稀土釔對輸電鐵塔鋼制件熱浸鍍鋅層組織與耐腐蝕性能的影響*

王邦林，柯?lián)碥姡闻d利，金 克，王 坤，林繼興,3

（1.溫州泰昌鐵塔制造有限公司，浙江 溫州 325013；2.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，浙江 溫州 325026；3.溫州醫(yī)科大學，浙江 溫州 325027）

0 引言

輸電鐵塔作為輸電線路中的主要承重結(jié)構(gòu)，經(jīng)常受到輸電線的摩擦及潮濕環(huán)境的腐蝕，因此輸電鐵塔的耐用性成了電力系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵[1]。但目前這些以低碳鋼為原料的鋼制件具有耐腐蝕性能差、硬度低和不耐磨的特點[2]。因此，提升材料表面防腐和耐磨性能是輸電鐵塔安全服役的關(guān)鍵。熱浸鍍鋅鋼件的低成本、可成形性、高耐腐蝕性和高強度特性讓其在汽車、建筑及電力金具領(lǐng)域得到了廣泛應用[3]。熱鍍鋅層通過腐蝕屏障和電化學雙重腐蝕保護功能以及耐磨損功能對鋼制件進行腐蝕和磨損保護。但是，由于不合理的熱鍍鋅工藝和鍍鋅液配方引起的鍍鋅層組織均勻性差、大面積點蝕甚至脫落現(xiàn)象使得輸電線路塔材在野外惡劣服役環(huán)境中受到很大的挑戰(zhàn)，甚至會導致塔材銹蝕坍塌[4]。因此，開發(fā)一種耐蝕性和耐磨損性能更優(yōu)異的熱鍍鋅鋼制件勢在必行。

向鋅熔池中添加鎂和稀土元素能夠改善鍍鋅層的微觀組織均勻性，增強熱浸鍍鋅鋼材的外觀、耐腐蝕性和硬度[5]，而硬度的提升將有助于耐磨損性能的提升。Amadeh等人[6]發(fā)現(xiàn)向鋅熔池中添加稀土元素會減少熱浸鍍涂層中的夾雜物含量。同時，添加Ce 能夠抑制鍍鋅層中ζ（FeZn13）相的生長，并通過提供更多異質(zhì)成核位置起到細化α-Zn 相的作用[7]。因此，稀土元素可以作為熱鍍鋅工藝中的一種有效添加劑，提升鍍鋅層的硬度和耐腐蝕性能。目前，稀土元素釔（Y）對鍍鋅層的微觀組織、硬度和耐腐蝕性的影響尚不清楚。因此，基于以上技術(shù)背景，本研究旨在開發(fā)一種具有高耐蝕性、高鍍鋅層厚度和高硬度的新型Zn-1Mg-Y 熱浸鍍涂層，有望為鐵塔鋼制件的精細化和高效率生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所需的鋼制件為尺寸100 mm×100 mm×8 mm 的Q345 鋼板。將高純鋅錠(99.9%)、高純鎂錠(99.9%)和Mg-20Y中間合金在500℃時分別配制成Zn-1Mg-xY(x=0,0.2 和0.4 wt.%)合金鍍鋅液后，取鍍鋅液澆鑄到預熱至200℃的模具中，制得鑄態(tài)合金試樣。經(jīng)型號為S4 Pioneer 的X 射線熒光光譜儀檢測后的鍍鋅液試樣的成分見表1所示。

表1 Zn-1Mg-xY合金鍍鋅液化學成分（wt.%）

1.2 熱鍍鋅工藝

鍍鋅是在本公司的智能熱鍍鋅流水線上完成，采用18g/L HCl＋HG 高效環(huán)保型酸洗添加劑的酸洗液將對鋼制件酸洗除銹，并經(jīng)過水洗、助鍍（180g/L ZnCl2+230 g/L NH4Cl）進行鍍鋅前處理；預鍍烘干溫度和預鍍烘干時間分別65℃和4 min；鍍鋅溫度為440℃，鍍鋅時間6min，最后經(jīng)冷卻和鈍化處理后得到鋼制件熱鍍鋅試樣。

1.3 試驗方法

將鍍鋅液試樣用線切割切取平面，并采用不同目數(shù)的砂紙依次打磨至2 000 目，接著采用0.5 μm的拋光膏進行拋光處理，最后在0.5%硝酸酒精腐蝕后采用DM 2500 型號的金相顯微鏡（OM）進行組織形貌觀察。采用Pro X FEI 型號的掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）進行組織觀察和化學成分分析。采用D8 型號的X 射線衍射儀對鍍鋅液試樣進行物相分析，其中衍射角（2θ）為20～80°，掃描速度為2°/min。用線切割截取鋼制件熱鍍鋅試樣橫截面，經(jīng)鑲樣（防止鍍鋅層破壞）和相同的打磨、拋光和腐蝕工藝后，用SEM和EDS觀察鍍鋅層形貌及界面結(jié)合情況。熱鍍鋅層的厚度采用SEM自帶的測量工具進行測量。

