熱鍍鋅工藝參數對鋼絲鍍層性能影響的分析*

□ 彭安華 □ 顧爭光 □ 張宜震 □ 高修廳

1.江蘇海洋大學 機械工程學院 江蘇連云港 222005 2.江蘇凱威新材料科技有限公司 江蘇宿遷 223800

1 分析背景

鋼絲繩由若干股鋼絲按照一定的規則和工藝要求捻制而成,強度高,韌性好,自身質量輕,不易整根折斷,在工業界和日常生活中得到越來越廣泛的應用。鋼絲繩常用于電梯、礦山機械、起重機械、觀光索道、升降機、港口碼頭等。鋼絲繩如果在高應力環境中使用,極易造成應力腐蝕。鋼絲繩在海洋環境中使用,由于空氣潮濕并且富含氯離子,腐蝕嚴重。有關資料統計表明,每年因腐蝕而報廢的金屬制品大約相當于生產量的20%,由于金屬制品腐蝕而造成的經濟損失占國民經濟總值的2%～4%。金屬制品腐蝕還會造成材料強度下降,嚴重影響使用壽命。研究發現,鋅元素可以防止金屬腐蝕。鋅的化學性質活潑,在常溫空氣中,材料表面生成一層薄而致密的堿式氯化鋅,能有效阻止腐蝕。鋼絲熱鍍鋅之后,耐腐蝕性大大提高,使用周期也隨之變長。工業上常用的鍍鋅方法有熱浸鍍鋅、電鍍鋅、機械鍍鋅、熱噴涂鍍鋅等。熱浸鍍鋅是將鋼絲浸入熔融液態鋅中獲得鍍層的一種工藝技術,自1741年從實驗室獲得熱鍍鋅層以來,熱浸鍍鋅在耐機械磨損、防腐蝕、與基體結合性等方面均表現出較好的性能。鋼絲繩經熱浸鍍鋅處理后,大氣環境中使用壽命一般可達15～20 a。由此,熱浸鍍鋅成為一種應用最廣泛、性價比最優的鋼絲表面處理方法。江蘇凱威新材料科技有限公司在鋼絲熱鍍鋅過程中發現,鍍層有時出現鋅瘤、漏鍍、針孔、氣泡等缺陷。筆者在闡述熱鍍鋅工藝過程的基礎上,著重分析熱鍍鋅工藝參數對鍍層性能的影響,以期找到較好的熱鍍鋅工藝參數,提高鍍層的表面質量和耐腐蝕性。

2 熱鍍鋅鋼絲生產流程

試驗用材料為由φ8 mm SWRH82B熱軋盤條材料拉伸至φ1.34 mm的鋼絲。在拉伸之前,要進行機械去皮、堿洗、酸洗、磷化等前處理工序。在多道次拉拔中,還要合理安排熱處理,以消除加工硬化,恢復鋼絲的塑性和韌性。鋼絲熱鍍鋅在發生化學反應中伴隨鋅和鐵原子擴散的物理變化過程,工藝分為溶劑法和森吉米爾法。溶劑法熱鍍鋅工藝流程如圖1所示。

▲圖1 溶劑法鋼絲熱鍍鋅工藝流程

(1)助鍍處理。將經過前處理的鋼絲浸蘸在由氯化鋅和氯化銨組成的混合助鍍液中,溶劑溫度控制在50～65 ℃,可有效減少氯化銨的揮發,作用是進一步清洗鋼絲表面殘留的鐵鹽、氧化物及其它臟物。凈化后的鋼絲浸入鋅液,使鋼絲與液態鋅快速浸潤并反應,在鋼絲表面生成一層鹽膜,從而將鋼絲表面與空氣隔絕,防止進一步氧化。

(2)烘干。采用高頻感應裝置對助鍍處理后的鋼絲進行烘干預處理,烘干至鋼絲表面的助鍍劑呈現白色結晶狀態。

(3)熱浸鍍。將烘干后的鋼絲浸入鋅鍋進行熱浸鍍,通過陶瓷壓線軸的左右擺動,保證鋼絲通過噴嘴孔徑中心,從而使鋼絲抹拭時在同一圓周各方向上所受抹拭力相同。

(4)抹拭。利用抹拭物體刮擦鍍層的液態表面,可以減小漏鍍面積,提高鍍層表面的平整性和熱鍍鋅的耐腐蝕性。常見的抹拭方法有石棉抹拭、油木炭抹拭、電磁模式抹拭、氣體抹拭等。由于氣體抹拭提供的抹拭力持續均衡,并且調整較為方便,因此試驗采用氣體抹拭。

