合金，是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經一定方法所合成的具有金屬特性的物質。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。
合金化鍍鋅鋼板鈍化工藝的研究和使用
1前言
合金化熱鍍鋅鋼板表面的Zn-Fe合金鍍層具有優異的涂著性,也具有良好的耐蝕性但在涂漆狀態下使用時,漆層并非完全致密,存在著眾多的微孔,外界的液態腐蝕介質會滲透進去,到達漆層與Zn-Fe合金鍍層的交界面,形成縫隙腐蝕氧的濃差腐蝕由于縫隙腐蝕具有很強的侵蝕性,Zn-Fe合金鍍鋅層對它的抵御能力不夠不能滿足用戶對合金化鍍鋅板制造鐵路車輛的耐蝕性要求按武鋼現行國外鈍化工藝處理的合金化鍍鋅板,雖能對此有所改善,亦不能滿足用戶的需要
為了使合金化鍍鋅板這種高效鋼材更高效,滿足用戶需求,以武鋼鋼研所為主開展實驗室研試,建立了命名為WXDⅢ的新型鈍化工藝,生成的鈍化膜作為合金化鍍鋅層與涂漆層之中介層,在保持優良涂著性的前提下,使鈍化膜+涂漆層的耐蝕性得到大幅度提高隨后,鋼研所與冷軋廠共同進行了用WXDⅢ鈍化液處理合金化鍍鋅帶鋼的工業性試驗,試制出WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅鋼卷340噸,并配合用戶長沙重型機器廠用以制造YZ22型鐵路客車研試及應用取得了滿意的結果
2實驗室試驗方法
2.1試片表面凈化處理
將武鋼冷軋廠生產的未經鈍化處理的合金化鍍鋅板,剪切成規格單位mm為50×100的試片,并在一角鉆孔后,按如下步驟進行表面凈化處理:
丙酮擦洗→MgO糊漿刷洗→自來水沖刷→去離子水漂洗2道→無水乙醇漂洗→濾紙吸干,冷風吹干
2.2鈍化工藝流程及試驗裝置
為使試驗條件盡可能接近工業生產條件,實驗室鈍化試驗的工藝流程定為:
鈍化液浸漬→熱風烘干
2.3油漆的涂刷
將云母氧化鐵底漆調勻,用毛刷涂在試片一面90%長度的面積上涂漆部位為考核部位,其余部位作參考
2.4性能檢驗
用中性鹽霧試驗來檢驗鈍化膜+涂漆層的耐蝕性和涂著性試驗在YQ-25D型氣流式鹽霧箱內進行主要試驗條件是:1NaCl濃度5%±0.5%;2鹽霧沉降率1～2ml/h*80cm2;3試驗以連續噴霧8h,停止噴霧閉箱自然冷卻16h為一周期,周而復始地進行;4每周期末檢查試片狀態時為區分NaCl沉積物與白銹,先用去離子水輕輕沖洗試片表面,溶掉NaCl
此外,用劃圈試驗和沖擊試驗來檢驗干燥漆層的附著性
3鈍化液配方的探求
3.1鈍化液組分的選擇
鑒于三氧化鉻CrO3是鍍鋅層鈍化技術領域中公認為較好的鈍化劑,決定選用之
除鈍化劑外,附加劑的種類含量附加劑與鈍化劑之間以及各附加劑之間的交互效應,是影響鈍化效果的關鍵國內外有關文獻曾分別介紹甲乙丙等化學劑,在加速成膜反應增進溶液浸潤性增強鈍化膜耐蝕性改善鈍化膜與涂料的附著性維持鈍化液性能穩定等方面,具備各有側重程度不等的作用本課題的前身選用甲乙丙三種化學劑作為附加劑,成功地研究出適用于連續鍍鋅鋼帶鋼絲的WXDⅠ鈍化工藝[1]為此,仍以這三種化學劑作為附加劑
待研制的WXDⅢ鈍化工藝針對的基材不是純Zn層而是Zn-Fe合金層其中含Fe10%左右,鈍化后還要進行涂漆這一后步處理,鈍化膜將不是
在裸露狀態下而是在基材與涂漆層的夾層中低御腐蝕結合這些特點來探求溶液四組分含量的最佳比例和最佳濃度,以確定最佳配方,就成為本項研究的主要內容
3.2四組分含量最佳比例的探求
參考生產工藝參數,將鈍化液溫度浸漬時間加以固定:鈍化液溫度=60±3℃;浸漬時間≤1s以CrO3附加劑甲附加劑乙附加劑丙作為試驗因子,其編碼值分別用X1X2X3X4表示按四因子二次回歸旋轉組合設計[2]安排第一輪鈍化試驗計劃鈍化后,試片都涂刷云母氧化鐵底漆兩遍漆層較厚,為50μm左右
鹽霧試驗終點的判定,以試片考核部位上端除去10mm,下端左右側和孔周圍各除去5mm不計之外的有效面積上,有線度為1mm以上的三點白銹透出漆層作為腐蝕終點,計鹽霧銹蝕壽命用這樣的判定方法做完鹽霧試驗后,各試驗點試片表面漆層起泡及小塊漆層脫落的狀況不同,遂用打×評級的方法加以評定以打×較多表示漆層起泡及脫落的程度較重第一輪鈍化試驗的工藝條件和結果見表1
