輸電鐵塔熱浸鍍鋅層表面呈色機(jī)理研究

葉德生，孫茂珍

（中電建成都鐵塔有限公司，四川 成都 610213）

輸電鐵塔所用的材料一般都是鋼材，鋼材在露天環(huán)境中使用，會(huì)逐漸發(fā)生腐蝕破壞，即逐漸生銹，熱浸鍍鋅是保護(hù)鋼材免受腐蝕的最有效最經(jīng)濟(jì)的方法，目前所使用的輸電鐵塔幾乎都采用熱浸鍍鋅工藝進(jìn)行防腐。按目前國(guó)內(nèi)通用的鍍鋅工藝鍍出的鐵塔外觀為閃閃發(fā)亮的銀白色，在高原地區(qū)視覺(jué)沖擊大，在自然保護(hù)區(qū)與周邊環(huán)境不和諧，為了使鍍鋅鐵塔環(huán)境友好，需要將鍍鋅鐵塔外觀呈色與所處自然環(huán)境顏色融合，因此需要對(duì)鍍鋅表面呈色機(jī)理進(jìn)行研究。本文主要從熱鍍液合金調(diào)整方面進(jìn)行熱浸鍍鋅層表面呈色機(jī)理研究。

1 彩色熱鍍液合金體系選擇

Mn和Ti均有比Zn負(fù)的氧勢(shì)，且均可以形成比較多樣化的不同價(jià)態(tài)氧化物，如Mn可以形成MnO、Mn3O4、Mn2O3和 MnO2，而 Ti可 以 形 成 TiO、Ti2O3、Ti3O5和TiO2等。以上兩種合金化元素具有較好的擇優(yōu)氧化呈色性能[1]，本研究選擇一定含量范圍的Zn-Mn、Zn-Ti進(jìn)行呈色性研究，并進(jìn)一步對(duì)Zn-Mn-Ti體系鍍液進(jìn)行呈色性研究。

圖1為Zn-Mn二元合金相圖。純Zn的熔點(diǎn)為419.58℃，Mn含量為1.4 at.%（1.17wt.%）時(shí)，在417.25℃處出現(xiàn)共晶反應(yīng)L?ζ+(Zn)，共晶溫度下Mn在(Zn)中的固溶度為0.53～0.58at.%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.45～0.49wt.%)，在200℃時(shí)<0.02 at.%(0.0017wt.%)。據(jù)此，本研究中Mn的添加量為完全固溶的(Zn)單相區(qū)或靠近最大固溶度附近的亞共晶組成，其含量為0.05～0.7wt.%。

圖1 Zn-Mn二元相圖

圖2為Zn-Ti二元合金相圖。Ti含量為0.21wt.%（0.15wt.%）左右時(shí)，在418.6℃處出現(xiàn)共晶反應(yīng)L?Zn15Ti+(Zn)，共晶溫度下Ti在(Zn)中的固溶度為0.0006at.%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.00044wt.%)，在200℃時(shí)<0.02 at.%(0.0017wt.%)[2]。本研究在探索Zn-Ti鍍液的呈色性時(shí)，也在較大范圍進(jìn)行展開(kāi)試驗(yàn)，其含量為0.05～0.5wt.%。考慮到Ti在Zn中的固溶度極低，且Ti在Zn中因密度差易產(chǎn)生一定程度的比重偏析[3]，另外，Ti的氧勢(shì)比Mn負(fù)很多，含量太多也易因高氧化性而降低鍍液熱浸鍍工藝性，這些已經(jīng)為工藝試驗(yàn)所證實(shí)，因此，在Zn-Mn-Ti三元鍍液研究中，Ti的添加量控制較低的水平，其含量為0.06wt.%。

圖2 Zn-Ti二元相圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)主要工藝流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

2.1 中間合金及鍍液配制過(guò)程

（a）中間合金配制：由于Mn和Ti的熔點(diǎn)均比Zn高得多，分別為1246℃和1670℃，因此難以直接采用純金屬配制合金，且組成不好控制，因此，必須采用中間合金配制熱鍍鋅液。中間合金采用坩堝式電阻爐熔煉，首先，將一定質(zhì)量的鋅錠放入坩堝中，隨爐加熱至550℃；待鋅錠完全熔化并穩(wěn)定在550℃時(shí)，分批加入Ti或Mn。由于Ti的密度（4.54g/cm3）較Zn的密度（7.14g·cm3）小很多，而錳呈不規(guī)則片狀電解錳，兩者加入鋅液后都易浮于液面，難以下沉。故添加合金元素Ti、Mn時(shí)，須同時(shí)充分?jǐn)嚢瑁鬂茶T在水冷銅模中。中間合金配制試驗(yàn)用料分別有鋅、鈦、錳等材料，其成分分析如表1所示。金屬鈦為33mm的鈦顆粒，錳為成1mm～10mm的不規(guī)則片狀電解錳。獲得的中間合金成分分別為Zn-11.55wt.%Mn和Zn-2.925wt.%Ti。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的分析組成

（b）彩色鍍液配制：鍍液配制也在坩堝式電阻爐中進(jìn)行。先將一定質(zhì)量的純鋅錠放入坩堝中，隨爐加熱熔化并穩(wěn)定至500℃保溫，之后將中間合金加入鋅液中，同時(shí)攪拌并下壓中間合金，使其完全在液面下熔化。待中間合金完全熔化后，充分?jǐn)嚢?-5分鐘后靜置，即可進(jìn)行熱浸鍍操作。

2.2 鋼板試樣及其預(yù)處理

（a）鋼板試樣定尺：被鍍鋼板試樣為50×70×1.2mm和50×70×2.0mm的冷軋鋼板，于縱向頂端中央打孔，并穿入細(xì)鐵絲，便于表面處理及浸鍍等操作過(guò)程中拿持。

