熱鍍鋁鋅軸套及軸瓦失效機理分析

杜 仲，張保紅，熊 寧，杜麗業(yè)，李 研

(1.安泰天龍鎢鉬科技有限公司，100094，北京；2. 首鋼技術研究院薄板研究所，100043，北京)

0 引言

熱鍍鋅是金屬制品最基本、最有效的防腐技術之一，廣泛應用于生產生活各個行業(yè)。由于鋅液能和絕大多數(shù)金屬發(fā)生反應，造成金屬制件的腐蝕損壞，熱鍍鋅生產設備，如沉沒輥、校正輥、穩(wěn)定輥、軸套等部件，容易遭受到鋅液的侵蝕，造成設備腐蝕磨損，并影響產品質量。隨著產品的升級，鍍鋅溫度和鋅液中Al含量逐步增加，從460℃的ZnAl溶液(Zn-0.2Al)向630℃的AlZn溶液(55Al-Zn)轉變，進一步加劇了金屬制件的腐蝕過程。在熱鍍鋅生產過程中，浸沒在鋅液內部的沉沒輥、軸套等部件均需定期更換，一條生產線每年因此增加的生產成本超過500萬元，因此急需提高沉沒輥及軸套的使用壽命。

目前相關研究主要針對如何提高沉沒輥壽命[1-6]，對軸套壽命的相關研究較少[7]。但如軸套的服役壽命不足，將成為熱鍍鋅工藝的瓶頸，仍會造成鍍鋅生產線的定期停機更換配件，因此對軸套壽命的研究改進刻不容緩(圖1、圖2[3, 6])。

本文分析了某廠熱鍍鋅用穩(wěn)定輥軸套及軸瓦在熱鍍鋁鋅環(huán)境下的失效行為，為長壽命軸套及軸瓦的設計和使用提供理論依據(jù)。

圖1 連續(xù)鍍鋅生產線示意圖

圖2 軸套軸瓦3D示意圖

1 試驗

1.1 試樣制備方法

采用鹽酸對一個工作周期(14 d)失效后的穩(wěn)定輥軸套和軸瓦進行了清洗脫鋅處理，軸套和軸瓦的工況條件為630℃的55Al-Zn溶液。采用線切割方法制成塊狀試樣若干。取不同工作部位的試樣，用Al2O3砂紙打磨后進行拋光，制備成截面觀察試樣。

1.2 試驗方法

使用掃描電子顯微鏡(SEM)對軸套截面、軸套表面以及軸瓦界面和表面進行組織觀察，并使用能譜儀(EDS)對各相中的元素進行定性及半定量分析。

2 結果與分析

2.1 軸套宏觀與微觀形貌

圖3是工作失效后的穩(wěn)定輥軸套形貌，該軸套表面磨損嚴重，直徑顯著減小，形成了一段長約80 mm，深約2.5 mm的槽，槽內形成大量切向的犁溝狀磨痕，局部區(qū)域有鋅渣黏附。軸套內部及端面無磨損及鋅液腐蝕痕跡。

圖3 失效后的軸套形貌

通過軸套截面組織觀察發(fā)現(xiàn)(圖4)，軸套為多層復合結構，延徑向存在3種不同成分和微觀組織的區(qū)域。經EDS測定，內層為Fe基合金，外層為Co基合金，由內向外，F(xiàn)e、Ni含量逐步降低，Cr、Si含量保持穩(wěn)定，Co、Mo含量顯著提高。通過元素含量確認，外層的Si含量超過2.2 wt%，為過共晶Co-Mo-Cr-Si系鈷合金，該種合金具有較好的抗腐蝕性能[8]。