表1第一輪鈍化試驗的工藝條件和結果
然后,從鹽霧壽命和起泡脫落兩個方面加以考慮,對全部試驗點各因素的編碼值進行加權平均給定權數時實行三條原則:其一,鹽霧壽命低或起泡脫落較嚴重的點,以及鹽霧壽命不很高而起泡脫落較嚴重的點,予以剔除,權數為0;其二,鹽霧壽命越長起泡脫落程度越輕,權數越大;其三,鈍化劑濃度偏低一些較受人們歡迎,因而希望主要在較低濃度的背景下求得最佳比例,故對較低濃度的點,給予較大的權數給定的權數記在表1最右面一列里加權平均后,所得鈍化液四組分含量的編碼值見表2
表2經加權平均求得的四組分含量
將表2中四組分的編碼值換算成實際值,然后據此確定了四組分含量的最佳比例
為了有所對照比較,在進行上述試驗的同時,還做了三個對照點的試驗:A3鋼板磷化,合金化板不鈍化,合金化板按原工藝鈍化對這三個點的試片按與前述相同的方法涂刷云母氧化鐵底漆,并與前述試片同時做鹽霧試驗,測鹽霧壽命其中A3磷化+涂漆試驗至與白銹同等程度的紅銹生成為終點結果見表3
表3三個對照試驗點的試驗結果
表3中合金化板原工藝鈍化+涂漆與表1中最好的16號試驗點,經鹽霧試驗出現同等程度的白銹,而鹽霧壽命分別為16天和216天對比看出,以研究中的工藝生成的鈍化膜作為漆涂層與Zn-Fe合金鍍層的中介層,對提高耐蝕性確能起到很大作用
3.3最佳濃度和配方的確定
在四組分含量之間的比例按已探明的最佳比例加以固定的前提下,開展第二輪鈍化試驗,探求最佳濃度即,選定由低到高的五個濃度配制鈍化液,仍按前述鈍化液溫度和浸漬時間處理試片為縮短試驗周期,云母氧化鐵底漆只漆刷一遍,漆層較薄,約20μm左右,仍以原工藝配方鈍化作為對照試驗點
鹽霧腐蝕試驗終點的判定,改為參照文獻[3],以達到三級破壞程度為終點,出現下列各種現象中的任何一種,即為三級破壞程度:嚴重變色
漆膜表面起微泡肉眼僅可看見者面積超過50%;小泡肉眼明顯可見,直徑<0.5mm面積在5%以上;出現大泡直徑>1.1mm銹點面積在2%以上漆膜出現脫落現象
此評級標準綜合考慮了漆層起泡基材銹蝕漆層脫落等多種破壞形式,按此評級是更為科學的
為了從另一角度考核漆層的附著性,按文獻[4][5]對未經鹽霧試驗的涂漆試片做了劃圈試驗和沖擊試驗沖擊能量4.9J
試驗數據見表4,由表4可得出以下結果表4第二輪鈍化試驗結果
1經WXDⅢ鈍化獲得的鈍化膜+涂漆層的鹽霧破壞壽命最高的達到經原工藝鈍化獲得的鈍化膜+涂漆層的10倍以上
2WXDⅢ的最佳濃度處于CrO3含量為Q3～Q4的范圍內因濃度較低較受歡迎,這里作偏低估計,最佳濃度可初步確定為此范圍內靠近Q3的Q′3可以看出,Q′3濃度下的WXDⅢ鈍化膜+涂漆層的鹽霧破壞壽命,在原工藝鈍化膜+涂漆層的8倍以上
前面確定的四組分含量最佳比例與最佳濃度Q′3相結合,即得到最佳配方
4工業性試驗的可行性探討
鑒于實驗室研試表明WXDⅢ鈍化工藝性能優越,鐵道部門的用戶認為,該工藝能滿足用合金化鍍鋅板制造新型客車延長車輛大修期的需要,向武鋼要求訂購用該工藝處理的合金化板為探討WXDⅢ工業在武鋼熱鍍鋅機組做工藝性試驗的可行性,開展了下述幾項試驗,得出了肯定的答案
4.1不銹鋼在WXDⅢ溶液中的腐蝕速率試驗
武鋼冷軋廠鍍鋅機組的鈍化設備,由不銹鋼1Cr18Ni9Ti制成為此用1Cr18Ni9Ti鋼板制成試片,分別懸掛浸泡在CrO3含量為Q′3和Q2兩種濃度的WXDⅢ鈍化液中,用電熱恒溫水浴鍋加熱保溫在生產中鈍化液的工作溫度約60℃試驗結果見表5
表51Cr18Ni9Ti鋼在WXDⅢ溶液中浸泡試驗結果
從表5看出,WXDⅢ溶液對不銹鋼的腐蝕系均勻腐蝕,且腐蝕速率甚小,不致影響鈍化設備的正常使用
4.2擠壓輥材料在WXDⅢ溶液中的浸泡試驗