(5)水冷。通過噴淋水冷裝置對鍍鋅后的鋼絲降溫冷卻,與浸洗法相比,用少量的水就可以得到較好的冷卻、洗凈效果。

3 鍍層性能判斷

3.1 表面質量

鍍層的表面質量一般使用肉眼直接觀察,光澤度好,均勻致密,無漏鍍、針孔、鋅瘤、氣泡等缺陷的產品可以評為高質量的鍍鋅產品。如出現針孔、開裂、黑斑等缺陷,可判定為不合格產品。按照漏鍍面積、針孔、鋅瘤占鍍層面積的比例大小,將鍍層的表面質量分為六個級別,見表1。

表1 鍍層表面質量級別

3.2 鍍層質量

鍍層質量的測定有質量法和氣體法,試驗采用質量法確定鍍層的面質量。

(1)測定用溶液的制備。將5 g六次甲基四胺溶于500 mL濃度為37%的氯化氫溶液,然后加入去離子水,使溶液體積達到1 000 mL。

(2)試樣制備。試樣長度為300～600 mm,試樣在試驗前要用乙醇、汽油、甲苯等溶劑擦洗。

(3)試驗步驟。第一步,稱量去除鍍層前的質量。第二步,將試樣完全浸置在試驗溶液中,觀察氣泡的變化,當氣泡逐漸減少至不再產生,說明鍍層完全溶解,取出試樣,立即水洗后用棉布擦凈,并充分干燥,稱量試樣去除鍍層后的質量。第三步,測量試樣去除鍍層后的直徑。

(4)試驗結果計算。鋼絲鍍層面質量為:

W=(W1-W2)×C×10-6/W2

(1)

式中:W為鋼絲鍍層面質量系;W1為試樣去除鍍層前的質量;W2為試樣去除鍍層后的質量;d為試樣去除鍍層后的直徑;C為體積系數,C=1 960 g/mm3。

4 工藝參數對鍍層性能影響

4.1 鋼絲走絲速度

在其它參數按照經驗確定的基礎上,設定走絲速度為20～80 m/min,每隔5 m/min取一個值,研究鍍層面質量、鍍層表面質量與鋼絲走絲速度之間的關系。鋼絲走絲速度與鍍層面質量的關系如圖2所示,鋼絲走絲速度與鍍層表面質量的關系如圖3所示。

由圖2可知,鋼絲走絲速度越快,鍍鋅量就越大。鋼絲走絲速度由20 m/min加快到45 m/min,鍍鋅量增大的速度最快,鍍鋅量迅速增大至115 g/m2。鋼絲走絲速度快于45 mm/min后,鍍鋅量增大的趨勢有所減緩。由圖3可知,鋼絲走絲速度由20 m/min加快到30 m/min,鍍層表面質量提高;鋼絲走絲速度在30～45 m/min區間時,鍍層表面質量變化不大,并且比較好;鋼絲走絲速度快于45 m/min后,鍍層表面質量開始降低,原因主要是鋼絲走絲速度過快,鋼絲對鍍液有冷卻作用,使鍍液表面溫度下降,鍍液黏度提高,流動性降低,鍍層表面質量降低。由此可見,鋼絲走絲速度為45 m/min是最佳參數。

▲圖2 鋼絲走絲速度與鍍層面質量關系

▲圖3 鋼絲走線速度與鍍層表面質量關系

4.2 浸鍍溫度

固定鋼絲走絲速度為45 m/min,其它參數按照經驗確定,浸鍍溫度在420～490 ℃區間每隔10 K取一個值,研究鍍層面質量、鍍層表面質量與浸鍍溫度之間的關系。浸鍍溫度與鍍層面質量的關系如圖4所示,浸鍍溫度與鍍層表面質量的關系如圖5所示。