(a)宏觀形貌 (b)失效界面的形貌

外層微觀組織包含白色塊狀萊維氏相(Laves相)、灰色Co基固溶體以及二者的共晶組織，其中Laves相中Mo、Si含量最多，因Mo與Zn基本不反應、不互溶，因此具有較好的耐腐蝕性能。Co與其他元素的合金化，形成了堅韌的基體，Cr元素可以增加高溫面心立方結構富鈷固溶體在室溫轉變?yōu)槊芘帕浇Y構富鈷固溶體的可能性，進而提高耐腐蝕性能和增強固溶體[9]。截面形貌中2種組織的成分如表1所示。軸套外層邊緣未發(fā)現(xiàn)含鋁鋅元素的腐蝕產物，但邊緣參差不齊，存在蝕孔和裂紋，保留下來的多為laves相。這主要是因為Co基固溶體抗腐蝕性能相對較差，在鋁鋅液中更容易被腐蝕。

表1 軸套外層截面不同組織的化學成分

軸套表面存在大量寬且深的犁溝磨痕，其微觀組織表現(xiàn)為表面彌散分布著粗大的枝狀相，其間分布著顆粒狀或長條狀的物質(圖5)。經過EDS分析，不同區(qū)域的化學成分如表2所示。通過與截面成分對比確認，枝狀相為Laves相，顆粒為共晶相，同時各組織中的Fe和Al含量明顯增加，表明軸套表面發(fā)生了明顯的鋁鋅液腐蝕。

圖5 軸套表面的形貌

表2 軸套表面不同組織的化學成分

Wt.%AlSiCrFeCoMoc1.63 5.52 11.79 5.35 38.02 37.69 d3.45 5.77 19.86 8.59 46.67 15.67 e11.55 10.48 17.15 14.37 30.64 12.43

軸套表面的附著物如圖6所示，附著物主要為熔渣狀態(tài)，夾雜著少量尖銳顆粒。經EDS能譜分析，不同區(qū)域的化學成分如表3所示。附著物主要為3種形態(tài)，第1類是Zn-Al的金屬間化合物，第2類是多種金屬元素(Zn、Al、Fe、Co、Cr等)形成的復雜化合物，兩類物質都發(fā)生了明顯的氧化，這主要是由于軸套高溫出爐暴露在空氣中導致的。第3類物質表現(xiàn)為尖銳顆粒，成分為Fe2Al5或(Fe，Co)2Al5，彌散分布在熔渣中。

(a)熔渣 (b)尖銳顆粒

表3 軸套表面附著物的化學成分

Wt.%AlWMoFeCoZnf19.28 6.943.935.831.7563.99g0.8057.902.983.911.5629.60h50.10 03.9322.294.955.67

2.2 軸瓦宏觀及微觀形貌

配套工作軸瓦的表面形貌見圖7。軸瓦整體并無明顯尺寸變化，因生產過程中鋼帶的側向力作用，導致軸套和軸瓦局部緊密接觸并發(fā)生磨損，該磨損區(qū)域有明顯磨損痕跡，同時伴有大量切向的犁溝，磨損區(qū)域邊緣有大量黏附物質。其余部位有銹蝕痕跡。切割下的塊狀軸瓦背部有明顯的鋅液附著現(xiàn)象。

圖7 失效軸瓦的形貌

軸瓦截面形態(tài)為深色相內部均勻彌散分布著白色“板條狀”相，無分層現(xiàn)象(圖8)。經EDS測定，軸瓦為Fe-Co-Cr-Ni-Mo合金，板條狀組織中Cr、Mo含量高于基底，并含有一定量的W元素。2個區(qū)域的成分如表4所示。

(a)截面組織 (b)工作區(qū)域形貌

表4 軸瓦截面不同組織的化學成分

Wt.%FeCoCrNiMoW深色相37.9520.7425.1512.663.50-白色相18.019.4730.353.2312.5420.74

軸瓦的非工作面發(fā)生了明顯的鋅液浸入和腐蝕行為，試件邊緣起伏不平，組織疏松并有明顯的物質脫落現(xiàn)象。工作區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)明顯的含鋅鋁元素的腐蝕產物，可能被磨損或酸洗去除，但工作部位附近也形成了孔蝕和裂紋，部分區(qū)域組織疏松。

