聯(lián)性，掃描電鏡圖可作為判別鍍層的腐蝕情況，優(yōu)化鍍鋅產(chǎn)品生產(chǎn)工作的重要依據(jù)；

3)隨著中性鹽霧試驗時間的增加，鍍鋅高錳鋼腐蝕速率不斷增大，而較高的熱浸鍍溫度有助于提高高錳鋼的耐腐蝕性。