低合金高強(qiáng)度角鋼熱鍍鋅層局部結(jié)合力差異原因分析

顧佳羽， 梁國威， 賴德林， 萬先蘭， 車淳山

(1. 常熟風(fēng)范電力設(shè)備股份有限公司， 江蘇 常熟 215551；2. 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

0前 言

特高壓技術(shù)是指交流1 000 kV 以及直流800 kV以上電壓等級的輸電工程。 隨著我國特高壓交、直流輸電工程的建設(shè)，鐵塔趨于大型化，常用的Q235 和Q355 熱軋角鋼強(qiáng)度和規(guī)格難以滿足工程使用要求，Q420/Q460 高強(qiáng)鋼相比Q235 和Q355 鋼具有高屈服點(diǎn)承載力，可有效提高構(gòu)件強(qiáng)度和承載力，減少鐵塔耗材30%以上，從而降低工程總投資[1]。

GB/T 1591-2018“低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼”[2]表1中規(guī)定了Q420 和Q460 的化學(xué)成分范圍，其中含Si 量不大于0.55%，含P 量不大于0.03%或0.035%。 此類鋼等價(jià)Si(即Si+2.5P)的化學(xué)成分實(shí)測值均大于0.3%，在熱鍍鋅領(lǐng)域，這類鋼稱為高硅活性鋼。 高硅活性鋼在熱鍍鋅時(shí)往往出現(xiàn)熱鍍鋅層較厚、且容易出現(xiàn)熱鍍鋅層顏色不均勻現(xiàn)象(俗稱“色差”)[3]。 為了減少或避免此類鋼的“色差”現(xiàn)象，熱鍍鋅生產(chǎn)中往往采取較低的熱鍍鋅溫度(如436～438 ℃)。 我公司采購的某批角鋼進(jìn)行熱鍍鋅時(shí)出現(xiàn)了部分區(qū)域熱鍍鋅層結(jié)合力不佳、錘擊試驗(yàn)不合格的現(xiàn)象。 熱鍍鋅層作為一種防鋼鐵大氣腐蝕的方法，鍍層厚度和鍍層/基體結(jié)合力是評價(jià)熱鍍鋅層合格性的必要條件。 針對角鋼熱鍍鋅層出現(xiàn)的熱鍍鋅層結(jié)合力不佳的問題，本工作從熱鍍鋅層的微觀組織著手進(jìn)行了分析研究，以期找到故障原因和解決辦法。

1 試 驗(yàn)

1.1 角鋼試樣

將Q420B 角鋼在436 ℃浸鍍5 min 獲得熱鍍鋅角鋼試樣，對試樣采用GB 2694 錘擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)碼照片見圖1。

圖1 Q420B 角鋼熱鍍鋅試樣錘擊試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 1 Hammering test image of Q420B angle steel after hot dip galvanizing

由圖1 可見，該鍍鋅角鋼整體呈現(xiàn)鋅的金屬光澤，無色差。 錘擊試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域(圖1 中a 處)熱鍍鋅層的結(jié)合力良好，僅存在凹陷的壓痕；而部分區(qū)域(圖1 中b 處)鍍鋅層的結(jié)合力差，出現(xiàn)凸起鼓泡，甚至剝落。

1.2 鋼材的化學(xué)成分

Q420B 角鋼的主要化學(xué)成分如表1 所示，其中等價(jià)Si(Si+2.5P)為0.435%。

表1 Q420B 鋼材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of Q420B

1.3 鋅液成分

熱鍍鋅鋅液中的主要合金元素Fe、Ni、Al 的化學(xué)分析測試結(jié)果如表2 所示。

表2 鋅液的主要化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of zinc bath

1.4 試樣制備

在熱鍍鋅角鋼試樣上分別選取圖1 中a 處典型的結(jié)合力好及圖1 中b 處結(jié)合力差的部位，用線切割機(jī)切出10 mm×10 mm 的試樣。

試樣用不同牌號金相砂紙打磨，將鍍件截面磨至表面光滑平整，采用拋光劑機(jī)械拋光約5 min 至表面光亮無劃痕，然后采用侵蝕液侵蝕3～5 s，即可獲得微觀形貌觀察試樣，進(jìn)行金相觀察，并在Quanta 200 掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察鍍層截面微觀特征，采用配套的INCA x-act 能譜儀(EDS)定量分析相的微區(qū)成分確定相組成。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖2 為熱鍍鋅角鋼結(jié)合力好部位的鍍層截面組織以及錘擊壓痕處的鍍層組織微觀SEM 形貌。 由圖2a并結(jié)合EDS 結(jié)果分析可知，鍍層為典型的高硅鋼的鍍層組織，從鋼基向外分別由薄且不連續(xù)的鋸齒狀δ層、厚且破碎塊狀ζ層及最表面的純鋅η層組成，其中ζ層厚度約180 μm，δ層厚度約5～10 μm，ζ層占鍍層總厚度的95%以上。 錘擊試驗(yàn)后，錘擊中心的組織(ζ晶粒)明顯被擠壓，壓痕中心兩側(cè)的ζ晶粒被擠壓和推移，整個壓痕區(qū)未出現(xiàn)裂紋，如圖2b 所示。

