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.南京航空航天大學材料科學與技術學院 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件，纜索由高強度鋼絲組成[1]。橋梁長期處于含有水霧的大氣環境中，因此很容易遭到腐蝕破壞，發生失效。熱浸鍍金屬鍍層是一項纜索工業中常用的腐蝕防護技術，通過在鋼絲表面浸鍍一層金屬，從物理隔離及電化學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]。傳統鍍層成分常采用純鋅，但其耐蝕性能有限。研究發現，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的添加可以增強鍍液的流動性，抑制Zn和基體間的反應，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保護膜，阻止鍍層內部腐蝕。當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，形成致密的保護膜，減小腐蝕速率。適量的稀土能夠脫除鍍液中的O、S雜質，還能細化晶粒[6-8]。Zn-5Al-RE是一種成功結合Al和RE元素功能性的鍍層，其在工業中已經得到廣泛應用。Zn-10Al-RE也是一種性能優異的鍍層[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。基體為6.0mm的橋梁纜索用冷拉高強度鋼絲。采用雙鍍法，先進行一次鍍鋅，再進行一次鍍鋅鋁，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（質量分數，%）

（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物進行物相分析。

（3）電化學測試。采用CHI604D電化學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，進行極化曲線的測試。

2.試驗結果及分析

（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，純鋅鋼絲開始出現紅銹，證明純鋅鍍層已經破壞，Zn-10Al-xRE鍍層鋼絲表面開始出現少量白銹。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紅銹，證明鋼絲基體并未發生腐蝕，鍍層發生腐蝕后產生致密的腐蝕產物，可以反過來保護鋼絲，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少量紅銹斑點，說明鍍層開始發生失效，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到其4～5倍。Al和RE的添加可以增強鍍層的耐蝕性，同時Zn-10Al-xRE鍍層發生腐蝕后，其致密均勻的腐蝕產物，可以對材料產生防護，抑制腐蝕的進一步發生。

圖1 鍍層鋼絲經過不同時間鹽霧腐蝕下的宏觀形貌照片

（2）電化學分析。幾種鍍層鋼絲極化曲線的測試結果如圖2所示，極化曲線參數值見表2。可以看出，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，改善鍍層的質量，提高耐蝕性；同時稀土元素活性較強，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，破壞鍍層的結構[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，這與鹽霧試驗的結論產生了一定矛盾，這可能是由于Zn-10Al-xRE的腐蝕產物的原因，鋅鋁鍍層的腐蝕產物由于Al和RE的添加，可形成致密的腐蝕產物包裹在鋼絲表層，阻止腐蝕的進一步發生，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

（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物疏松多孔，鹽霧可通過這些孔隙對鍍層深處和基體進一步腐蝕。在高倍電鏡下，鋅鋁稀土鍍層的腐蝕產物從形態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物；針片狀的腐蝕產物主要出現在添加0.14%和0.17%稀土的鋅鋁鍍層中；球狀的腐蝕產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 高倍下腐蝕產物的SEM形貌

3.結論

（1）添加了稀土的Zn-10Al鍍層其耐蝕性均遠超過純Zn鍍層，可達到純鋅鍍層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）純鋅鍍層的腐蝕產物較為疏松，Zn-10Al-xRE的腐蝕產物較為致密，Zn-10Al-xRE中腐蝕產物可分為韌窩狀、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物。

大跨徑橋梁大多應用預應力混凝土連續鋼構橋結構，主要借助空間受力體系。如果采用傳統的空間應力解析算法，橋梁求解難度較大。所以對于預應力混凝土連續鋼構橋分析大多采用第三方有限控制元程序的模擬實驗進行施工過程分析。設計基于有限元分析方法，設計了正向分析法，對大跨徑橋梁參數予以確定[2]。