沿海地区钢结构件多元金属热扩渗长效防腐技术
时间：2023-02-13 11:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
任玉中 李康宁 王玉环 刘兴智
（1. 重庆大有表面技术有限公司，重庆 401326；
2. 重庆大用新材料技术有限公司，重庆 401326；
3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）
钢铁腐蚀是一个世界性的难题，据统计，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约7000亿～10000亿美元。其中，英国近年来因腐蚀造成的损失平均达100亿英镑，占GDP的3.5%；
德国的损失约为450亿德国马克，占GDP的3.0%；
美国年腐蚀损失达3000多亿美元，占GDP的4.2%。
根据世界上宏观的统计和调查，所有材料每年因腐蚀损失约1%的重量，这种损失在热带、海洋的环境中更加严重。从世界上来看，腐蚀带来的经济损失约占国家经济总量的3～4%。
据统计，2014年全国自然灾害经济损失为3373.8亿元[1]，而腐蚀造成的损失，按照占当年GDP的3%计算，年损失约为两万亿人民币，是各种自然灾害所造成损失总和的数倍[2]。腐蚀问题已经成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一。
沿海潮湿地区是钢铁腐蚀最为严重的区域，我国的海岸线长度约14000km，沿海大部分地区的大气腐蚀性等级为C3级或C4级，在极个别海岸地区如海南万宁近海场及海洋平台可达到C5级。西沙、南沙等南海岛礁大气腐蚀性等级属于C5级或C4级，腐蚀防护应按照大气腐蚀性为C5级考虑[3]。其腐蚀特征为高氯离子+工业化学物质灰尘+工业污染“酸雨”[4]。
1.1 研究目标
本研究针对铁路建设中常用的栏杆、吊篮围栏、防落梁、接触网立柱、检查梯等钢结构件进行了研究，材料规格有圆钢、角钢、钢板、紧固件等，材质为Q235、Q345。
一般来说，钢结构件工程的使用寿命为80～100年，防腐寿命亦应与工程建设同寿命。同时，要求防腐层具有抗酸性腐蚀的能力；
具有一定的硬度和良好的抗冲击性能，以满足施工和运输的要求；
考虑到钢结构件中使用时常需要作预埋，防腐层与混凝土应具有较好的亲合性和相容性；
材料的力学性能不得有降低。
1.2 防腐层制备技术
为达到上述研究目标，本研究采用多元金属热扩渗-锌镍渗层技术。
锌镍渗层防锈技术是一种通过低温化学置换原理，即渗层金属在一定的温度和活化剂的作用下，锌原子在钢铁表面发生吸附、吸收、反应扩散，在钢铁表面形成合金沉积层；
同时与钢铁基体中的铁原子互换，并向待渗钢铁基材内扩散。其特点是在饱和固溶锌基体金属表面形成冶金结合的合金沉积层；
镍则存在于表面，可以提高表面耐蚀性。如图1所示。
图1 锌镍渗层结构示意图
防腐层制备工艺过程是：除油→除锈→锌镍渗层制备→去灰→钝化→封闭。
1.2.1 除油及除锈
（1）除油
除油可用碱洗除油和热处理除油两种方式。
金属零件渗层制备前须进行除油处理，采用表面活性剂和碱性脱脂剂使动植物油脂皂化，在80℃脱脂10min可有满意的除油效果。
热处理除油是利用加热的方式使钢件表面的油脂碳化，热处理除油的温度需严格控制，一般在渗层制备温度以下50℃；
（2）除锈
