热浸镀锌镀层界面结构与性能研究

摘要

电力铁塔是高压输电线路的承重结构，其防护镀层在服役过程中会受静态和动态力以及大气腐蚀的共同作用而发生裂纹、撕裂或脱落，使钢铁基体失去保护而遭受腐蚀，甚至导致铁塔的断裂倒塌，直接影响供电系统的稳定性，威胁人们的生产和生命财产安全。表面热浸镀锌是铁塔常用的防腐蚀保护方法。镀液的成分、纯净度、Sandelin效应以及在静动态力作用下镀层的电化学性能和力学行为都将影响对铁塔的防护效果。尽管热浸镀锌是一项传统的表面防护技术，但人们对镀层的研究还远非深入。例如对镀层各子层的腐蚀性能的研究尚不深入；Sandelin效应的产生机理仍存在较大的分歧，缺乏完整和统一的认识；镀层的疲劳、蠕变和阻尼方面也鲜有研究。
　　针对以上问题，本工作通过在镀液中添加微量的Mn来提高镀层的抗腐蚀性及减弱Sandelin效应；从镀层的结构入手，研究Mn对镀层氧化膜的干涉现象及Sandelin效应的影响机理；采用电化学法分析Mn对镀层表面膜及各子层抗腐蚀性的影响；研究了镀层的断裂和蠕变性能以及镀层对镀件阻尼性能的影响；提出了新的镀液净化处理技术。主要研究结果如下：
　　1．发现镀层表面的富Mn氧化层对可见光具有干涉作用，使镀层呈现不同的色彩。Mn能使镀层ζ子层的厚度变薄且细小致密；Mn的添加能增加子δ层的厚度。镀液中的Mn可以取代镀层中ζ-FeZn13相的部分Fe原子形成ζ-(Fe,Mn)Zn13相，而不会取代δ-FeZn10子层中的Fe，并据此提出了含Si活性钢热浸镀时Sandelin效应的作用机理。Mn可减弱含Si活性钢的Sandelin效应，因为在ζ-(Fe,Mn)Zn13子层中会优先形成Mn-Si化合物，从而降低了Fe-Si化合物对热浸镀反应的不良影响。
　　2．着重从镀层界面结构的角度，探讨了Mn元素对镀层各子层腐蚀行为的影响。Mn的添加能显著提高镀锌层的表面富Mn氧化层的抗腐蚀性能。通过逐层剥离各子层的方法，发现Mn不仅能够降低η子层的腐蚀电流，而且也能提高ζ子层的腐蚀电位，主要是因为含Mn镀层形成的腐蚀产物较致密，能阻碍腐蚀反应的继续进行。镀层的电化学剥离曲线显示含Mn镀层的整体抗腐蚀性能要优于纯Zn镀层。在镀层的溶解过程中，在纯Zn镀层的ζ子层中只选择腐蚀周围的Zn相，导致部分FeZn13相颗粒未经腐蚀即脱落，未起到阻碍腐蚀作用；而含Mn镀层ζ子层的大部分(Fe,Mn)Zn13颗粒能有效阻碍腐蚀的进行。
　　3．揭示了在应力作用下裂纹在镀层内部各子层的产生和扩展机理。镀层裂纹首先在δ子层中产生并沿垂直基体的方向扩展；向下扩展到钢基体后停止，向上在ζ子层中裂纹沿着FeZn13/Zn的相界面扩展；最后裂纹在η子层沿晶界扩展直至镀层发生完全断裂，在镀层的表面出现大量的Ⅰ型裂纹；拉应力继续增大时，镀层FeZn10/Fe界面在剪切力的作用下开裂，使δ子层与钢基体分离形成Ⅱ型裂纹。在镀件处于弹性变形范围内的低应变疲劳时，镀层不会出现裂纹；镀层裂纹仅与镀件的塑性变形有关。
　　4．研究了镀层对镀件阻尼性能的影响，在相同的应变、频率和温度条件下，镀件的阻尼性能明显大于钢基体的阻尼性能，这主要是由于镀层的引入产生较多的可动位错使位错阻尼增加，以及镀层/基体界面所产生的界面阻尼。镀件阻尼性能的提高可以使铁塔在风载振动时起到减振的作用。按照镀件阻尼随应变量的变化规律，其阻尼应变谱可分为4个阶段，每个阶段对应不同的阻尼机理。
　　5．采用压痕法表征了镀层η子层的压痕蠕变，其蠕变应力指数随Mn含量的增加而变大，数值大小在14-46之间；η子层蠕变机制主要为位错滑移和孪晶，Mn的添加能提高η子层的抗蠕变性能，其主要原因是Mn的添加所形成的弥散ZnMn13相颗粒抑制位错的滑移，减少η子层孪晶的形成。
　　6．提出了多孔吹头喷吹法净化镀液中锌渣的低成本技术原型。制备了多孔材料吹头，并设计了多孔吹头喷吹净化装置，使喷吹出的气体形成细小的气泡。经企业近一年的生产实践表明，该方法对于去除镀液内部的悬浮渣，效果显著。

目录

论文的主要创新与贡献

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 镀层界面基本结构及形成机理

1.3 镀层界面结构的研究现状

1.4 镀层的腐蚀性能

1.5 镀层力学性能的研究现状

1.6 热浸镀锌合金的研究进展

1.7 本文的研究目的及内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验设备及材料

2.2 热浸镀锌工艺

2.3 微观结构的分析

2.4 电化学性能测试

2.5 力学性能的表征

第3章 Mn对镀层界面结构的影响

3.1 引言

3.2 Mn对Zn合金微观组织的影响

3.3 含Mn镀层表面氧化膜的干涉现象

3.4 Mn对镀层界面结构的影响

3.5 本章小结

第4章 Mn对镀层各子层电化学行为的影响

4.1 引言

4.2 Mn对η子层电化学性能的影响

4.3 富Mn氧化膜和ζ子层的电化学性能

4.4 镀层的电化学逐层剥离

4.5 本章小结

第5章 镀层的断裂性能

5.1 引言

5.2 镀层的拉伸断裂性能

5.3 镀层的疲劳断裂性能

5.4 本章小结

第6章 钢铁镀件的阻尼性能

6.1 引言

6.2 镀件的阻尼-应变谱

6.3 镀件的应变阻尼机制

6.4 镀件的阻尼-温度谱

6.5 本章小结

第7章 镀层的压痕蠕变性能

7.1 引言

7.2 压痕法的基础理论

7.3 镀层的压痕蠕变性能

7.4 本章小结

第8章 镀液净化处理

8.1 前言

8.2 镀液中的锌渣

8.3 镀液的净化处理

8.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

致谢

声明