合金化鍍鋅鋼板鈍化工藝的研究及應(yīng)用

1　前　言

合金化熱鍍鋅鋼板表面的Zn-Fe合金鍍層具有優(yōu)異的涂著性,也具有良好的耐蝕性。但在涂漆狀態(tài)下使用時(shí),漆層并非完全致密,存在著眾多的微孔,外界的液態(tài)腐蝕介質(zhì)會(huì)滲透進(jìn)去,到達(dá)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(qiáng)的侵蝕性,Zn-Fe合金鍍鋅層對(duì)它的抵御能力不夠，不能滿足用戶對(duì)合金化鍍鋅板制造鐵路車輛的耐蝕性要求。按武鋼現(xiàn)行國(guó)外鈍化工藝處理的合金化鍍鋅板,雖能對(duì)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(shí)驗(yàn)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(yōu)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(jìn)行了用WXDⅢ鈍化液處理合金化鍍鋅帶鋼的工業(yè)性試驗(yàn),試制出WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅鋼卷340噸,并配合用戶長(zhǎng)沙重型機(jī)器廠用以制造YZ22型鐵路客車。研試及應(yīng)用取得了滿意的結(jié)果。

2　實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法

2.1　試片表面凈化處理

將武鋼冷軋廠生產(chǎn)的未經(jīng)鈍化處理的合金化鍍鋅板,剪切成規(guī)格(單位mm)為50×100的試片,并在一角鉆孔后,按如下步驟進(jìn)行表面凈化處理:

丙酮擦洗→MgO糊漿刷洗→自來(lái)水沖刷→去離子水漂洗(2道)→無(wú)水乙醇漂洗→濾紙吸干,冷風(fēng)吹干。

2.2　鈍化工藝流程及試驗(yàn)裝置

為使試驗(yàn)條件盡可能接近工業(yè)生產(chǎn)條件,實(shí)驗(yàn)室鈍化試驗(yàn)的工藝流程定為:

鈍化液浸漬→熱風(fēng)烘干。

鈍化試驗(yàn)裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。

2.3　油漆的涂刷

將云母氧化鐵底漆調(diào)勻,用毛刷涂在試片一面90%長(zhǎng)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(yàn)

用中性鹽霧試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)“鈍化膜+涂漆層”的耐蝕性和涂著性。試驗(yàn)在“YQ-25D”型氣流式鹽霧箱內(nèi)進(jìn)行。主要試驗(yàn)條件是:(1)NaCl濃度5%±0.5%;(2)鹽霧沉降率1～2ml/h*80cm2;(3)試驗(yàn)以連續(xù)噴霧8h,停止噴霧閉箱自然冷卻16h為一周期,周而復(fù)始地進(jìn)行;(4)每周期末檢查試片狀態(tài)時(shí)，為區(qū)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(yàn)和沖擊試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)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(shù)領(lǐng)域中公認(rèn)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(yīng),是影響鈍化效果的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)曾分別介紹甲、乙、丙等化學(xué)劑,在加速成膜反應(yīng)、增進(jìn)溶液浸潤(rùn)性、增強(qiáng)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(wěn)定等方面,具備各有側(cè)重、程度不等的作用。本課題的前身選用甲、乙、丙三種化學(xué)劑作為附加劑,成功地研究出適用于連續(xù)鍍鋅鋼帶、鋼絲的WXDⅠ鈍化工藝[1]。為此,仍以這三種化學(xué)劑作為附加劑。

待研制的WXDⅢ鈍化工藝針對(duì)的基材不是純Zn層而是Zn-Fe合金層(其中含F(xiàn)e 10%左右),鈍化后還要進(jìn)行涂漆這一后步處理,鈍化膜將不是

在裸露狀態(tài)下而是在基材與涂漆層的夾層中低御腐蝕。結(jié)合這些特點(diǎn)來(lái)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(xiàng)研究的主要內(nèi)容。

3.2　四組分含量最佳比例的探求

參考生產(chǎn)工藝參數(shù),將鈍化液溫度、浸漬時(shí)間加以固定:鈍化液溫度=60±3℃;浸漬時(shí)間≤1s。以CrO3、附加劑甲、附加劑乙、附加劑丙作為試驗(yàn)因子,其編碼值分別用X1、X2、X3、X4表示。按“四因子二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)”[2]安排第一輪鈍化試驗(yàn)計(jì)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(yàn)終點(diǎn)的判定,以試片考核部位上端除去10mm,下端、左右側(cè)和孔周圍各除去5mm不計(jì)之外的有效面積上,有線度為1mm以上的三點(diǎn)白銹透出漆層作為腐蝕終點(diǎn),計(jì)鹽霧銹蝕壽命。用這樣的判定方法做完鹽霧試驗(yàn)后,各試驗(yàn)點(diǎn)試片表面漆層起泡及小塊漆層脫落的狀況不同,遂用打“×”評(píng)級(jí)的方法加以評(píng)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(yàn)的工藝條件和結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　第一輪鈍化試驗(yàn)的工藝條件和結(jié)果