軸瓦表面分為磨損區(qū)域和非磨損區(qū)域，二者的形貌相近，深色基底中彌散分布著白色網狀組織，網狀組織凸起在基底表面(圖9)；能譜分析發(fā)現(xiàn)，網狀組織的化學成分和截面中的板條相接近，且Cr、Mo含量高于基底相。磨損區(qū)中部分區(qū)域網狀組織不連續(xù)，有明顯磨損缺失。

(a)磨損區(qū) (b)非磨損區(qū)

在鋁鋅液中，軸瓦表面發(fā)生了均勻的腐蝕，但富含Cr、Mo元素的板條相具有更好的抗腐蝕能力，腐蝕速率低于基底，導致了板條相的凸起。同時在與軸套接觸的工作區(qū)域，因摩擦磨損作用導致板條相的缺失，加速了其腐蝕速率。

2.3 腐蝕磨損機理

軸套及軸瓦在鋁鋅液中發(fā)生了腐蝕磨損現(xiàn)象，軸套屬于劇烈磨損狀態(tài)，軸瓦磨損量顯著低于軸套，表明鈷基合金和鐵基合金的腐蝕磨損機理存在差別。

液態(tài)金屬的腐蝕機制有以下3種情況[10]：液態(tài)金屬將固態(tài)金屬在熱端溶解下來并將其傳導到冷端而沉積下來；液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間發(fā)生化學反應，并在固態(tài)金屬表面形成金屬間化合物；液態(tài)金屬擴散至固態(tài)金屬表面，在表面層形成新的合金或化合物。Al、Zn對Co基和Fe基合金都存在一定互溶性，3種腐蝕機制同時存在。其腐蝕過程主要分為4個階段：1)鋁鋅液在合金表面反應吸附；2)鋁鋅液與固溶體發(fā)生反應生成化合物；3)反應繼續(xù)進行導致化合物顆粒脫落，鋅液繼續(xù)腐蝕基體；4)鋁鋅液向基體內部腐蝕．以鋅液和鋁液為例分別分析對Co基合金和Fe基合金的腐蝕過程。

鋅液對Co基合金的具體的腐蝕過程如下：鈷基合金與鋅液接觸后，鋅原子將吸附在合金表面；之后，鋅和鈷基固溶體互相反應，逐步生成CoZn相，隨著原子的進一步擴散繼續(xù)生成CoZn21，最終生成CoZn13。反應消耗了Co基固溶體，且生成的產物堆積在Co3Mo2Si晶間，失去固溶體依托的Co3Mo2Si晶粒與基體的結合強度降低，在應力作用下從基體上整個剝落下來。鈷基合金被鋅液腐蝕掉一層，反應擴散層相應向內推進一層。如此反復，形成了鋅液對鈷基合金的腐蝕[9]。

鋁液對Fe基材料的腐蝕過程如下：二者接觸時，會在界面處發(fā)生互擴散，導致Fe基材料與鋁液中均產生一個擴散層。隨著擴散的繼續(xù)進行，生成含鐵量最少的內生成相FeAl3，隨后鐵原子和鋁原子的互擴散在穿過FeAl3的條件下進行，F(xiàn)eAl3開始部分地轉變?yōu)镕e2Al5，因為兩相組織結構不相同，存在組織轉變應力；在該應力的作用下，F(xiàn)e2Al5會部分地剝落和溶解，暴露出新鮮的基體，新的鐵基體和鋁液再接觸又重新形成FeAl3，過程交替進行，完成對Fe基合金的腐蝕[11]。

由于Fe-Al的自由焓大于Fe-Zn，F(xiàn)e-Al化合物優(yōu)先形成，這種Fe-Al化合物直接富集在鋼基表面上，本文所述的尖銳顆粒相即為Fe2Al5相。研究結果表明，這種塊狀相有較高的硬度，顯微硬度可達HV1150[12]。軸套在使用過程中就產生了由軸套、軸瓦和尖銳顆粒相組成的磨粒磨損，磨損的作用也加速了腐蝕產物的剝落，進一步加快了腐蝕的過程。

