稀土元素對橋梁纜索用熱浸鍍Zn-10Al鍍層鋼絲耐蝕性能的影響

＊葛云鵬 朱曉雄,2 沈以赴*

（1.南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 210017 2.江蘇東綱金屬制品有限公司 江蘇 214400）

橋梁纜索是懸索橋和斜拉橋的主要承重構(gòu)件，纜索由高強(qiáng)度鋼絲組成[1]。橋梁長期處于含有水霧的大氣環(huán)境中，因此很容易遭到腐蝕破壞，發(fā)生失效。熱浸鍍金屬鍍層是一項纜索工業(yè)中常用的腐蝕防護(hù)技術(shù)，通過在鋼絲表面浸鍍一層金屬，從物理隔離及電化學(xué)防腐兩個方面提升鋼絲的耐蝕性能，是一種低成本、高收益的防腐手段[2]。傳統(tǒng)鍍層成分常采用純鋅，但其耐蝕性能有限。研究發(fā)現(xiàn)，在鍍層中添加鋁（Al）、鎂（Mg）、稀土（RE）等元素，可以有效提高鍍層的耐蝕性能[3]。Al的添加可以增強(qiáng)鍍液的流動性，抑制Zn和基體間的反應(yīng)，從而提高鍍層和鋼絲的附著力；Al和O可以在鍍層表面形成Al2O3保護(hù)膜，阻止鍍層內(nèi)部腐蝕。當(dāng)Al含量在4%～10%時，鍍層的耐蝕性較高[4-5]。RE元素可以有效抑制鍍層的晶間腐蝕傾向，提高其耐蝕性，還能夠和Al反應(yīng)，形成致密的保護(hù)膜，減小腐蝕速率。適量的稀土能夠脫除鍍液中的O、S雜質(zhì)，還能細(xì)化晶粒[6-8]。Zn-5Al-RE是一種成功結(jié)合Al和RE元素功能性的鍍層，其在工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。Zn-10Al-RE也是一種性能優(yōu)異的鍍層[9]，目前的研究還比較少。本文研究了RE元素對熱浸鍍Zn-10Al鍍層鋼絲耐蝕性能的影響，旨在找出最適合提高鍍層耐蝕性的稀土含量。

1.試驗材料及方法

鍍層合金為純Zn錠、Zn-10Al-5%RE錠、Zn-5Al錠按不同比例混合熔煉而成，其成分如表1所示?；w為6.0mm的橋梁纜索用冷拉高強(qiáng)度鋼絲。采用雙鍍法，先進(jìn)行一次鍍鋅，再進(jìn)行一次鍍鋅鋁，兩次浸鍍溫度450℃，鍍鋅時間15s，鍍鋅鋁時間30s。

表1 合金鍍層的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

（1）中性鹽霧加速試驗。中性鹽霧加速試驗條件為：5% NaCl水溶液，pH值為6.5～7.5，試驗溫度為50℃，鹽霧沉降率在1.5～2.5mL/（80cm2·h）之間，每間隔一段時間取出試樣，觀察試樣表面腐蝕狀況并拍照記錄。

（2）鋼絲在SEM下的腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物分析。用蔡司Sigma型掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后的鍍層鋼絲的表面形貌，并利用布魯克D8-Advance X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。

（3）電化學(xué)測試。采用CHI604D電化學(xué)工作站及三電極體系，將制備好的鍍層鋼絲在室溫下浸入3.5%氯化鈉溶液中。其中對電極為鉑片，參比電極為飽和甘汞電極，工作電極為鍍層鋼絲試樣，進(jìn)行極化曲線的測試。

2.試驗結(jié)果及分析

（1）鹽霧試驗分析。圖1是Zn-10Al-xRE合金鍍層鋼絲和純鋅鋼絲經(jīng)過不同時間鹽霧腐蝕下的宏觀形貌，可以看出，幾種鋼絲在實驗前均光亮平整，鹽霧試驗24h后，鍍層鋼絲表面均有鹽粒附著；鹽霧試驗20d后，純鋅鋼絲表面有較厚的白銹層，而Zn-10AlxRE鍍層鋼絲表面未見明顯白銹。鹽霧試驗40d后，純鋅鋼絲開始出現(xiàn)紅銹，證明純鋅鍍層已經(jīng)破壞，Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲表面開始出現(xiàn)少量白銹。鹽霧試驗60d后，Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲表面均勻包裹著一層較厚的白銹，純鋅鋼絲進(jìn)一步被腐蝕破壞。鹽霧試驗80d、100d、120d后，Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲表面仍未出現(xiàn)紅銹，證明鋼絲基體并未發(fā)生腐蝕，鍍層發(fā)生腐蝕后產(chǎn)生致密的腐蝕產(chǎn)物，可以反過來保護(hù)鋼絲，抑制腐蝕的深入。鹽霧試驗150d時，Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲表面才開始出現(xiàn)少量紅銹斑點，說明鍍層開始發(fā)生失效，其中添加0.17%稀土含量的鍍層鋼絲紅銹斑更為明顯，腐蝕嚴(yán)重。從鹽霧試驗可以看出，相比于純鋅鍍層鋼絲，添加稀土的Zn-10Al鍍層鋼絲的耐蝕性能可達(dá)到其4～5倍。Al和RE的添加可以增強(qiáng)鍍層的耐蝕性，同時Zn-10Al-xRE鍍層發(fā)生腐蝕后，其致密均勻的腐蝕產(chǎn)物，可以對材料產(chǎn)生防護(hù)，抑制腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。