抛丸是一种比较好的表面清理方式，根据工件的不同形状，可以用履带式、吊钩式或通过式抛丸设备，钢丸中可适量添加切丸。严格控制单次抛丸工件数量和抛丸时间，保证钢丸撞击到工件形成约200%的覆盖率，达到Sa2.5及更优的清理程度。而对于像螺栓之类的外螺纹件，则采用分段处理方式，对螺栓头部和螺纹处分段处理，注意控制螺纹处的抛丸时间，有效地保证了螺纹的形状和尺寸。
1.2.2 渗层制备
多元金属热扩渗涂层制备技术，包含了金属粉末渗剂、活化剂、填充剂的元素种类、粉末粒径、混合质量比等关键因子优化设计，作为一个代表性的渗剂配方为：Zn粉20%～30%，Ni粉1.0%～4.0%、Al粉3%～12%、稀土2%～6%、氯化铵1%～4%，余量为三氧化二铝粉料。
对于体积较大的钢结构件，需要对升温速率进行调节，这种调节一般是降低升温速率，这样有利于渗剂和工件受热的均匀性，调整后升温时间较正常情况有所增加，约0.5h。炉罐转速一般控制在2-5RPM。
1.2.3 除灰
除灰的目的是为了去除零件表面的粉末渗剂，降低表面色差。除灰首先用振动的方式去除附着在零件上的渗剂，通过振动可除去附着在零件上的80%以上的渗剂。振动以后的进一步除灰可通过高压水清洗或超声波清洗。对于螺纹件，为保护好制备的渗层，采用了超声波清洗。
1.2.4 钝化
钝化的目的是降低渗层合金层活性，在表面形成一层封闭膜，进一步提高腐蚀抗力。在渗镀行业，六价铬钝化被禁止使用以后，三价铬钝化成为钝化工艺的首选钝化材料。随着环保要求的日益严格，人们一直在寻求取消铬的无铬钝化技术，先后开发了钼酸盐钝化、钨酸盐钝化、稀土盐钝化、钛盐钝化、硅酸盐钝化等[5-7]。可能是由于钝化膜孔隙或不稳定的原因，钝化效果都不令人满意。经反复试验，某研究院研制的硅基材料钝化液对锌镍渗层钝化效果较好，经硅基材料钝化后，渗层抗盐雾腐蚀能力大幅度提高。图2是锌镍渗层后不同钝化方式3000h中性盐雾试验照片。可见硅基材料具有非常好的钝化效果。已批量用于沿海地区钢结构件的锌镍渗层防腐。
图2 锌镍渗层处理后不同钝化方式3000h中性盐雾试验照片
1.2.5 封闭
封闭处理是填充钝化膜上的孔隙和高吸附力缺陷的重要措施，以进一步提高防腐层的抗蚀性。在三价铬钝化或其他钝化条件下，封闭是必须的；
而在硅基材料钝化情况下，封闭并不是必须的，这可能与硅基材料钝化膜致密程度高有关。
2.1 防腐层厚度
渗层制备后经厚度检测，所有钢结构件平均渗层厚度≥80μm，最低厚度≥60μm。
2.2 防腐性能
盐雾试验作为一种人造气氛的加速抗腐蚀评估方法。将一定浓度的盐水雾化；
然后喷在一个密闭的恒温箱内，通过观察被测样品在箱内放置一段时间后的变化来反映被测样品的抗腐蚀性，它是一种加速测试方法，其盐雾环境的氯化物浓度，是一般天然环境盐雾含量的几倍或几十倍，使腐蚀速度大幅提高，对产品进行盐雾试验，得出结果的时间也大幅缩短，是评价防腐涂层的常用方法。
在测试样件选择上，选择了不同的代表性产品，特别注意选择了焊接样件（如接触网钢板）和渗层制备难度较大的螺纹样件（如锚固螺栓和U型螺栓）。
对钢板、角钢、螺栓、螺母件按GB/T 10125作2400h中性盐雾试验，按GB/T 9789作240h SO2腐蚀试验，然后按GB/T 6461评定红锈面积，其最大红锈面积不超过0.25%，如表1所示。
表1 防锈性能测试样件及测试结果
2.3 力学性能
为考查锌镍渗层制备对预埋件机械性能的影响，对Q235和Q345材料的钢结构件各选一组产品测试渗层前后的力学性能。Q235材料选择Φ20×820U型螺栓，Q345材料选择M36×800锚固螺栓。测试结果如表2，表3所示。
表2 φ20U型螺栓测试数据
表3 M36×800锚固螺栓测试数据