從圖4可以看出,浸鍍溫度在420～450 ℃區間,隨著溫度升高,鍍鋅量減小,浸鍍溫度超過450 ℃后,鍍鋅量開始增大。這是因為浸鍍溫度在420～450 ℃區間,溫度越高,流動性越好,鋼基體與鍍液浸潤性越好,鍍鋅量逐漸減小至93 g/m2。浸鍍溫度由450 ℃升高至490 ℃,由于溫度過高使鍍層面質量增大。從圖5可以看出,浸鍍溫度在420～450 ℃區間,浸鍍溫度越高,鍍層表面質量越好;浸鍍溫度超過450 ℃后,鍍層表面質量逐漸降低。原因是浸鍍溫度較低時,鍍液流動性差,鍍液表面漂浮雜質,鍍件上升時,鍍件表面會粘附雜質,冷卻后形成鋅瘤。浸鍍溫度過高也會使鍍液底部產生雜質,粘連至鍍件表面,造成鍍件表面粗糙,鍍層表面質量降低。浸鍍溫度在440～450 ℃區間,鍍層表面質量較好,沒有漏鍍、鋅瘤、色澤等缺陷,可以根據經濟性原則選定440 ℃為最佳浸鍍溫度。

▲圖4 浸鍍溫度與鍍層面質量關系

▲圖5 浸鍍溫度與鍍層表面質量關系

4.3 氣體加熱溫度

在抹拭工藝中采用氮氣作為噴射介質,在其它參數不變的情況下,研究氣體加熱溫度對鍍層表面質量的影響規律,試驗結果如圖6所示。氣體加熱溫度低于420 ℃時,鋼絲表面鍍液流動性不足,此時鍍層容易出現鋅瘤、竹節等缺陷,鍍層表面質量較差。隨著氣體加熱溫度升高,鋼絲表面鍍液流動性變好,抹拭效果提高,進而提高了鍍層表面質量。氣體加熱溫度由420 ℃升高至440 ℃時,鍍層表面質量基本不變,氣體加熱溫度為420 ℃時抹拭效果最好。

4.4 噴嘴高度

噴嘴高度指噴嘴與鍍液面的距離,鋼絲離開鋅液上升時,鋼絲表面浸鍍溫度降低,鍍液的黏度提高,氣刀抹拭力不足以刮去鍍層表面殘余的物質,因此噴嘴高度必須要有一定限制。一般情況下,噴嘴高度的范圍為10～20 mm。分別取噴嘴高度為10 mm和20 mm,研究鋼絲走絲速度與鍍層面質量之間的關系,如圖7所示。由圖7可見,當鋼絲走絲速度慢于45 m/min時,噴嘴高度越低,鍍鋅量越大;當鋼絲走絲速度快于45 m/min時,噴嘴高度越高,鍍鋅量越大。所以,當鋼絲走絲速度快時,應適當增大噴嘴高度,以降低鋼絲表面鋅液的流動性,否則會因鋼絲表面鋅液流動性強而引起鋅液飛濺,導致噴嘴堵塞;若鋼絲走絲速度慢,噴嘴高度又高,則鋼絲表面鋅液的流動性很差,此時在噴嘴的噴射下,流動性差的鋅液可能成塊狀掉落,由此鍍層面質量減小。對此,為維持鋅液的流動性,需要降低噴嘴高度。

▲圖6 氣體加熱溫度與鍍層表面質量關系

▲圖7 不同噴嘴高度時鋼絲走絲速度與鍍層面質量關系

4.5 噴嘴角度

噴嘴角度指噴嘴噴出氣流的方向與鋼絲之間的夾角,一般規定當噴出氣流垂直于鋼絲時為0°,氣流方向沿鋼絲前進方向噴嘴角度為正,氣流方向與鋼絲前進方向相反噴嘴角度為負。鋼絲垂直鋅液面向上運動,被帶出鋅鍋的鍍液會受到豎直向下的重力,正噴嘴角度吹氣時,反而會給鍍液一個豎直向上的支撐力,所以以正噴嘴角度噴吹不會抹拭掉鍍層表面殘留雜質,因而也不會使鍍層鍍鋅量減小。因此,通常噴嘴角度為-45°～0°,在此范圍內,噴嘴角度越小,抹拭力越大。當噴嘴角度為-45°時,鍍層表面質量最好。

5 結束語

筆者通過試驗分析了熱鍍鋅工藝參數對鋼絲鍍層性能的影響。為得到較好的鍍層性能,鋼絲走絲速度確定為45 m/min,浸鍍溫度確定為440 ℃,氣體加熱溫度確定為420 ℃,噴嘴角度確定為-45°,噴嘴高度與鋼絲走絲速度為正相關。下一步還需研究各工藝參數之間可能存在的交互作用,考慮工藝參數之間的交互作用后,工藝參數的最佳取值可能會有變化,但不會影響分析結論對工藝參數選擇的指導作用。