输电铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤成因分析_王邦林.pdf
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1、 21 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.03.005 输电铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤成因分析输电铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤成因分析 王邦林1,廖兴利1,柯拥军1,黄培海1,李武俊1,马尚城1,颜财敏1,卢承宏1,林继兴2,王坤2,*1.温州泰昌铁塔制造有限公司,浙江 温州 325013 2.浙江工贸职业技术学院,浙江 温州 325026 摘要:摘要:针对输电铁塔 Q235 钢板热浸镀锌层单面出现的锌瘤缺陷,利用研究级正置显微镜(UMM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了锌瘤的微观结构。结果表明,锌瘤热浸镀锌层的相内存在大量块状相粒子,相出现粗大柱状形态的爆发式
2、增长。锌瘤侧的 Q235 钢表面存在直径为 50 100 m 且与锌瘤位置对应的凹坑。调查生产现场后发现,这些凹坑为氧化锈蚀坑,它们可以扩大 Zn/Fe 反应界面面积,增强 Zn/Fe 反应活性,并为相的爆发式增长提供充足的 Fe 原子,进而导致锌瘤产生。建议实施严格的来料管理,改善钢板的储存条件,以及加强过程管控,防止严重锈蚀的钢板进入热浸镀锌生产线。关键词:关键词:输电铁塔;碳钢;热浸镀锌;锌瘤;显微组织;锈蚀;故障排除 中图分类号:中图分类号:TQ153.1+5 文献标志码:文献标志码:A 文章编号:文章编号:1004 227X(2023)03 0021 06 Cause analysi
3、s on pimples distributed on one side of hot-dip zinc-coated steel sheet for transmission tower WANG Banglin 1,LIAO Xingli 1,KE Yongjun 1,HUANG Peihai 1,LI Wujun 1,MA Shangcheng 1,YAN Caimin 1,LU Chenghong 1,LIN Jixing 2,WANG Kun 2,*1.Wenzhou Taichang Pylon Manufacturing Co.,Ltd.,Wenzhou 325013,China
4、 2.Zhejiang Industry&Trade Vocational College,Wenzhou 325003,China Abstract:The microstructure of pimples distributed on one side of hot-dip zinc-coated Q235 steel sheet for transmission tower was analyzed by using scientific grade upright metallurgical microscope(UMM),scanning electron microscope(S
5、EM),and energy-dispersive spectrometer(EDS).The results showed that there were plenty of blocky phase particles inside the phase of zinc coating at the position of pimple,and the phase grew explosively and transferred to large column.Some pits with a diameter of 50-100 m were distributed at the same
6、 positions of pimples on the surface of Q235 steel substrate.It was found that the pits resulted from the oxidative corrosion of substrate by production site investigation.The pits not only increase the reaction interface area and reactivity between Zn and Fe,but also offer sufficient Fe atoms for t
7、he explosive growth of phase,leading to the formation of pimple.It is necessary to prevent the use of steel sheets with serious pitting by taking some measures such as raw material inspection,improvement on storage conditions,and strict process control.Keywords:transmission tower;carbon steel;hot-di
8、p zinc coating;pimp;microstructure;rusting;troubleshooting 输电铁塔是由角钢或钢板依靠螺栓连接或焊接而成的空间桁架结构,也是用于支撑和架空输电线路的主要承重结构1。铁塔角钢和钢板所采用的 Q235、Q345 等碳素结构钢通常为铁素体与珠光体组织。不同组织具有不同的腐蚀电位,在潮湿的空气中会形成原电池,发生阳极反应而导致输电铁塔腐蚀。热浸镀锌是当前输电铁塔常见的防腐技术,能够延长输电铁塔的服役寿命1-2。GB/T 26942018输电线路铁塔制造技术条件中要求镀锌层应连续、完整、光滑,不应有结瘤等缺陷。然而,当钢中 Si 含量为 0.03
9、5%0.120%或大于 0.280%时,Si 会促使 Fe 与 Zn 发生剧烈反应,使相异常生长形成超厚镀层,即 Sandelin 效应3-4。陈锦虹等人5的研究表明,镀件从锌浴中提出时悬浮于锌浴液面的相粒子会附着其上而形成颗粒凸起。李远鹏等人6分析了热镀锌表面粗糙颗粒的形成原因,发现在热轧时基板表面“氧化皮压入”而产生铁屑,在镀锌时铁屑与锌液 收稿日期:收稿日期:20221229 修回日期:修回日期:20230208 基金项目:基金项目:温州市重大科技计划项目(ZG2020020)。第一作者:第一作者:王邦林(1977),男,高级工程师,研究方向为输电线路钢结构杆塔的研发设计及制造。通信作者