测试数据显示，无论是螺栓的拉断力，还是抗拉强度、屈服强度、延伸率、面缩率在渗层前后都没有明显变化，表明锌镍渗层不会使钢铁构件的力学（机械）性能产生变化。
2.4 渗层硬度
锌镍渗层是一层金属化合物的合金层，具有高于钢铁基体的硬度，表4是在不同钢种上测试的渗层与基体硬度，表中数据显示，渗层硬度约高于基体硬度80～110HV，因而锌镍渗层具有较好的耐 磨性。
表4 各钢种渗层截面与基体硬度测试值
深圳地铁集团曾将锌镍渗层处理后与304、316不锈钢作过对比试验，无论是在钢的强度、表面硬度，还是耐蚀性方面，锌镍渗层均优于不锈钢[8]。
2.5 抗冲击性能
钢结构件在运输、安装及使用中不可避免受到冲击载荷作用，在冲击载荷作用下，渗层是否出现开裂和剥落是关系到钢结构件能否进行全寿命防腐的十分重要的问题。为此，我们对锌镍渗层抗冲击性进行了测试，采用2kg的球型冲头，落锤下落高度为1m（冲击能量19.8J），试片为锌镍渗层渗镀的Q235试片。落锤冲击后未出现渗层剥落或开裂，如图3所示；
金相观察也证实，除渗层有少量微裂纹外，并无剥落，渗层与基体间也保持完整结合，如图4所示。
图3 落锤冲击部位的渗层表面形貌
图4 落锤凹坑底部金相
2.6 钢结构件锌镍渗层与混凝土黏结性
钢结构件在使用中不可避免在混凝土中进行预埋，这就涉及到锌镍渗层与混凝土之间的黏结力，也称握裹力。一般来说，钢筋表面粗糙程度愈大，与混凝土之间的机械咬合力愈好，握裹力也愈大。锌镍渗层制备时，前处理抛丸无疑可以提高表面粗糙度，在渗层阶段渗层/渗剂界面存在众多结晶位置，它们都能够接受渗剂原子，使得渗层连续生长。这种生长是垂直生长，无论在宏观上，还是在微观上都会增加表面粗糙度，因而也会提高钢筋的握裹力。经锌镍渗层处理前后钢筋握裹力实际测试数据分别为3.83MPa，9.89MPa，与混凝土黏结力大幅度提高。
3.1 海南岛西环线铁路扣件
作为沿海地区典型代表海南岛，2015年在西环线全线安装了锌镍渗层扣件。为与其他防腐对比，在东方站安装有达克罗扣件，经5年的服役，锌镍渗层扣件未见锈蚀，达克罗扣件全部锈蚀。如图5所示。
图5 海南岛西环线服役5年的锌镍渗层扣件（左）与达克罗扣件（右）
3.2 广州南沙港预埋螺栓
在南沙港NSGZQ-6标龙穴南特大桥部分桥墩同时安装了锌镍渗层和热浸锌预埋螺栓。该路段属季风气候区，季风明显。平均年降水量达到1800mm，气温及湿度较大且受氯离子及二氧化硫腐蚀。经18个月的服役热浸锌螺栓有明显锈蚀，而锌镍渗层螺栓无任何锈蚀，如图6所示。
图6 南沙港龙穴南特大桥服役的锌镍渗层螺栓（左）和热浸锌螺栓（右）
3.3 其他应用
现锌镍渗层长效防腐技术已在沿海铁路大量路段使用，特别是针对热浸锌防腐在沿海铁路接触网零件的锈蚀问题[9,10]，在福平铁路平潭岛跨海大桥接触网上的肩架、吊柱、金具已开始采用锌镍长效防腐渗层技术；
福州-厦门高速铁路接触网全线肩架，兴泉铁路桥梁人行道支架钢横梁及护栏等已大量采用锌镍渗层长效防腐技术。
（1）多元金属热扩渗-锌镍渗层，经2400h中性盐雾，红锈面积0.25%；
加封闭后240hSO2腐蚀试验，不出现红锈；
（2）Q235、Q345钢经渗层制备后其力学性能不发生变化；
渗层硬度可高于Q235钢基体硬度150HV；
（3）渗层在19.6J冲击载荷作用下不出现渗层 脱落；
（4）钢筋经渗层制备后，与混凝土黏结力大幅度提高；
（5）现场实际使用表明，多元金属热扩渗-锌镍渗层有优于其他表面防护技术的防腐性能。
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