鋼制件熱鍍鋅試樣橫截面的梯度硬度采用華銀HVS-1000A數(shù)顯顯微硬度計進行測量。試驗面為經(jīng)過打磨拋光后的熱鍍鋅橫截面，試驗載荷為200 gf，保載時間為15 s，兩點間間距為10 μm。

采用普林斯頓PAR 2273 型號的電化學工作站測試鋼制件熱浸鋅涂層的耐腐蝕性能。試驗所用的腐蝕溶液為分析純NaCl 和去離子水配置的3.5wt%NaCl溶液，測試面積為0.5cm2，測試電位區(qū)間為相對于開路電位（-0.3～0.6）V，掃描速度為2 mV/s，測試溫度為25℃。

2 結(jié)果與分析

圖1為熱鍍鋅Zn-1Mg-xY合金材料的XRD圖和金相組織圖。從圖1(a)中可以看出，所有合金試樣中均具有α-Zn、MgZn2和Mg2Zn11相。隨著Y元素含量的增加，合金中YZn12相含量逐漸增加。從圖1(b)～1(d)中可以看出，所有試樣中均具有白色的橢圓狀和不規(guī)則狀α-Zn 相和黑色層片狀Mg2Zn11相，添加0.2 wt.%和0.4 wt.%的Y元素以后，在合金的晶界處出現(xiàn)灰色顆粒狀YZn12相，且隨著Y 元素含量的增加，YZn12相含量和尺寸逐漸增加。同時，稀土Y元素能夠顯著細化α-Zn和Mg2Zn11相，當Y 含量為0.2 wt.%時具有最佳的細化效果。圖2 為熱鍍鋅Zn-1Mg-0.4Y合金的顯微組織SEM圖和EDS面掃描和點掃描圖。對圖2（a）中的元素面掃描分析見圖2（b）所示。晶界處層片狀的第二相主要是富Mg第二相，而白色顆粒狀第二相主要為富Y 第二相。對圖2（a）中物相的元素點掃描分析見圖2（c）～2（e）所示。1號相區(qū)域為不含有Mg和Y元素的α-Zn相。2 號和3 號相區(qū)域中含有8.4 at.%Y 和19.7 at.%Mg，與XRD中物相信息一致，即2號和3號相分別為YZn12相和Mg2Zn11/MgZn2。

圖1 熱鍍鋅Zn-1Mg-xY合金的XRD和金相顯微組織圖

圖2 熱鍍鋅Zn-1Mg-0.4Y合金的顯微組織SEM圖和EDS面掃描和點掃描圖

圖3 為不同Y 含量鋼制件熱鍍鋅層的顯微組織SEM 圖及能譜點和線掃描譜圖。從圖中可以看出，隨著稀土Y含量的逐漸增加，熱鍍鋅層的厚度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。Zn-1Mg-0.2Y鋅層試樣具有最大的總鍍鋅層厚度和最薄的ζ相層厚度，分別達到162 μm和85 μm，表明適當添加的Y元素能夠細化ζ相層尺寸和提升總鍍鋅層厚度，這對于鋼制件厚鍍鋅層的實際技術(shù)需求至關(guān)重要。同時，Zn-1Mg-0.2Y 鋅層試樣的鍍鋅層致密，相對于Zn-1Mg 鋅層試樣的鍍層質(zhì)量得到顯著改善，基本不存在裂紋和鍍層脫落現(xiàn)象。對圖3（b）中的ζ相層的化學元素進行分析可知，ζ相層中的Fe 含量達到7.5at.%，與FeZn13相中Fe 元素含量接近。對圖3（c）中熱鍍鋅層的化學元素線掃描分析可知，靠近鍍鋅層的鋼制件基體中存在少量的Zn 元素。ζ相層中具有穩(wěn)定分布的Fe和Zn元素，基本不含有Mg元素。而在α-Zn層中Fe和Mg含量有所上升。上述現(xiàn)象表明，在ζ相層的形成過程中，從基體中溶解/擴散出來的Fe 元素相對于Mg 元素優(yōu)先與Zn 形成FeZn13相。

