添加稀土元素的熱浸鍍鋅組織性能

謝美芳　林生軍

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南　平頂山　467001；2.平高集團有限公司，河南　平頂山　467001）

添加稀土元素的熱浸鍍鋅組織性能

謝美芳1林生軍2

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山467001；2.平高集團有限公司，河南平頂山467001）

熱鍍鋅技術是在金屬鋅中添加合金元素鎂、鋁，提高熱鍍鋅層的耐腐蝕性能。而隨著自然環境的惡化，其耐腐蝕性能遇到嚴重挑戰。稀土元素可以改善熱鍍鋅的耐腐蝕性能，近年來成為行業研究熱點。基于此，通過配置添加稀土氧化物Ce2O3的熱鍍鋅涂層，得到了組織致密熱鍍鋅涂層，其耐腐蝕性能獲得了極大的提高。

熱鍍鋅；稀土氧化物；腐蝕

熱鍍鋅覆蓋能力好，鍍層致密，無有機物夾雜。而且腐蝕一旦開始，還具有一定的自愈合能力，即熱鍍鋅層一旦受到破壞，鋅層將會迅速生成致密的ZnO與Zn（OH）2混合物層填補在原位置，這是鍍鋅層的自修復，自修復對基體重新起到保護作用［1］。鋼鐵材料多是以熱鍍鋅作為防護層，但在腐蝕比較苛刻的區域，普通熱鍍鋅技術逐漸受到了嚴重挑戰。傳統上，熱鍍鋅涂層中經常添加的元素包括鋁（Al）、鎂（Mg）等。Al可以減少生產過程中鋅液的氧化，而且Al經常富集在鋼基體與鍍層的界面上，阻滯Fe-Zn合金層反應，避免產生裂紋。Mg可以明顯提高鍍層的耐腐蝕性能。近年來，科研工作者開始在熱鍍鋅配方中添加稀土氧化物來改善熱鍍鋅涂層的耐腐蝕性能，其含量是依靠經驗獲得。本文立足已有的研究成果，配置添加稀土氧化物的熱鍍鋅材料進行工藝研究，為生產提供借鑒。

1　試驗

配置了6種熱鍍鋅配方，質量分數（wt%）：Al 2.50；Mg 3.00；Ce2O3分別為0.00、0.05、0.10、0.15、0.20和0.30；Zn，余量。6種配方分別標記為1#、2#、3#、4#、5#與6#。基材為Q235。

工藝路線為：酸洗，15%的鹽酸酸洗至無銹→水洗→助鍍（助鍍劑：87g/L ZnCl2+102g/L NH4Cl，溫度為80～100℃，時間為40～60s）→烘干→熱鍍（溫度為440～460℃，時間浸鍍時間為50～300s）→鈍化（鉻酸鹽）→水冷。

鍍層與基體的結合采用4XC蔡司金相顯微鏡觀察。銅加速乙酸鹽霧試驗條件：溫度50±2℃，沉降率1～2mL/ 80cm2·h，鹽水pH=3.0～3.1，收集pH=3.1～3.3，NaCl 50± 5g/L，CuCl20.26±0.02g/L，加入乙酸保證pH值。硬度測試采用HV-1000A顯微硬度計，載荷大小50g，加載時間為15s。熱鍍鋅涂層結合力采用WS-92涂層附著力劃痕試驗機進行測試，壓頭水平滑動速度4mm/min，垂直方向載荷加載速度為100N/min，以鍍層破壞時壓力值作為結合性能的衡量標準。

2　結果與討論

2.1涂層與基體結合

涂層的結合狀況，無稀土氧化物的1#熱鍍鋅配方，鍍層與基體實現了良好的結合，但是在鍍層內部，存在比較多的空洞缺陷，不理想。添加0.05%的稀土氧化物2#熱鍍鋅配方，涂層與基體保持著良好的結合狀態，但稀土氧化物含量較低，涂層內部仍舊存在較多的氣孔。添加0.10%的稀土氧化物3#熱鍍鋅配方，氣孔逐漸減少。稀土氧化物含量增加至0.15%的4#熱鍍鋅配方，涂層內部氣孔已經很少。稀土氧化物含量至0.20%的5#熱鍍鋅配方，涂層內部已沒有了氣孔，獲得涂層比較理想。稀土氧化物含量至0.30%的6#熱鍍鋅配方，涂層內部致密程度已經變化不大，與含量為0.20%差不多。無稀土氧化物添加形貌如圖1（a）所示，稀土氧化物添加含量為0.20%的形貌如圖1（b）所示。

稀土氧化物含量明顯影響著熱鍍鋅涂層質量的好壞。無稀土添加，涂層與基體結合良好，滿足了產品的技術要求，但在苛刻環境服役，耐腐蝕性能有待提高。添加了稀土，涂層內部組織比較致密，保證各個區域性能的連續，對性能會有好的影響。另外，稀土氧化物的添加含量也是重要的因素，含量過少，不能充分改善涂層的組織狀態，只有達到了一定的含量，作用才能明顯顯現出來。稀土氧化物含量為0.20%時，已經獲得滿意的組織。