然后,從鹽霧壽命和起泡脫落兩個(gè)方面加以考慮,對(duì)全部試驗(yàn)點(diǎn)各因素的編碼值進(jìn)行加權(quán)平均。給定權(quán)數(shù)時(shí)實(shí)行三條原則:其一,鹽霧壽命低或起泡、脫落較嚴(yán)重的點(diǎn),以及鹽霧壽命不很高而起泡、脫落較嚴(yán)重的點(diǎn),予以剔除,權(quán)數(shù)為0;其二,鹽霧壽命越長(zhǎng)、起泡脫落程度越輕,權(quán)數(shù)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(duì)較低濃度的點(diǎn),給予較大的權(quán)數(shù)。給定的權(quán)數(shù)記在表1最右面一列里。加權(quán)平均后,所得鈍化液四組分含量的編碼值見(jiàn)表2。

表2　經(jīng)加權(quán)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(shí)際值,然后據(jù)此確定了四組分含量的最佳比例。

為了有所對(duì)照比較,在進(jìn)行上述試驗(yàn)的同時(shí),還做了三個(gè)對(duì)照點(diǎn)的試驗(yàn):A3鋼板磷化,合金化板不鈍化,合金化板按原工藝鈍化。對(duì)這三個(gè)點(diǎn)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(shí)做鹽霧試驗(yàn),測(cè)鹽霧壽命。其中A3“磷化+涂漆”試驗(yàn)至與白銹同等程度的紅銹生成為終點(diǎn)。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　三個(gè)對(duì)照試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果

表3中合金化板“原工藝鈍化+涂漆”與表1中最好的16號(hào)試驗(yàn)點(diǎn),經(jīng)鹽霧試驗(yàn)出現(xiàn)同等程度的白銹,而鹽霧壽命分別為16天和216天。對(duì)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(duì)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(yàn),探求最佳濃度。即,選定由低到高的五個(gè)濃度配制鈍化液,仍按前述鈍化液溫度和浸漬時(shí)間處理試片。為縮短試驗(yàn)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(duì)照試驗(yàn)點(diǎn)。

鹽霧腐蝕試驗(yàn)終點(diǎn)的判定,改為參照文獻(xiàn)[3],以達(dá)到“三級(jí)”破壞程度為終點(diǎn),出現(xiàn)下列各種現(xiàn)象中的任何一種,即為“三級(jí)破壞”程度:嚴(yán)重變色。

漆膜表面起微泡(肉眼僅可看見(jiàn)者)面積超過(guò)50%;小泡(肉眼明顯可見(jiàn),直徑<0.5mm)面積在5%以上;出現(xiàn)大泡(直徑>1.1mm)。銹點(diǎn)面積在2%以上。漆膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

此評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)級(jí)是更為科學(xué)的。

為了從另一角度考核漆層的附著性,按文獻(xiàn)[4]、[5]對(duì)未經(jīng)鹽霧試驗(yàn)的涂漆試片做了劃圈試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)(沖擊能量4.9J)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4,由表4可得出以下結(jié)果。 表4　第二輪鈍化試驗(yàn)結(jié)果

(1)經(jīng)WXDⅢ鈍化獲得的“鈍化膜+涂漆層”的鹽霧破壞壽命，最高的達(dá)到經(jīng)原工藝鈍化獲得的“鈍化膜+涂漆層”的10倍以上。

(2)WXDⅢ的最佳濃度處于CrO3含量為Q3～Q4的范圍內(nèi)。因濃度較低較受歡迎,這里作偏低估計(jì),最佳濃度可初步確定為此范圍內(nèi)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(jié)合,即得到最佳配方。

4　工業(yè)性試驗(yàn)的可行性探討

鑒于實(shí)驗(yàn)室研試表明WXDⅢ鈍化工藝性能優(yōu)越,鐵道部門的用戶認(rèn)為,該工藝能滿足用合金化鍍鋅板制造新型客車、延長(zhǎng)車輛大修期的需要,向武鋼要求訂購(gòu)用該工藝處理的合金化板。為探討WXDⅢ工業(yè)在武鋼熱鍍鋅機(jī)組做工藝性試驗(yàn)的可行性,開展了下述幾項(xiàng)試驗(yàn),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(yàn)

武鋼冷軋廠鍍鋅機(jī)組的鈍化設(shè)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(chǎn)中鈍化液的工作溫度約60℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　1Cr18Ni9Ti鋼在WXDⅢ溶液中浸泡試驗(yàn)結(jié)果

從表5看出,WXDⅢ溶液對(duì)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(shè)備的正常使用。

4.2　擠壓輥材料在WXDⅢ溶液中的浸泡試驗(yàn)

