淺析非調(diào)整型鋅鎳合金產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用

柴正龍，聶文斌，丁旭，胡如忠，魏源，李永華

（1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖，655000；2.云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 曲靖，655000）

目前，國(guó)內(nèi)超高壓輸變電發(fā)展迅速，推動(dòng)了輸變電鐵塔行業(yè)的快速發(fā)展。項(xiàng)目組組織調(diào)研云南省內(nèi)近百家輸變電鐵塔熱浸鍍企業(yè)，都是使用鋅鎳合金熱浸鍍鋅。市場(chǎng)上均使用鋅鎳中間合金，重量10kg，含鎳1%～10%左右，熱浸鍍鋅合企業(yè)在熱浸鍍輸變電鐵塔時(shí)，需要重新配制鋅鎳合金，將鎳降到0.04%，配制合金技術(shù)難度較大，且成分配制穩(wěn)定性較差，經(jīng)常會(huì)影響鍍鋅效果，出現(xiàn)鍍層表面發(fā)黑，超厚的現(xiàn)象。經(jīng)過多次攻關(guān)試驗(yàn)，成功開發(fā)含鎳0.04%的合金，可以直接熔化用于浸鍍，減少了配制合金過程中的鋅損失，且成分穩(wěn)定，鍍層均勻，防止漏鍍，增強(qiáng)鍍層表面的光潔度、美譽(yù)度、耐蝕性，該品種合金已經(jīng)成功走向市場(chǎng)。

1 鋅鎳合金成分選擇

熱浸鋅鎳合金鍍層商品名稱為“Technigalva”，技術(shù)是80年代中后期，北美、西歐和澳大利亞發(fā)展的一種新技術(shù)，Zn-Ni合金相圖見圖1：

鋅鎳原子序數(shù)接近，難點(diǎn)在合金化的過程。根據(jù)圖1顯示，在含鎳量0.25%的鋅鎳合金發(fā)生共晶，其結(jié)晶溫度418.5℃，Zn-0.5%Ni、Zn-1%Ni、Zn-2%Ni三種合金的共熔點(diǎn)分別在440℃、520℃、580℃左右，一般來說，只要超過合金共熔點(diǎn)20℃就可以將另外一種金屬完全熔化。熔煉合金時(shí)需要升溫至相應(yīng)合金熔點(diǎn)以上100℃～150℃，才能保證鎳能充分熔化和縮短熔煉時(shí)間，鎳與鋅的熔點(diǎn)相差十分懸殊，其合金化機(jī)理是鋅先熔化，已熔化的鋅液包圍著鎳料，并在其表面合金化，是一種擴(kuò)散溶解的合金化過程，鎳隨熔煉溫度升高和電爐自身攪拌作用而慢慢熔化，鎳的熔化與均勻化是關(guān)鍵技術(shù)問題，采用電爐熔煉鋅鎳合金，電爐的自身強(qiáng)烈攪拌作用有效解決鋅鎳合金均勻化問題。

本項(xiàng)目開發(fā)的鋅鎳合金實(shí)現(xiàn)熱浸鍍企業(yè)熱浸鍍輸變電鐵塔時(shí)無需調(diào)整直接浸鍍。故本項(xiàng)目的鋅鎳合金在使用穩(wěn)定化的同時(shí)避免了傳統(tǒng)熱浸鍍鋅中間調(diào)整合金的二次重熔配制的能耗。

通過資料查閱、文獻(xiàn)分析和輸變電鐵塔鋼結(jié)構(gòu)件熱浸鍍鋅企業(yè)的需求現(xiàn)狀，結(jié)合合金相圖、相關(guān)理論以及當(dāng)前鋼構(gòu)件選材的發(fā)展趨勢(shì)，通過研究，設(shè)計(jì)了合金成分（見表1）。