圖2 結(jié)合力好區(qū)域的熱鍍鋅層微觀形貌Fig. 2 Micromorphology of the hot-dip galvanized layer in areas with good binding force

圖3 為熱鍍鋅角鋼層結(jié)合力差部位鍍層截面鍍層組織。 從圖3a 可以看到，鍍層的厚度約為190 μm，其厚度與結(jié)合力好的鍍層厚度基本相同，其中ζ 層的厚度占總厚度的90%以上。 與圖2a 相比，鍍層的組織略有不同，主要表現(xiàn)為:(1)ζ 層為厚且破碎狀的組織，但晶粒較粗大，具有明顯的柱狀晶特征；(2)δ 層連續(xù)致密且厚度均勻，厚度約5 μm。 圖3b 為錘擊鼓泡附近區(qū)域的截面微觀形貌。 由圖可見，鍍層與鋼基體之間從左至右逐漸出現(xiàn)明顯的水平狀裂紋，呈現(xiàn)越來越開的剝離狀態(tài)，表明在錘擊作用下，鍍層的開裂剝落直接發(fā)生在鋼基與合金相層界面處，整個鍍層從基體剝離。

圖3 結(jié)合力差區(qū)域的熱鍍鋅層微觀形貌Fig. 3 Micromorphology of the hot-dip galvanized layer in the region of the binding force difference

圖4a，4b 分別為結(jié)合力好及結(jié)合力差的部位的鋼基體金相組織。 由圖4 可見，2 種部位的基體組織有所不同。 對于鍍層結(jié)合力好的區(qū)域(圖4a)，靠近鍍層的基體邊緣處黑色區(qū)域減少，黑色區(qū)域總量亦減少，但黑色區(qū)域的分布位置和組織狀態(tài)與基體內(nèi)部類似，即:黑色區(qū)域主要分布在多邊形白色晶粒之間，組織形態(tài)呈不規(guī)則形狀。 根據(jù)鋼的金相組織特點(diǎn)可以推斷:(1)白色區(qū)域應(yīng)為鐵素體(F)，黑色區(qū)域應(yīng)為珠光體類組織(P)。 對于鍍鋅層結(jié)合力差的區(qū)域(圖4b)，靠近鍍層的基體邊緣處黑色區(qū)域大量減少且彌散，黑色區(qū)域總量亦大量減少。 黑色區(qū)域更多分布在多邊形白色區(qū)域的內(nèi)部。 據(jù)此推斷:(1)白色區(qū)域應(yīng)為鐵素體(F)以及貝氏體(B)；(2)黑色區(qū)域應(yīng)為珠光體類組織。

圖4 鋼材基體的金相組織Fig. 4 Metallographic organization of the steel matrix

3 討 論

3.1 熱鍍鋅鍍層的形成過程

常規(guī)熱鍍鋅層主要由鋅鐵合金層和純鋅層組織組成。 鋅鐵合金層從外到內(nèi)依次由η-純鋅、ζ(FeZn13)、δ(FeZn10)和Γ(Fe4Zn21)層組成，其中ζ 和δ 是鐵鋅合金層的主要組成部分[4]。 當(dāng)工件浸入熔融鋅液時(shí)，因溫度較高，F(xiàn)e 和Zn 會發(fā)生冶金擴(kuò)散，從而形成一系列Fe-Zn合金層。 一般認(rèn)為，F(xiàn)e 和Zn 發(fā)生反應(yīng)時(shí)，ζ 相為優(yōu)先生成相，然后隨著Fe-Zn 擴(kuò)散的進(jìn)行，再出現(xiàn)δ 相和/或Γ 相。 高硅鋼的熱鍍鋅層的典型組織一般為破碎的ζ 相和不連續(xù)的層狀δ 組成。