圖1 鍍層鋼絲經(jīng)過不同時間鹽霧腐蝕下的宏觀形貌照片

（2）電化學(xué)分析。幾種鍍層鋼絲極化曲線的測試結(jié)果如圖2所示，極化曲線參數(shù)值見表2?？梢钥闯?，幾種鍍層的自腐蝕電位Ecorr差別不大，都擁有較小的腐蝕傾向性，其中添加0.08% RE的鍍層鋼絲擁有最小的腐蝕傾向性。鍍層鋼絲的腐蝕電流密度Jcorr隨稀土含量的增加先減小后增大，Jcorr越小，證明鍍層耐蝕能力隨稀土含量的增加也是先增大再減小，添加0.08%RE的合金鍍層擁有最高的耐蝕能力。這可能是由于一定量的稀土可以凈化鍍液，改善鍍層的質(zhì)量，提高耐蝕性；同時稀土元素活性較強(qiáng)，易于富集，且可以改善合金鍍層Al2O3的完整性，但過量的稀土也容易富集在晶界，破壞鍍層的結(jié)構(gòu)[10-11]。由圖2和表2可以看出，鍍鋅鋼絲的腐蝕電流密度小于幾種添加稀土的鋅鋁鍍層，這與鹽霧試驗的結(jié)論產(chǎn)生了一定矛盾，這可能是由于Zn-10Al-xRE的腐蝕產(chǎn)物的原因，鋅鋁鍍層的腐蝕產(chǎn)物由于Al和RE的添加，可形成致密的腐蝕產(chǎn)物包裹在鋼絲表層，阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，從而提高鍍層的耐蝕性。

圖2 幾種鍍層鋼絲的極化曲線

表2 幾種鍍層鋼絲的極化曲線參數(shù)

（3）腐蝕形貌分析。圖3為幾種鍍層鋼絲腐蝕120d后的表面形貌，可以看出，幾種Zn-10Al-xRE的鍍層表面腐蝕產(chǎn)物較為均勻、致密，起到了耐腐蝕作用，而鍍鋅鋼絲表面的腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，鹽霧可通過這些孔隙對鍍層深處和基體進(jìn)一步腐蝕。在高倍電鏡下，鋅鋁稀土鍍層的腐蝕產(chǎn)物從形態(tài)上看可以分為韌窩狀、球狀、針片狀。添加0.08%稀土的鋅鋁鍍層中，含有典型的韌窩狀腐蝕產(chǎn)物；針片狀的腐蝕產(chǎn)物主要出現(xiàn)在添加0.14%和0.17%稀土的鋅鋁鍍層中；球狀的腐蝕產(chǎn)物在每種鍍層中都有，在添加Zn-10Al-0.11RE鍍層中最多。

圖3 腐蝕120d后鍍層鋼絲表面的SEM形貌

圖4 高倍下腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌

3.結(jié)論

（1）添加了稀土的Zn-10Al鍍層其耐蝕性均遠(yuǎn)超過純Zn鍍層，可達(dá)到純鋅鍍層4～5倍左右。（2）Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲的耐蝕性能隨稀土含量的上升先升高再降低，添加0.08% RE的Zn-10Al鍍層耐蝕性最好。（3）純鋅鍍層的腐蝕產(chǎn)物較為疏松，Zn-10Al-xRE的腐蝕產(chǎn)物較為致密，Zn-10Al-xRE中腐蝕產(chǎn)物可分為韌窩狀、球狀及針片狀，耐蝕性能最好的Zn-10Al-0.08RE鍍層中含有大量韌窩狀腐蝕產(chǎn)物。

大跨徑橋梁大多應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，主要借助空間受力體系。如果采用傳統(tǒng)的空間應(yīng)力解析算法，橋梁求解難度較大。所以對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼構(gòu)橋分析大多采用第三方有限控制元程序的模擬實驗進(jìn)行施工過程分析。設(shè)計基于有限元分析方法，設(shè)計了正向分析法，對大跨徑橋梁參數(shù)予以確定[2]。