熱浸鍍鋅鋼管的鍍鋅層分析

陳立云，楊林濤，蔣杏國，孫同金，周 鵬

（江蘇省鹽城市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，江蘇 鹽城 224056）

鋼管（熱浸鍍鋅管）是使熔融金屬與鐵基體反應(yīng)而產(chǎn)生合金層，從而使基體和鍍層二者相結(jié)合。熱浸鍍鋅是先將鋼管進(jìn)行酸洗，為了去除鋼管表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進(jìn)行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。機(jī)械金屬管管熱浸鍍鋅它具有鍍層均勻，附著力強(qiáng)，使用壽命長等優(yōu)點。熱浸鍍鋅鋼管基體與熔融的鍍液發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，形成耐腐蝕的結(jié)構(gòu)緊密的鋅一鐵合金層。合金層與純鋅層、鋼管基體融為一體，故其讓機(jī)械零件鋼管的耐腐蝕能力強(qiáng)，壽命也更長。鋼管的干法熱浸鍍鋅的生產(chǎn)工藝流程為：黑管→脫脂→清洗→酸洗→清洗→溶劑處理→干燥→熱浸鋅→內(nèi)外表面處理→水冷[1]。

某工廠機(jī)械結(jié)構(gòu)件中的熱浸鍍鋅鋼管使用不足半年，多處出現(xiàn)銹蝕、露鐵的情況。根據(jù)規(guī)定熱浸鍍鋅后的鋼管外壁表面應(yīng)有完整的鍍鋅層，不得有漏鍍、氣泡；內(nèi)壁表面不得漏鍍。如果，鍍鋅層不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，就會出現(xiàn)鋼管銹蝕，直至影響鋼管的強(qiáng)度。在國內(nèi)報道中，有出現(xiàn)使用劣質(zhì)熱浸鍍鋅鋼管致使機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)故障[2]。國內(nèi)文獻(xiàn)有介紹一種用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金化熱浸鍍鋅層截面形貌及對鍍層中的各種鋅鐵合金相進(jìn)行分析的方法，該方法是在普通鍍層金相檢驗方法的基礎(chǔ)上借助SEM獲取鍍層截面形貌，從而定性地判斷鍍層內(nèi)的各種鋅鐵合金相的生成與否[3]。隨著SEM的技術(shù)發(fā)展，掃描電鏡能譜分析儀的廣泛應(yīng)用，本文通過運用掃描電鏡和能譜分析技術(shù)對熱浸鍍鋅層進(jìn)行分析。

1 試驗研究

1.1 宏觀檢查

經(jīng)目測，1#樣品外壁銹蝕區(qū)域較大，鍍鋅區(qū)域表面較灰暗，內(nèi)壁已完全銹蝕（見圖1）。2#樣品外壁表面存在縱向分布的銹蝕區(qū)域，內(nèi)壁焊縫處有銹蝕現(xiàn)象（見圖2）。

圖1 1#樣品外壁和內(nèi)壁形貌

圖2 2#樣品外壁和內(nèi)壁形貌

1.2 鍍層截面微觀形貌

在樣品上取截面制樣，置于掃描電鏡下觀察樣品截面形貌：1#樣品表面為鍍鋅層，厚度約為2μm（見圖3）；2#樣品表面為鍍鋅層，厚度約為6μm（見圖4）。

圖3 1#樣品外壁截面高倍形貌

圖4 2#樣品內(nèi)壁截面高倍形貌

1.3 鍍層成分分析

由于1#樣品外壁表面鍍鋅層較薄，無法正確檢測。采用掃描電鏡能譜分析儀對2#樣品表面鍍層進(jìn)行成分分析。

圖5 2#樣品內(nèi)壁表面鍍層成分分析位置圖

圖6 內(nèi)壁表面鍍層成分分析譜圖2-1

圖7 內(nèi)壁表面鍍層成分分析譜圖2-2

圖8 內(nèi)壁表面鍍層成分分析譜圖2-3

通過分析結(jié)果表明，2#樣內(nèi)壁表面鍍鋅層中含有C、O、Al、Si、S、Fe、Zn元素，分析位置示意圖及譜圖見圖5～8，其鍍層成分分析結(jié)果見表1。

表1 2#樣品內(nèi)壁表面鍍層成分分析結(jié)果

2 分析討論

熱浸鍍鋅也稱熱浸鍍鋅，是鋼鐵構(gòu)件浸入熔融的鋅液中獲得金屬覆蓋層的一種方法。熱浸鍍鋅時，鐵和鋅將發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，生成鐵鋅金屬化合物。由Fe-Zn二元相圖可看出，自鋼鐵基體至最外層會形成下列組織：α相層、γ相層、Γ相層、δ1相層、ξ相層和η相層。熱浸鍍鋅層一般是由純鋅層和Fe-Zn合金層組成，在實際熱浸鍍鋅生產(chǎn)中由于生產(chǎn)工藝條件差異，獲得的鋅層組織不一定完全含有上述的相層。

鍍鋅鋼管樣品取自在役的結(jié)構(gòu)件，表面存在不同程度的氧化腐蝕，從截面上來看，1#和2#表面存在鍍鋅層，因鍍鋅層截面形貌未能清晰顯示鍍鋅層原始組織形貌，因此通過分析鍍鋅層中是否含F(xiàn)e元素來推斷鍍鋅層是否為熱浸鍍鋅。由于1#樣表面鍍鋅層較薄，無法正確分析鍍鋅層的成分，2#樣品的鍍鋅層中含有一定量的Fe，對鍍層中Fe元素和Zn元素的含量進(jìn)行歸一化處理后，F(xiàn)e與Zn的質(zhì)量百分比見表2。分析結(jié)果表明，1#樣表面鍍鋅層較薄，無法分析其鍍鋅層工藝。2#樣品的鍍鋅層與熱浸鍍鋅層相似。

表2 鍍層中Fe與Zn的質(zhì)量百分比