鍍鋅機組的鈍化擠壓輥由橡膠制成在生產現場鋸下膠輥料作為試樣,分別浸泡于WXDⅢ鈍化液和原工藝鈍化液中,同樣加熱保溫經浸泡15天后發現:經WXDⅢ鈍化液浸泡的試樣變化較小原為綠色的膠輥料顏色略發黃,有些發脆,表層少量龜裂脫落;經原工藝鈍化液浸泡的試樣變化較大顏色變為茶褐色,明顯發脆,表層大量龜裂脫落這說明,WXDⅢ溶液對膠輥的腐蝕性比現行工藝溶液弱一些再聯系到生產中主要因機械磨損必須每隔10～15天換下膠輥進行修磨,應該認定WXDⅢ鈍化液不會影響膠輥的正常使用
4.3過渡性鈍化液的性能試驗
若能安排工業性試驗,為避免浪費,試驗結束后WXDⅢ鈍化液宜加水稀釋繼續使用但這樣的過渡性鈍化液會不會對正常生產的產品性能帶來不利影響?為了回答這一問題,配制過渡性鈍化液即較稀的WXDⅢ鈍化液和原工藝鈍化液,二者CrO3濃度相同,分別對普通鍍鋅板試片作鈍化處理從鈍化膜外觀看,前者呈分布均勻的金黃色帶干涉色;后者為分布不均勻的黃斑鹽霧試驗結果更指出:前者鹽霧壽命9天;后者鹽霧壽命<1天這說明,過渡性鈍化液含有附加劑,對鍍鋅板的性能質量只有好處沒有壞處
以上試驗表明,WXDⅢ鈍化工藝在熱鍍鋅生產機組上開展工業性試驗,是切實可行的
5工業性試驗和試產品應用
5.1工業性試驗
按實驗室研試確定的鈍化液配方,在生產現場配制WXDⅢ鈍化液,在熱鍍鋅機組上對合金化鍍鋅帶鋼進行表面鈍化處理
具體做法如下
1按預計配制的鈍化液體積0.9m3,計算出附加劑甲乙丙的需用量,事先分裝于若干個塑料桶內,加水溶化,成為附加劑濃溶液
2從鈍化液貯罐內取樣化驗CrO3含量,再計算出需添加的CrO3量
3將CrO3和附加劑濃溶液加入鈍化液貯罐內,適量補充冷凝水,達到設定的體積,同時通入蒸汽,保持鈍化液溫度,并起攪拌作用,加速溶化,使溶液成分迅速達到均勻
4配成的WXDⅢ鈍化液通過循環系統,由噴咀噴射到合金化鍍鋅帶鋼上下兩表面,帶鋼向前運行,經膠輥擠壓后,熱風烘吹,鈍化液干燥成膜,完成鈍化處理過程
按此處理的結構級合金化鍍鋅鋼卷共340t,厚度規格為1.0mm1.5mm2.0mm2.5mm全部發運給用戶長沙重型機器廠
5.2用戶試用
長重廠用該批WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板制造YZ22型鐵路客車該批鋼卷從武鋼出廠到長重廠使用完畢歷時近兩年,其間,鋼卷在長重廠露天存放時曾遭雨淋,雨水進入鋼卷內部夾在各層之間長重廠監測表明板材經近兩年時間的耐蝕考驗,仍保持了良好的合金化鍍鋅層表面,無黑銹紅銹等銹蝕現象[6]與之形成鮮明對照的是,武鋼同期生產供應給長重廠的原工藝鈍化的合金化鍍鋅鋼卷,長重廠監測表明板材從進廠僅2個月后,部分板材開卷就發現黑銹和個別紅銹銹蝕[6]
關于合金化鍍鋅板在沖壓成型工藝性表面處理工藝性油漆涂裝工藝性車體鋼結構靜強度等方面,長重廠亦做了全面考核,給予肯定評價[6]
長重廠用武鋼生產的WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板制造的YZ22型客車,供應給重慶鐵路分局等單位使用,至今已正常運行十年以上
6結語
1實驗室研試指出:以合金化熱鍍鋅板為基材,WXDⅢ鈍化膜+涂漆層涂刷一遍云母氧化鐵底漆的鹽霧壽命達74～92天,為原工藝鈍化膜+涂漆層涂刷一遍云母氧化鐵底漆8.5天的8倍以上,為不鈍化,涂漆層涂刷二遍云母氧化鐵底漆鹽霧壽命4天的18倍以上這說明,通過系統的試驗研究建立的WXDⅢ鈍化工藝生產的鈍化膜,作為Zn-Fe合金鍍層與油漆層的中介層,可在保持Zn-Fe合金鍍層優良涂著性的前提下,大大提高耐蝕性WXDⅢ鈍化工藝為延長在涂復涂料狀態下使用的合金化鍍鋅板制品的服役壽命開辟了前景
2經工業性試驗生產的WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板,在兩年的運輸儲存期間,表面未發生銹蝕,滿足用戶要求而原工藝鈍化合金化鍍鋅板,經兩個月即開始發生銹蝕,造成經濟損失用WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板制造的一批YZ22型客車,至今已在國內鐵路線上正常運行十余年,尚在繼續運行中
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