稀土和浸镀工艺对热浸镀Zn-10%Al镀层钢丝组织和性能的影响

作     者：葛云鹏 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈以赴

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：热浸镀锌铝镀层 热作用 稀土元素 抗拉强度 耐蚀性能 

摘      要：桥梁是交通的重要枢纽,桥梁缆索是现代悬索桥,斜拉桥的核心构件。随着工业发展和科技进步,对桥梁缆索用钢丝的综合性能要求越来越高。为了满足交通运输日益增长的需求,研制出强度更高,耐蚀性更好的钢丝成为了重中之重。本文在阅读大量国内外相关文献的基础上,对Zn-10Al热浸镀钢丝进行了研究,通过在镀液中加入不同含量的稀土元素改变其组织和性能,同时改变调整浸镀工艺,优化出最佳工艺参数。为了研究钢丝基体在生产中自身的变化,对光面钢丝进行热模拟试验,研究热作用对钢丝基体的影响。实验具体研究工作如下:针对光面钢丝在不同的受热阶段以及不同保温时间下制备了3组共9根试样,利用SEM级金相显微镜分析了其组织变化,研究发现,钢丝基体在经过不同次数和不同时间的加热后,组织均为珠光体与碳化物,但是随着保温时间的延长,层片状组织逐渐消失,转化为颗粒状组织,保温时间过长时,晶粒会长大,造成粗化,降低力学性能。抗拉强度随着加热阶段的加深,先降低,后升高,再降低,加热初始阶段抗拉强度降低是由于冷拉拔后钢丝有大量残余应力,加热消除了残余应力,而后升高是因为层片组织溶解,晶粒细化,组织均匀,抗拉强度小幅上升,最后降低则是因为保温时间过长造成的晶粒粗化。制备了五种Zn-10Al-x RE（x=0.05,0.08,0.11,0.14,0.17）镀层,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机、扭转试验机、缠绕试验机、X射线衍射仪、Cu SO试验、中性盐雾腐蚀试验、电化学工作站等试验设备和方法,分析稀土元素对镀层钢丝组织和性能的影响。结果表面,添加稀土的锌铝镀层宏观质量良好,镀层均匀性较好,与基体结合力较强,其中Zn-10Al-0.08RE和Zn-10Al-0.11RE的镀层质量达到国标要求。微观下镀层组织主要结构分为两层,其中添加0.08%RE以及0.14%RE的镀层组织最为均匀,晶粒最为细小。Zn-10Al-x RE镀层抗拉强度先升高再降低,添加量在0.11%时达到峰值。Zn-10Al-x RE镀层的耐蚀性能很强,可以达到纯锌钢丝的五倍以上,添加0.08%RE的镀层钢丝耐蚀性最好。稀土的添加无法改变腐蚀产物的种类,但可以一定程度上促进腐蚀产物向致密的Zn（OH）Cl·HO转变,提高镀层的耐蚀性。调整浸镀温度,浸镀时间,冷却方式制备了多组试样,实验发现,Zn-10Al-0.08RE镀层钢丝无法采用425℃的浸镀温度和15s的浸镀时间,会出现夹杂和漏镀的情况;采用450℃和475℃浸镀温度以及30s和45s的浸镀时间时,可以获得表面质量以及均匀性都良好的镀层。采用450℃温度时,浸镀时间30s和45s时都能获得均匀细小的镀层组织,镀层质量很高。采用475℃时,镀层组织粗化较为严重,浸镀时间为45s时,镀层外层出现团聚的层片状组织,性能极差。空冷与水冷的镀层相比,组织上和力学性能较为良好,但腐蚀产物致密度很差,降低了耐蚀性。采用450℃,45s,水冷的工艺,耐蚀性能最高。