鍍鋅機(jī)組的鈍化擠壓輥由橡膠制成。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jīng)浸泡15天后發(fā)現(xiàn):經(jīng)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(fā)黃,有些發(fā)脆,表層少量龜裂脫落);經(jīng)原工藝鈍化液浸泡的試樣變化較大(顏色變?yōu)椴韬稚?明顯發(fā)脆,表層大量龜裂脫落)。這說(shuō)明,WXDⅢ溶液對(duì)膠輥的腐蝕性比現(xiàn)行工藝溶液弱一些。再聯(lián)系到生產(chǎn)中主要因機(jī)械磨損必須每隔10～15天換下膠輥進(jìn)行修磨,應(yīng)該認(rèn)定WXDⅢ鈍化液不會(huì)影響膠輥的正常使用。

4.3　過(guò)渡性鈍化液的性能試驗(yàn)

若能安排工業(yè)性試驗(yàn),為避免浪費(fèi),試驗(yàn)結(jié)束后WXDⅢ鈍化液宜加水稀釋，繼續(xù)使用。但這樣的過(guò)渡性鈍化液會(huì)不會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)的產(chǎn)品性能帶來(lái)不利影響?為了回答這一問(wèn)題,配制過(guò)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(duì)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(yàn)結(jié)果更指出:前者鹽霧壽命9天;后者鹽霧壽命<1天。這說(shuō)明,過(guò)渡性鈍化液含有附加劑,對(duì)鍍鋅板的性能質(zhì)量只有好處沒(méi)有壞處。

以上試驗(yàn)表明,WXDⅢ鈍化工藝在熱鍍鋅生產(chǎn)機(jī)組上開展工業(yè)性試驗(yàn),是切實(shí)可行的。

5　工業(yè)性試驗(yàn)和試產(chǎn)品應(yīng)用

5.1　工業(yè)性試驗(yàn)

按實(shí)驗(yàn)室研試確定的鈍化液配方,在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配制WXDⅢ鈍化液,在熱鍍鋅機(jī)組上對(duì)合金化鍍鋅帶鋼進(jìn)行表面鈍化處理。

具體做法如下。

(1)按預(yù)計(jì)配制的鈍化液體積0.9m3,計(jì)算出附加劑甲、乙、丙的需用量,事先分裝于若干個(gè)塑料桶內(nèi),加水溶化,成為附加劑濃溶液。

(2)從鈍化液貯罐內(nèi)取樣化驗(yàn)CrO3含量,再計(jì)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(nèi),適量補(bǔ)充冷凝水,達(dá)到設(shè)定的體積,同時(shí)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(dá)到均勻。

(4)配成的WXDⅢ鈍化液通過(guò)循環(huán)系統(tǒng),由噴咀噴射到合金化鍍鋅帶鋼上、下兩表面,帶鋼向前運(yùn)行,經(jīng)膠輥擠壓后,熱風(fēng)烘吹,鈍化液干燥成膜,完成鈍化處理過(guò)程。

按此處理的結(jié)構(gòu)級(jí)合金化鍍鋅鋼卷共340t,厚度規(guī)格為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm。全部發(fā)運(yùn)給用戶長(zhǎng)沙重型機(jī)器廠。

5.2　用戶試用

長(zhǎng)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(zhǎng)重廠使用完畢歷時(shí)近兩年,其間,鋼卷在長(zhǎng)重廠露天存放時(shí)曾遭雨淋,雨水進(jìn)入鋼卷內(nèi)部夾在各層之間。長(zhǎng)重廠監(jiān)測(cè)表明“板材經(jīng)近兩年時(shí)間的耐蝕考驗(yàn),仍保持了良好的合金化鍍鋅層表面,無(wú)黑銹、紅銹等銹蝕現(xiàn)象[6]。”與之形成鮮明對(duì)照的是,武鋼同期生產(chǎn)供應(yīng)給長(zhǎng)重廠的原工藝鈍化的合金化鍍鋅鋼卷,長(zhǎng)重廠監(jiān)測(cè)表明：“板材從進(jìn)廠僅2個(gè)月后,部分板材開卷就發(fā)現(xiàn)黑銹和個(gè)別紅銹銹蝕[6]。”

關(guān)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(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度等方面,長(zhǎng)重廠亦做了全面考核,給予肯定評(píng)價(jià)[6]。

長(zhǎng)重廠用武鋼生產(chǎn)的WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板制造的YZ22型客車,供應(yīng)給重慶鐵路分局等單位使用,至今已正常運(yùn)行十年以上。

6　結(jié)　語(yǔ)

(1)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(shuō)明,通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究建立的WXDⅢ鈍化工藝生產(chǎn)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(yōu)良涂著性的前提下,大大提高耐蝕性。WXDⅢ鈍化工藝為延長(zhǎng)在涂復(fù)涂料狀態(tài)下使用的合金化鍍鋅板制品的服役壽命開辟了前景。

(2)經(jīng)工業(yè)性試驗(yàn)生產(chǎn)的WXDⅢ鈍化合金化鍍鋅板,在兩年的運(yùn)輸、儲(chǔ)存期間,表面未發(fā)生銹蝕,滿足用戶要求。而原工藝鈍化合金化鍍鋅板,經(jīng)兩個(gè)月即開始發(fā)生銹蝕,造成經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)鐵路線上正常運(yùn)行十余年,尚在繼續(xù)運(yùn)行中。