10、:通信作者:王坤(1987),男,博士,副教授,研究方向为特种金属材料设计、金属材料表面强化等。引用格式:引用格式:王邦林,廖兴利,柯拥军,等.输电铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤成因分析J.电镀与涂饰,2023,42(3):21-26.WANG B L,LIAO X L,KE Y J,et al.Cause analysis on pimples distributed on one side of hot-dip zinc-coated steel sheet for transmission tower J.Electroplating&Finishing,2023,42(3):21-26.输电
11、铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤成因分析 22 剧烈反应形成爆发式组织,最终以颗粒形式呈现。许乔瑜等人7认为,亚表面氧化、表面粗糙度、表面残余应力、表面晶粒取向、表面组织结构等因素均会影响含硅钢热浸镀锌的反应活性,进而影响锌层组织。在实际生产中,钢材存在硅含量异常和表面缺陷,工艺操作不当,锌池成分出现偏差或锌渣悬浮,都可能使热浸镀锌出现厚度异常或结瘤等问题,严重影响锌层的外观和耐腐蚀性能5-6,8。本文针对偶发的输电铁塔热浸镀锌 Q235 钢板单侧表面出现的锌瘤缺陷,通过分析钢板和热镀锌层的显微组织和成分,确定了锌瘤缺陷的产生原因,为后续工艺改进提供参考。1 热浸镀锌工艺热浸镀锌工艺 选用生产线上一批
12、单侧锌瘤缺陷较明显的热镀锌 Q235 钢板,基材的成分(以质量分数计)为:C 0.16%,Si 0.18%,Mn 0.55%,P 0.01%,S 0.02%,Fe 余量。热浸镀锌在智能热镀锌流水线上完成,工艺流程为:前处理酸洗水洗助镀热浸镀锌冷却钝化后处理检验。酸洗采用18 g/L盐酸+HG高效环保酸洗添加剂(由湖北新俞京环保科技有限公司提供),室温。助镀剂为 180 g/L ZnCl2+230 g/L NH4Cl,助镀温度 70 80,时间 30 120 s。热浸镀锌池温度为 440,时间 90 120 s。Q235 钢材在前处理至钝化环节均保持垂直悬挂状态。对热镀锌板双面进行拍照,然后采用
13、电火花线切割出平面及横截面,通过 20%(体积分数)盐酸+3.5 g/L六次甲基四胺溶液酸洗去除一部分样品上下表面的锌层令基体露出。对基体上下平面及侧面进行冷镶,使用100 1 500 目 SiC 砂纸打磨,接着采用粒径 2.5 m 的抛光膏进行机械抛光,再使用含 4%(体积分数)硝酸的酒精溶液腐蚀 15 s 左右。采用蔡司研究级正置显微镜(UMM)观察 Q235 钢基体和热浸镀锌层的金相组织,并测量热浸镀锌层的厚度。采用飞纳扫描电镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)观察锌层组织和分析其化学成分,加速电压为 15 kV。2 带锌瘤热浸镀锌钢板的分析带锌瘤热浸镀锌钢板的分析 2.1 锌瘤的宏观
14、特征锌瘤的宏观特征 如图 1 所示,热镀锌板两面的镀锌层外观截然不同。其中一面的镀锌层光滑平整,只存在极轻微的锌流痕。另一面则有大量直径为 1 3 mm 的锌瘤,其分布密度约为 10 个/cm2。(a)(b)图图 1 Q235 热镀锌板光滑面(热镀锌板光滑面(a)和粗糙面()和粗糙面(b)的外观)的外观 Figure 1 Appearance of smooth side(a)and rough side(b)of hot-dip zinc-coated Q235 steel 2.2 Q235 钢基板的微观形貌和成分钢基板的微观形貌和成分 取带锌瘤镀锌板,酸洗褪除表面锌层后用扫描电镜观察基板两
15、面的形貌。从图 2 可知,光滑面和粗糙面的 Q235 基体均为细小铁素体与珠光体的混合组织,晶粒尺寸分布范围窄,无局部组织粗大现象。相比于淬火马氏体,铁素体与珠光体都有良好的塑性和韧性,可以保证输电铁塔的承载稳定性。利用扫描电镜的面扫描模式对粗糙面元素分布进行分析,结果显示 Q235 钢中的 Fe、C、Mn、Si、P、S 等元素分布均匀(见图 3),未发现大尺寸 SiO2、Al2O3、MnS 等非金属夹杂物。另外,粗糙面 Q235 钢基体的 Si 质量分数为 0.18%,不在Sandelin 效应所对应的硅含量区域内3。由此说明,这种锌瘤缺陷与基板的组织和成分无关。输电铁塔热浸镀锌钢板单面锌瘤
16、成因分析 23 (a)(b)图图 2 光滑面(光滑面(a)和粗糙面()和粗糙面(b)Q235 钢基体的金相组织钢基体的金相组织 Figure 2 Metallographic structure of Q235 steel substrate on smooth side(a)and rough side(b)图图 3 粗糙面粗糙面 Q235 钢基体表面的元素分布钢基体表面的元素分布 Figure 3 Distribution of different elements on the surface of Q235 steel substrate after removal of zinc c
17、oating from rough side 2.3 热镀锌层的微观结构分析热镀锌层的微观结构分析 热浸镀锌的大致过程9如下:当锌液与铁表面接触,即 Zn/Fe 原子发生相互扩散时,首先生成组织疏松的相,相的生成温度为 530,其中 Fe 的质量分数为 5.0%6.0%;相可以作为 Zn 原子的扩散通道并致使Zn 在与-Fe 相界面处与-Fe 相进一步形成相对致密的 相,相的生成温度为 665,其中 Fe 的质量分数为 7.0%11.5%;然后少量 Zn 原子通过 相扩散到 与-Fe 相界面处,与-Fe 相形成极薄的 1相和 相,前者的生成温度为 550、Fe 质量分数为 17.0%19.5%
18、,后者的生成温度为 782、Fe 质量分数为 23.5%28.0%;最后在镀件脱离锌液池时,粘附在其表面的锌液冷却凝固,生成铁含量极低的相。从图 4a 和图 4b 可知,光滑面热浸镀锌层非常平整,总厚度约为 128 m;相厚度约为 65 m,其内部包裹了少量块状相,但后者并未打断 相的连续性和完整性;相下方是厚度约为 27 m 的枝晶状相,相下方是厚度 25 m 左右的相,相与相之间界限模糊,相与相之间则界限分明;相分为栅栏状的 p相和致密态的 k相,p相的铁含量低于 k相的铁含量;相下方是厚度约为 1 m 的 1相。结合 ZnFe 二元合金相图9和表 1 可知,光滑面热浸镀锌层的相组织从锌层
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