3.2 角鋼鍍鋅層不同區(qū)域出現(xiàn)結(jié)合力差異的原因

熱鍍鋅層是由一系列Fe-Zn 金屬間化合物層與鋼基結(jié)合，故熱鍍鋅層的結(jié)合力要明顯優(yōu)于電鍍鋅層、熱噴涂鋅層等。 但熱鍍鋅層的結(jié)合力也受到鍍層厚度、鍍層組織形態(tài)、鍍鋅溫度、鋼材狀態(tài)、鍍鋅操作、鋅液成分等因素影響[5]。

本工作所述的角鋼鍍鋅試樣是在同一條角鋼的相鄰部位截取的，其鍍鋅溫度、鍍鋅操作以及鋅液成分可以認(rèn)為是相同的，而從圖2 和圖3 的鍍層厚度結(jié)果看，鍍層結(jié)合力好和差的區(qū)域厚度均很接近。 因此角鋼鍍層結(jié)合力的差異應(yīng)主要取決于鍍層的組織形態(tài)和鋼材狀態(tài)。

比較鍍層結(jié)合力好(圖2a)和鍍層結(jié)合力差(圖3a)部位的顯微組織，鍍層結(jié)合力好的區(qū)域，ζ 相對而言更加破碎，柱狀晶更加細(xì)小，δ 層更薄且不連續(xù)。 這是典型的高硅鋼熱鍍鋅層組織。 這種鍍層組織在受到外力沖擊下，ζ 相由于細(xì)小破碎而容易通過錯位變形來消除部分沖擊能量，同時(shí)δ 層由于薄且不連續(xù)，可以通過變形來承受沖擊能量，因而在錘擊下鍍層只發(fā)生塑性變形而不產(chǎn)生開裂。 反之，鍍鋅層結(jié)合力差的區(qū)域，ζ相更加粗大，δ 層較厚且連續(xù)。 這種鍍層組織在受到外力沖擊下，由于粗大的ζ 相難以錯位而會將絕大部分沖擊能量傳遞給δ 層，同時(shí)由于δ 層較厚且連續(xù)，加上合金相層硬而脆的特點(diǎn)，在受到?jīng)_擊下只能通過開裂來釋放能量，造成整個鍍層從基體處剝離。

造成熱鍍鋅角鋼局部鍍鋅組織產(chǎn)生差異的原因可能是由于角鋼在生產(chǎn)加工過程中局部組織產(chǎn)生了差異。 根據(jù)金屬凝固的理論，低碳鋼在高溫下等溫冷卻或者緩慢冷卻時(shí)，微觀組織應(yīng)為鐵素體(F)和珠光體類(珠光體P，索氏體S 和屈氏體T)組織的平衡或類平衡組織；當(dāng)冷卻速度加快時(shí)，F(xiàn)e 和C 來不及充分?jǐn)U散，則可能會出現(xiàn)貝氏體(B)，甚至出現(xiàn)馬氏體(M)等非平衡組織。 因固溶強(qiáng)化、晶格畸變、內(nèi)應(yīng)力等原因，會影響熱鍍鋅時(shí)鐵鋅的擴(kuò)散。 當(dāng)熱鍍鋅反應(yīng)時(shí)鐵的擴(kuò)散受到抑制時(shí)，則會抑制ζ 的生長和促進(jìn)δ 的生長，造成ζ 相形成得少而粗，δ 相形成得厚且連續(xù)。 變厚的δ 層導(dǎo)致熱鍍鋅層的結(jié)合力變差，熱鍍鋅層出現(xiàn)剝落的主要部位是鍍層/基材界面(如圖3b)。

4 結(jié) 論

(1)熱鍍鋅角鋼出現(xiàn)鍍層與鋼基結(jié)合力差異的原因與鍍層局部組織狀態(tài)存在差異有關(guān)。 結(jié)合力好區(qū)域的鍍層組織由小柱狀或小塊狀ζ 層和不連續(xù)鋸齒狀δ層構(gòu)成。 錘擊處整體以凹坑形式存在，合金層被擠壓變形但未出現(xiàn)裂紋；結(jié)合力差區(qū)域的鍍層組織由較粗大柱狀或大塊狀的ζ 層和連續(xù)且厚的δ 層構(gòu)成；錘擊處鍍層從基體界面處剝離。

(2)鋼基體的表面組織狀態(tài)不均勻性是造成鍍層組織局部產(chǎn)生差異的原因。 由于角鋼在生產(chǎn)中表面成分分布不均，且加工過程中表面溫度控制不當(dāng)，局部出現(xiàn)非平衡組織。 該區(qū)域因固溶強(qiáng)化、晶格畸變、內(nèi)應(yīng)力等原因，在一定程度上抑制影響鋅鐵鋅的擴(kuò)散，抑制ζ相生長，促進(jìn)δ 相生長，不利于熱鍍鋅層的結(jié)合力。