圖3 不同Y含量鋼制件熱鍍鋅層的顯微組織SEM圖及能譜點和線掃描譜圖

根據(jù)Fe-Zn 二元相圖[8]，從鋼基體到鍍鋅層表面會形成下列相層：α-Fe 相層、Г相層、ζ相層和α-Zn 相層。從Zn-Mg 平衡相圖中可知[8]，當溫度從液相線冷卻到364℃時會發(fā)生平衡共晶反應：L→α-Zn+Mg2Zn11。而ζ相層的熔點相對于Mg2Zn11相更高，因此優(yōu)先形成FeZn13相。稀土元素Y 的添加能夠在鍍層中形成細小均勻分散的高熔點YZn12相，可以作為α-Zn 相、Mg2Zn11相和FeZn13相的異質(zhì)核心，起到顯著的細化晶粒和第二相作用[7,9]。同時，分布在晶界的Y元素可以降低鍍鋅層表面張力和臨界形核能，在凝固過程中顯著提升形核率[10]。此外，大量沉積在晶界上的細小YZn12相能夠阻礙位錯運動和抑制等軸晶的生長[11]。

圖4是不同Y含量熱鍍鋅鋼制件試樣的維氏硬度梯度曲線圖。從圖中可以看出，鋼制件的硬度值在200HV 左右。隨著Y 含量的逐漸增加，鍍鋅層中ζ相層和α-Zn相層的最大硬度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。Zn-1Mg-0.2Y鋅層試樣具有最高的鍍鋅層硬度，其中ζ相層和α-Zn 相層的最大硬度分別達到312 HV和183 HV。

圖4 不同Y含量熱鍍鋅鋼制件試樣的維氏硬度梯度曲線圖

稀土元素Y的添加能夠細化α-Zn相尺寸和作為Mg2Zn11和FeZn12第二相的成核點，起到細晶強化和第二相強化的效果[7,9]。同時，形成的高硬度和高熔點的YZn12相也能夠起到第二相強化作用[12]。此外，Y元素能夠作為熱鍍鋅熔體的凈化劑，減少凝固過程中的氣孔和夾雜物等缺陷，從而有助于硬度的提升[6]。但是過量添加的Y 元素使得α-Zn 晶粒和第二相尺寸的粗化，引起過變質(zhì)現(xiàn)象，導致熱鍍鋅層的硬度降低。

圖5為鋼制件鍍鋅層試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線圖。從圖中可以看出，三種鋼制件鍍鋅層試樣中均具有明顯的鈍化區(qū)，表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。對極化曲線Tafel區(qū)域進行擬合后得到的電化學腐蝕參數(shù)見表2 所示。隨著Y 含量的逐漸增加，試樣的腐蝕電流密度和腐蝕速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，表明耐腐蝕性能呈現(xiàn)先提升后下降的趨勢。其中Zn-1Mg-0.2Y鋅層試樣具有最低的腐蝕電流密度和腐蝕速率，分別達到11.3μA/cm2和162 μm/y。

表2 鋼制件不同Y含量熱鍍鋅層試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學腐蝕參數(shù)

圖5 鋼制件不同Y含量熱鍍鋅層試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線圖

在α-Zn 基體周圍連續(xù)分布著的Mg2Zn11和YZn12第二相，能夠為α-Zn 基體提供腐蝕屏障作用，從而抑制NaCl溶液進一步對鍍層內(nèi)部的腐蝕和提升了鍍鋅層試樣的耐腐蝕性[13]。同時，Y 元素的細化晶粒和第二相作用能夠顯著增加晶界尺寸面積，進一步提升腐蝕屏障作用。此外，適量加入稀土元素能夠去除熱鍍鋅熔體中的雜質(zhì)元素，也有助于熱鍍鋅層試樣的耐腐蝕性的提高[14]。但是過量的Y 元素添加，導致晶粒和第二相尺寸的粗化，從而引起耐腐蝕性能的下降。

3 結(jié)論

（1）Zn-1Mg 熱鍍鋅液試樣主要由α-Zn、Mg2Zn11和極少量的MgZn2相構(gòu)成。在添加稀土Y 元素后在α-Zn 晶界處形成了顆粒狀YZn12相。隨著Y添加量的逐漸增加，YZn12相的含量和尺寸逐漸增大。Y添加量為0.2%時熱鍍鋅液試樣具有最顯著的細化晶粒和第二相效果。

（2）隨著Y含量的逐漸增加，鋼構(gòu)件熱鍍鋅試樣的鍍鋅層厚度和最大硬度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中Y添加量為0.2%時鍍鋅層的總鍍鋅層厚度達到162μm，鍍鋅層最高硬度達到312HV。同時，Zn-1Mg-0.2Y 熱鍍鋅涂層具有最薄的ζ相層厚度，這主要是由于適量的Y 的細化作用和抑制ζ相生長作用。

（3）隨著Y含量的逐漸增加，鋼構(gòu)件熱鍍鋅試樣在3.5%NaCl 溶液中的腐蝕速率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其中Y添加量為0.2%時熱鍍鋅試樣的腐蝕速率達到最小，為162μm/y，表現(xiàn)出最好的耐腐蝕性能。