钢绞线用Zn-Al-Mg-RE合金镀层钢丝
张国辉
摘要：对合金化镀层钢绞线的研究成果进行综述，对合金度层性能进行测试。电化学测试表明合金度层钢丝电极极化阻力远大于热镀锌层钢丝电极极化阻力，而其电极的自腐蚀电流仅是热镀锌钢丝电极的1/3左右；醋酸盐雾试验表明，合金镀层腐蚀失重比热镀锌镀层腐蚀失重低16%；中性盐雾试验表明，合金度层钢绞线的耐盐雾腐蚀能力强于热镀锌层钢绞线，其腐蚀失重较镀锌钢绞线小40%。
关键词：Zn-Al-Mg-RE合金镀层 钢丝 钢绞线
1、概述
热镀技术的发展趋势是向合金化镀层、厚镀层及专用镀层技术发展，其目的是提高镀层的耐蚀性，降低产品成本。随着20世纪70年代Galvalume铝锌硅热镀合金的问世与20世纪80年代Galfan锌铝稀土热镀合金的诞生，合金镀层钢绞线以其优异的耐腐蚀性能，迅速地被市场接受。但是生产上述两种钢绞线用热镀合金镀层钢丝，必须对传统的热镀生产线进行较大改造。鉴于上述情况，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司怀东北大学合作，研究了合金元素Al,Mg,RE对锌基热镀合金性能的影响，并确定了合金相和合金镀层钢丝的生产工艺，生产出了高性能钢绞线用合金度层钢丝。
2、合金镀层的特点
合金度层通常有以下特点：（1）耐腐蚀性能较纯锌镀层有一定的提高；（2）镀层附着性好，表面光滑；（3）镀层较纯锌镀层薄；（4）不改变原有镀锌生产线的设备与技术条件即可进行生产合金镀层钢丝。
3、合金相中各元素对镀层性能的影响
在通常热镀锌温度下，添加合金元素会影响Γ，δ1，ξ相的形成和长大。在钢丝热镀锌中，浸锌时间一般为10-15s，垂直引出时合金层厚度约占总厚度的1/3，斜向引出时合金层厚度约占总厚度的4/5。镀层组织的变化会直接影响到镀层厚度和镀层与基体的结合力[1]。有关铝、镁、稀土元素对镀层影响的定量分析研究，可参见文献[1]。
4、助镀剂的确定
对于热浸镀技术，助镀剂的作用十分重要，它直接影响镀层质量和工艺的成败。首先进行了助镀剂的选择，开展对NH4Cl，ZnCl2及其复合盐和添加碱金属卤化物等系列助镀剂的研究。采用正交试验法及优选法研究了它们的浓度、配比、添加剂加入量及助镀温度等条件对镀层质量（镀层表面、附着性、镀层重量）的影响。从中优选出好的助镀剂配方。在保证镀层质量的前提下，按照不改变现场工艺条件和简单、实用、节约的原则，选择出适宜的助镀剂为一定浓度和配比锌铵复合盐助镀剂。锌铵复合盐助镀剂优于NH4Cl助镀剂，质量分数为8%-15%，NH4Cl与ZnCl2按一定比例配入。
5、合金镀层性能测试
合金镀层钢丝的生产工艺流程为：拉丝→碱洗→水洗→酸洗→水洗→助镀→烘干→热镀→水冷→成品。对经该工艺生产的合金镀层成品钢丝进行了4个方面的测试。
5.1电化学测试
电化学测试采用三电极体系，镀层钢丝为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极。腐蚀溶液取自辽东湾的自然海水，采用EG&G公司的M173型电化学综合测试仪和M276接口进行极化曲线的测量。钢丝电极先在海水中浸泡1h，测出稳定的自腐蚀电位Ecorr后进行弱极化曲线的测量，扫描速度为0.166mV/s。极化曲线数据采用弱极化曲线拟合软件进行处理，求得自腐蚀电流密度Icorr，以评定镀层的腐蚀速率，结果见表1。
表1 镀层电化学测试
| φ2.6mm样品 | Rp/Ω | Icorr/（μA·cm-2） |
| 热镀锌（大镀） | 591.3 | 18.18 |
| 合金镀层（大镀） | 761.5 | 5.88 |
| 热镀锌（中镀） | 854.6 | 7.90 |
| 合金镀层（中镀） | 994.7 | 6.90 |
从表1可见，合金镀层钢丝电极极化阻力远大于热镀锌镀层钢丝电极极化阻力，而合金镀层钢丝电极的自腐蚀电流仅是热镀锌钢丝电极的1/3左右。可见合金镀层钢丝的耐蚀性优于热镀锌钢丝。