圖1　無稀土與稀土氧化物添加形貌

2.2厚度統計

生產上，公司使用的熱鍍鋅厚度規定為最小不允許低于80μm，平均值不允許低于100μm。所以，為了滿足使用要求，且測試數據對生產具有一定的指導性，所以生產過程中選擇厚度大于100μm，且厚度相差不大的試片進行研究。試驗中分別挑選厚度差不多的6種試片進行厚度測試。無稀土添加時熱鍍鋅厚度平均值為118μm，添加稀土氧化物的新型熱鍍鋅厚度介于117～123μm，二者相差不大，具有一定的可比性，具體數據見表1。

表1　鍍鋅層厚度

2.3耐腐蝕性能

本文選用銅加速乙酸鹽霧試驗測試了熱鍍鋅層的耐腐蝕性，以紅銹出現時間作為依據，測試周期為24h，結果如表2所示。總體來看，稀土氧化物有助于提高熱鍍鋅層抗腐蝕性能。無稀土氧化物1#熱鍍鋅涂層在144h出現紅銹。稀土含量較少的體系2#與體系3#，試片在192h出現紅銹。體系4#在216h出現紅銹。體系5#與體系6#則在264h出現紅銹，這兩種體系耐腐蝕性能與無稀土添加的熱鍍鋅涂層比較增加90%以上。

表2　紅銹出現時間及耐蝕性能比較

從圖1中熱鍍鋅層的組織看，無稀土熱鍍鋅組織缺陷較多，易發生腐蝕，因此腐蝕的速度最快，如體系1#。而體系2#、體系3#、體系4#，雖添加了稀土元素，但含量較低，所以試片很快出現了紅銹，沒有達到最佳效果。從涂層組織狀況看，體系5#、體系6#已經非常致密，其耐腐蝕性能也最優，折合成腐蝕速度為0.45μm/h。綜合考慮稀土元素的價格與達到的性能確定最佳工藝配方為體系5#。

表3　硬度測試值

2.4鍍層結合力測試

熱鍍鋅涂層結合力采用WS-92涂層附著力劃痕試驗機進行測試，壓頭滑動速度4mm/min，垂直方向載荷加載速度為100N/min。同期測試了未添加稀土氧化物的體系1#熱鍍鋅層與優選的體系5#熱鍍鋅層。體系1#樣品鍍層載荷達到79.00N左右時鍍層完全被劃破，而添加稀土氧化物的體系5#樣品鍍層載荷達到88.60N左右時鍍層被劃破，可以看出添加稀土氧化物后，涂層結合狀況明顯改善，這是由于稀土元素的添加降低了相界能與晶界能，在受到外加載荷時能夠減緩裂紋擴展速率，從而提高界面的結合力。

2.5鍍層硬度

為了比較試驗中對體系1#、體系5#涂層硬度進行了測試，測試數據統計如表3所示，二者硬度幾乎都約在Hv48左右，相差不大。添加稀土元素后，硬度仍舊能夠滿足使用要求。測試過程中對熱鍍鋅的形貌進行了觀察（見圖2），發現無稀土氧化物的熱鍍鋅層晶粒粗大，晶界明顯。體系5#熱鍍鋅晶粒細小，看不出晶粒邊界。理論上，添加稀土元素的熱鍍鋅層晶粒更加細小，能夠提高涂層的硬度。這里5#熱鍍鋅涂層硬度并沒有提高，主要原因在于稀土元素屬于金屬材料的“味精”，在金屬內部，添加較少并不能明顯提高材料性能，添加過多容易引起材料軟化。研究中為了保證涂層的耐腐蝕性能，添加稀土元素偏多致使硬度沒有得到提升，但與現行工藝技術比較，硬度相差不多，可以滿足使用。

圖2　硬度與表面組織

3　結論

本文配置了添加稀土氧化物Ce2O3的熱鍍鋅涂層，并與傳統的熱鍍鋅涂層進行了比較，結果最佳配方質量分數（wt%）為Al 2.50、Mg 3.00、Ce2O30.20，此時熱鍍鋅層與基體結合良好，為熱鍍鋅層硬度與傳統熱鍍鋅相當，耐腐蝕性能較無稀土添加的熱鍍鋅涂層提高90%。

［1］黃永智，李運剛.熱鍍鋅及鋅合金技術的發展概述［J］.電鍍與精飾，2012（2）：21-24.

Microstructure and Properties of Hot Dip Galvanized with Rare Earth Elements

Xie Meifang1Lin Shengjun2
（1.Henan Ping High Electric Limited by Share Ltd，Pingdingshan Henan 467001；2.Ping Gao Group Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Hot dip galvanizing technology is to add magnesium and aluminum in the zinc metal，to improve the corrosion resistance of hot dip galvanized coating.With the deterioration of the natural environment，the corrosion resistance of the alloy is severely challenged.Rare earth elements can improve the corrosion resistance of hot dip galvanized steel，which has become a hot research topic in recent years.Based on this，by the galvanizing coating adding rare earth oxide Ce2O3configuration，the microstructure of hot dip galvanized coating was obtained，its corrosion resistance has been greatly improved.

hot dip galvanized；rare earth oxide；corrosion

TG174.44

A

1003-5168（2016）06-0124-03

2016-05-20

謝美芳（1981-），女，工程師，研究方向：高壓電器。