綜合以上分析，軸套及軸瓦在工作過程中，腐蝕和磨損是同時、交替、協(xié)同進行的。對軸套來說，鋁鋅液與Co合金互相反應，其中耐蝕性差的Co基固溶體易于熔融脫落，暴露出的Laves相在磨粒磨損的情況逐步消耗，最終導致軸套的尺寸顯著變化。對于軸瓦，鋁鋅液在Fe基固溶體中浸入和腐蝕，在軸瓦內部形成空洞和裂紋，造成Fe基固溶體的消耗，而磨粒磨損也導致具有一定耐蝕性的富Cr相的剝離，最終在軸瓦中形成了明顯的磨痕。

3 展望

為提高熱鍍鋅生產設備的使用壽命，表面強化改性，特別是熱噴涂技術，被廣泛的使用和研究，大量針對熱鍍鋅沉沒輥的研究表明，等離子噴涂[13]、超音速火焰噴涂[14-15]、爆炸噴涂[16]等熱噴涂技術制備的涂層都可顯著改善工件的抗腐蝕壽命。

涂層材料常選用WC-Co、MoB-CoCr、FeAl、YSZ陶瓷等材料，其中Co粘結相的腐蝕易導致WC涂層的失效，Zn對FeAl涂層晶界的滲透導致涂層逐漸剝離，因硼化物和金屬Mo對Zn液的潤濕性差，日本Fujimi公司研發(fā)的MoB-CoCr涂層[17]具有非常優(yōu)異的抗Al-Zn熔液腐蝕的能力。陶瓷材料雖也具有和Zn液潤濕液差的特點，但其脆性大以及涂層孔隙多的特點，不利于提高抗腐蝕性能。通過合適的材料改性、涂層結構和工藝設計，也可以獲得腐蝕性能優(yōu)異的涂層。如呂艷紅等采用等離子噴涂工藝制備的Al2O3-TiB2復合涂層，經過30 d的Zn液浸泡，涂層未見明顯腐蝕和開裂[13]。

另外，涂層封孔處理可以填充涂層中的孔隙，阻礙Zn液向涂層內部的擴散和腐蝕，可明顯提高抗腐蝕性能。

沉沒輥相關的研究對軸套抗腐蝕性能的提高提供了良好的指導借鑒作用，開發(fā)保護涂層可以提高軸套的抗腐蝕性能。目前在軸套表面已應用了WC-Co涂層，但使用過程中發(fā)生了Co粘結相腐蝕的情況[7]，進而導致涂層的失效。制備適合軸套使用的抗腐蝕涂層，可以達到改善提高軸套使用壽命的目的，但需要考慮以下因素：選用合適的涂層材料，如浸潤性差的硼化物材料；調整涂層結構，改善涂層抗熱震性能差異；優(yōu)化涂層制備工藝，降低涂層的孔隙率；增加涂層封孔處理工序。同時，軸套的腐蝕和磨損是同時發(fā)生的，需要對軸套及涂層的腐蝕磨損機理做進一步的深入研究，以提高涂層耐腐蝕磨損性能。

4 結論

1)軸套及軸瓦的失效過程是腐蝕和磨損的協(xié)同、交替作用導致的，F(xiàn)e2Al5硬質顆粒導致的磨粒磨損是軸套及軸瓦工作過程的主要磨損形式。

2)鋁鋅液和軸套的Co基合金工作面層發(fā)生反應形成化合物，導致Co基固溶體的熔融剝落，而富含Mo、Si的Laves相在Fe2Al5顆粒的作用磨損消耗，二者共同作用導致軸套尺寸顯著降低。

3)鋁鋅液浸入Fe基軸瓦內部，導致孔洞和裂紋的形成，并引起了組織疏松，同時磨粒磨損導致富Cr相的消耗，是軸瓦失效的主要原因。