5.2醋酸盐雾试验
依据美国PPW-14迪尔液压活塞杆防锈试验标准（该标准等效ASTM B368，GB 6460标准），东北大学表面研究所对合金镀层钢丝和热镀锌钢丝进行了铜加速醋酸盐雾试验（CASS）。试验采用质量分数为5%的NaCl溶液，工作室温度49℃，空气预热温度49℃；在3.8L溶液中加入1g的CuCl2·2H2O，溶液pH=3.1（醋酸调节）；连续喷雾22h，盐雾沉降量为1.93mL/（cm2·h）。
试验结束后两种钢丝试样表面均附着较多白色腐蚀产物。去掉腐蚀产物后试样表面已失去金属光泽，呈灰黑色，但未露出基体。腐蚀失重结果见表2。
表2 φ2.6mm试样醋酸盐雾试验
| 镀层种类 | 腐蚀失重/g | 试样面积/cm2 | 单位面积质量损失/（10-3g·cm-2） |
| 热镀锌（大镀） | 0.241 | 48.2 | 5.0 |
| 合金度层（大镀） | 0.199 | 47.4 | 4.2 |
由表2可知，合金镀层腐蚀失重比热镀锌镀层腐蚀失重低16%，说明合金镀层耐蚀性能优于热镀锌镀层。
5.3中性盐雾试验
中科院沈阳分院理化测试中心金属腐蚀与防护测试部对热镀锌（φ2.6mm，大镀）及合金度层（φ2.6mm，大镀）钢丝进行了120h的中性盐雾试验。其结果是合金度层钢绞线的盐雾腐蚀耐蚀能力强于热镀锌层钢绞线，其腐蚀失重较镀锌钢绞线小40%以上。试验数据见表3。
表3 φ2.6mm试样中性盐雾试验
| 镀层种类 | 试样面积/cm2 | 单位面积质量损失/（10-3g·cm-2） |
| 热镀锌钢丝（大镀） | 46.5 | 3.45 |
| 合金度层钢丝（大镀） | 47.1 | 2.04 |
5.4力学性能试验
Zn-Al-Mg-RE合金镀层钢丝经100%检测，其各项力学性能均符合YB/T5004-2001标准的要求。具体数据见表4。
表4 合金镀层钢丝力学性能试验统计
| 钢丝直径/mm | 试样总件数 | 抗拉强度/MPa | 试样件数 | 扭转次数（≥） | 伸长率/% | ||
| YB/T5004-2001 | X平均 | YB/T5004-2001 | X平均 | ||||
| 2.2 | 1468 | 1270 | 160 | 16 | 25 | 3.0 | 5.5 |
| 1370 | 500 | 14 | |||||
| 1470 | 808 | 14 | |||||
| 2.6 | 860 | 1270 | 60 | 16 | 20 | 3.0 | 5.5 |
| 1370 | 380 | 14 | |||||
| 1470 | 420 | 14 | |||||
5.5Zn-Al-Mg-RE合金镀层质量
Zn-Al-Mg-RE合金镀层钢丝经100%试验，其镀层质量全部符合Q/HLS016-1999标准的要求，镀层质量平均值见表5。
表5 钢丝Zn-Al-Mg-RE合金镀层质量统计
| 直径/mm | 试样总件数 | 镀层质量（g·m-2） | ||
| X平均 | Q/HLS 016-1999标准 | |||
| A | B | |||
| 2.2 | 1864 | 225 | 160 | 110 |
| 2.6 | 875 | 224 | 200 | 140 |
6、结论
（1）Zn-Al-Mg-RE合金镀层和纯锌镀层钢丝经电化学测试、醋酸盐雾试验和中性盐雾试验的结果均表明合金镀层耐蚀性能优于纯锌镀层；
（2）Zn-Al-Mg-RE合金镀钢丝的各项力学性能、镀层质量均符合相关标准和用户的要求；
（3）采用添加合金元素的工艺路线，可以不改变原有热镀锌生产线的设备和工艺条件，便于工厂采用。
参考文献
1 陈冬，项长祥，张国庆，等 稀土、铝、镁在锌基热镀合金中的应用 金属制品，2000（2）：6-9
作者简介
张国辉 1971年1月生，宁夏恒力钢丝绳股份有限公司技术研发部工程师。