圖1 Zn-Ni合金相圖

表1 鋅鎳合金成分表

2 鋅鎳合金的生產(chǎn)工藝流程

為了加快鎳在鋅液中的熔化速度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，采用了帶電磁攪拌的工頻無芯感應(yīng)電爐，通過鋅液對(duì)鎳塊的侵蝕和電磁攪拌加速，能在較短時(shí)間實(shí)現(xiàn)鎳塊的完全熔化及均勻化過程，所生產(chǎn)的鋅鎳合金錠，可以根據(jù)客戶要求，實(shí)現(xiàn)10kg～1800kg不等的單錠重量，充分滿足客戶差異化需求。

圖2 鋅鎳合金工藝流程

3 鋅鎳合金性能測(cè)試

為了給客戶提供更好的熱浸鍍指導(dǎo)，項(xiàng)目組測(cè)試了鋅鎳合金的相關(guān)物理性能，結(jié)果如下：

3.1 流動(dòng)性

流動(dòng)性越好，鍍層越薄，越均勻，有利于熱浸鍍。圖3為鋅鎳合金流動(dòng)性和溫度之間的關(guān)系曲線，圖中可以看出，鋅鎳合金的流動(dòng)性隨著溫度的升高而變好，440℃～450℃溫度區(qū)間，合金的流動(dòng)性緩慢變好，但流動(dòng)性改善幅度不大，這一溫度區(qū)間為常規(guī)的熱浸鍍鋅溫度區(qū)間，故當(dāng)采用鋅鎳合金浴熱浸鍍鋅時(shí)，從鋅浴流動(dòng)性考慮可有一個(gè)較寬的溫度區(qū)間選擇（440℃ ～450℃）。

圖3 為鋅鎳合金流動(dòng)性和溫度之間的關(guān)系曲線。

3.2 表面張力

表面張力越小，越能促進(jìn)合金與基材之間的潤(rùn)濕，熱浸鍍效果更好。圖4為熱鍍鋅鎳合金表面張力和溫度之間的關(guān)系曲線，從圖中可以得出，鋅鎳合金的表面張力隨著溫度的升高呈減小趨勢(shì)。溫度為450℃和455℃時(shí)鋅浴的表面張力值較低。

圖4 熱鍍鋅鎳合金表面張力與溫度之間的關(guān)系曲線

3.3 組織結(jié)構(gòu)

圖5為450℃+60s 浸鍍條件下鍍層的SEM形貌，從圖中可以得出，純鋅浴和鋅鎳合金浴中獲得的鍍層均由純鋅層和合金相層組成。熱浸鍍鋅層由明顯的δ、ξ、η組成，其中δ相層很薄，ξ相層較厚；熱浸鍍鋅鎳層由明顯的δ、ξ、η組成，其中的δ相層比熱浸鍍鋅層中的δ相層厚，ξ相層比熱浸鍍鋅層中ξ相層??；熱浸鍍鋅鎳鍍層的厚度比熱浸鍍鋅層要薄，可以節(jié)約成本。

圖5 450℃+60s條件下熱浸鍍鍍層SEM形貌

3.4 鍍層厚度

表2為純鋅浴和鋅鎳合金浴中浸鍍120s不同浸鍍溫度獲得鍍層的厚度。從表中也可以發(fā)現(xiàn)，在相同浸鍍時(shí)間下，當(dāng)浸鍍溫度相同或隨著浸鍍溫度的增加，兩種鍍層的厚度都呈增加趨勢(shì)，但與熱浸鍍鋅層相比，鋅鎳熱浸鍍層的厚度增加緩慢，且鋅鎳鍍層的厚度低于純鋅鍍層的厚度。表2浸鍍時(shí)間120s獲得鍍層的厚度。

3.5 熱浸鍍鋅鎳鍍層的中性鹽霧腐蝕測(cè)試及分析

表3為450℃+60s浸鍍獲得兩種鍍層的中性鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從腐蝕數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)鋅鎳熱浸鍍層比純鋅有更好的耐蝕性能。