（b）鋼板試樣與處理：試樣首先用溫度為80℃～90℃濃度為6wt.%的DiLi-835金屬洗滌劑浸泡30min進(jìn)行堿洗除油，之后用由36%～38%濃鹽酸稀釋得到的10%鹽酸溶液浸泡30min進(jìn)行酸洗；之后用溫度為60℃濃度為35%的氯化鋅銨（ZnCl2·3NH4Cl）溶液進(jìn)行助鍍1min。在每個(gè)操作之后均用自來(lái)水充分清洗，助鍍后在空氣中自然晾干。為安全起見(jiàn)，熱浸鍍前經(jīng)助鍍后的試樣在130℃空氣中保溫1min以防助鍍層吸濕。

3 Zn-Mn和Zn-Ti二元實(shí)驗(yàn)鍍液呈色效果

3.1 二元鍍液的呈色效果

鍍液熱浸鍍呈色的基本機(jī)理是呈色元素的高溫?fù)駜?yōu)氧化形成呈色氧化物或氧化膜干涉呈色，鍍液的成分和熱浸鍍工藝共同決定了鍍層的色彩[4]。因此，弄清楚鍍液組成與相應(yīng)熱浸鍍工藝參數(shù)的結(jié)合對(duì)呈色彩色的影響至關(guān)重要。為此配制了標(biāo)稱組成如表2所示的熱鍍液。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鋼板試樣為50×70×1.2mm，依次在溫度間隔為10℃～20℃之間的不同組成的熱浸鍍鍍液中浸鍍；熱浸鍍時(shí)間為1min左右；之后在室溫空氣中冷卻。

表2 Zn-Mn和Zn-Ti實(shí)驗(yàn)彩色熱鍍液的標(biāo)稱組成

如圖4(a)所示，在不同Mn添加量和不同浸鍍溫度下，試樣表面的色彩發(fā)生顯著的變化[5]。在低Mn含量及低浸鍍溫度下有一個(gè)很大的藍(lán)色區(qū)間，隨Mn含量增加或浸鍍溫度提高，出現(xiàn)了一個(gè)較大的黃色區(qū)間，緊接在后面的是紫色、綠色以及紫色、綠色和黃色等顏色交叉的混合或雜色區(qū)。這里可以清楚看出，隨浸鍍溫度升高，試樣呈色變化順序?yàn)椋核{(lán)色－黃色－紫色－藍(lán)色，或者，藍(lán)色－黃色－綠紫色－綠色(或黃綠色)；隨Mn含量增加，試樣色彩變化趨勢(shì)為：藍(lán)色－黃色－紫色－綠色。

圖4 Zn-Mn系和Zn-Ti系在不同組成及浸鍍溫度下的室溫空冷時(shí)的呈色區(qū)間

如圖4(b)所示，對(duì)Zn-Ti二元鍍液，其呈色情況與Zn-Mn鍍液有很大不同。在Zn-Ti二元系中出現(xiàn)的區(qū)間包括藍(lán)灰色、黃色、紫色及深藍(lán)色區(qū)間等，其中，黃色區(qū)間相當(dāng)大，而紫色區(qū)間相當(dāng)小，幾乎為深藍(lán)色及黃色區(qū)間所覆蓋。圖中可見(jiàn)，隨浸鍍溫度升高，試樣呈色順序?yàn)椋核{(lán)灰色－黃色－紫色－深藍(lán)色。這一轉(zhuǎn)變順序幾乎不隨Ti含量的改變而發(fā)生變化；隨Ti含量增加，除了在呈色轉(zhuǎn)變溫度附近外，顏色不發(fā)生改變。浸鍍溫度約在490℃～550℃區(qū)間，為黃色呈色區(qū)，在高于580C左右時(shí)為深藍(lán)色呈色區(qū)，紫色區(qū)間在560℃～580℃左右，溫度區(qū)間相當(dāng)窄。

3.2 Zn-Mn-Ti三元鍍液的呈色效果的初步結(jié)果

在Zn-0.4Mn基礎(chǔ)上，進(jìn)一步添加0.06wt.%Ti，表給出了兩者在相同溫度下熱浸鍍的呈色效果比較，可見(jiàn)，在Mn含量相同情況下添加少量Ti，試樣呈色色調(diào)種類(lèi)并未發(fā)生較大改變，但顏色深度加深，色彩飽和度較高，因此，在Zn-Mn鍍液中進(jìn)一步少量添加Ti可以增加色彩飽和度。

4 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論：可以用不同成分鍍液以相應(yīng)的熱浸鍍溫度得到相同的呈色效果，即可以通過(guò)一種鍍液結(jié)合不同熱浸鍍工藝調(diào)控實(shí)現(xiàn)不同呈色效果；綠色只能在Zn-Mn系較高M(jìn)n含量鍍液在較高熱浸鍍溫度下出現(xiàn)，而兩種鍍液均可出現(xiàn)藍(lán)色、黃色、紫色和藍(lán)灰色，即Zn-Mn系是可以實(shí)現(xiàn)綠色效果的重要鍍液體系；Mn含量對(duì)呈色變化的影響比Ti含量的影響顯著得多，即增加Ti含量無(wú)法增加呈色種類(lèi)；比較而言，Zn-Mn系更易得到藍(lán)色與綠色，而Zn-Ti系更易得到黃色；銀灰色可通過(guò)呈色區(qū)間邊界交錯(cuò)雜色或接近銀灰與藍(lán)色區(qū)附近獲得；在Zn-Mn鍍液中進(jìn)一步少量添加Ti可以增加色彩飽和度。