3.6 Q235、Q345 牌號(hào)基材鋅鎳合金熱浸鍍的適應(yīng)性測(cè)試結(jié)果

取Q235、Q345兩種牌號(hào)基材角鋼各鍍400片，施鍍過程補(bǔ)加3次鋅鎳合金，補(bǔ)加4次助鍍液。實(shí)鍍過程鍍層的外觀質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況如表4所示，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，角鋼各400片實(shí)鍍過程，經(jīng)過3次補(bǔ)加合金、4次補(bǔ)加助鍍液、2次變換浸鍍參數(shù)，均能獲得外觀質(zhì)量合格的鍍層。結(jié)合前述溫度對(duì)鍍層厚度及合金相層厚度的影響及規(guī)律，建議企業(yè)合金的熱浸鍍溫度介于440℃～450℃。

表2 浸鍍時(shí)間120s獲得鍍層的厚度（μm）

表3 450℃+60s浸鍍鍍層的中性鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 鋅鎳合金熱鍍實(shí)鍍鍍層外觀質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況

4 鋅鎳合金產(chǎn)品開發(fā)小結(jié)

（1）鋅鎳合金的流動(dòng)性隨著溫度的升高而變好，表面張力隨著溫度的升高而減低，440℃～450℃溫度區(qū)間，合金的流動(dòng)性波動(dòng)緩慢，表面張力較小，綜合流動(dòng)性和鍍層的增厚速率考慮，鋅鎳合金的浸鍍溫度區(qū)間可選擇440℃～450℃。

（2）450℃+60s浸鍍條件下鋅鎳鍍層由純鋅層和合金相層組成，鍍層中存在界面明顯的δ、η、ξ；與相同浸鍍條件下的熱浸鍍鋅層對(duì)比，鋅鎳鍍層中的δ相層稍厚，ξ相較薄，鍍層總厚度薄。

（3）當(dāng)浸鍍溫度不變，鋅鎳鍍層的厚度以及合金相層厚度均隨著浸鍍時(shí)間的延長(zhǎng)而增厚，但增厚速率明顯較熱浸鍍純鋅層緩慢，鎳對(duì)合金相層尤其是ξ相的生長(zhǎng)有抑制作用，有利于減薄鍍層，降低鋅耗。

（4）鋅鎳合金中的鎳及其它元素具有鍍層減薄作用，相同浸鍍條件下，鋅鎳鍍層的厚度低于純鋅鍍層，減薄的鋅鎳鍍層仍具有優(yōu)異的耐蝕性能。

（5）與傳統(tǒng)熱浸鍍鋅層對(duì)比，鋅鎳合金熱鍍不會(huì)產(chǎn)生漏鍍、表面附著顆粒（鋅渣）、色澤不均勻等外觀質(zhì)量缺陷。鋅鎳合金熱鍍Q345基材時(shí)，鍍層表面不產(chǎn)生明顯的暗斑缺陷，合金中鎳及其它元素可以一定程度上抑制桑德林效應(yīng)。

（6）非調(diào)整型鋅鎳合金對(duì)于輸變電鐵塔企業(yè)具有生產(chǎn)一步到位，不需使用鋅鎳母合金進(jìn)行調(diào)整，加料便捷，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，降低生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

5 鋅鎳合金產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用

項(xiàng)目組研發(fā)的鋅鎳合金第1年銷售1000t左右，主要用于云南省內(nèi)輸變電鐵塔熱浸鍍。項(xiàng)目組經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研和市場(chǎng)開拓，逐步將鋅鎳合金銷售到省外，不僅僅用于輸變電鐵塔熱浸鍍，還用于鋼屋架、鋼網(wǎng)架、鋼托架、鋼桁架、鋼柱、鋼梁、鋼樓板、鋼支撐、鋼墻架、鋼檁條、鋼平臺(tái)、鋼梯、鋼欄桿、零星鋼構(gòu)等的熱浸鍍，從省外和用途兩個(gè)方面大幅拓展了鋅合金的銷售渠道，目前年銷售量在5000t以上，隨著，項(xiàng)目組的不斷開拓市場(chǎng)，鋅鎳合金的銷售在穩(wěn)步增長(zhǎng)。