CN113025845A - 一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝及其制备方法 - Google Patents

一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝及其制备方法，所述钢丝的钢丝本体外侧热镀锌铝镁合金镀层，所述锌铝镁合金镀层的厚度大于20um，所述锌铝镁合金镀层的成分中，镁的含量为0.6％～3.2％，铝含量为4.2％～11％，其余为锌和不可避免的杂质；所述钢丝本体和锌铝镁合金镀层之间存在厚度不大于2um的锌铁铝镁合金过渡层。本发明中，表面处理干净的钢丝，先电镀纯锌，再无氧化条件下加热到390℃～450℃，钢丝温度在390℃～450℃之间，浸没到390℃～450℃之间的熔融的锌铝镁合金镀液中，仅需3～15s就可完成热浸镀过程，钢丝在熔融的锌铝镁合金镀液中的停留时间短，表面还有极薄的纯锌层，钢丝表面的铁元素没有足够的时间大量扩散到锌铝镁合金镀层中，以形成厚度2um以上的锌铁铝镁合金过渡层。

Description

一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝及其制备方法
技术领域
本发明属于热浸镀锌基多元合金钢丝制造领域，具体涉及一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝及其制备方法。
背景技术
目前钢铁材料的防腐技术有电镀、热浸镀、热喷涂、喷漆等方法，热浸镀是当今世界应用最广泛、同时也是性价比最优的钢铁表面处理防腐方法。随着科学技术的发展，钢铁的热浸镀防腐技术进行了一系列革新。
桥梁缆索用钢丝表面镀层热浸镀技术包括热镀纯锌，热镀锌基多元合金。锌基多元合金又包括锌铝合金、锌铝镁合金、锌铝镁硅合金、锌铝合金添加稀土元素、锌铝镁合金添加稀土元素，等。其中热浸镀锌最早出现于法国，并于1836年用于工业生产，热镀工艺是先助镀剂处理钢丝表面然后热镀锌；1980年Galfan(Zn-5％Al)镀层成功开发，热镀锌铝镀层钢丝的耐腐蚀能力比热镀锌钢丝的耐腐蚀能力提高2～6倍。热镀工艺是先助镀剂处理钢丝表面然后热镀锌铝合金，或先热镀纯锌，再热镀锌铝合金。上世纪90年代日本新日铁公司成功开发了商品名为“ZAM”的锌铝镁合金镀层产品，该镀层的耐蚀性能又远高于锌铝镀层。在加速腐蚀测试中，ZAM的抗腐蚀性能为镀纯锌钢板的10～20倍，是Zn-5％Al合金镀锌钢板的5～8倍。目前已公开的热镀锌铝镁合金镀层的方法有先助镀剂处理钢丝表面然后热镀锌铝镁合金；或先热镀纯锌，再热镀锌铝镁合金。钢板热镀锌铝镁合金镀层采用钢板表面在退火炉中处理成海绵铁，然后再热浸镀锌铝镁合金。由于桥梁缆索钢丝强度来自钢丝拉拔加工硬化，退火炉工艺会大幅降低钢丝强度，因此钢板热镀锌铝镁合金镀层工艺不适合生产桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝。目前热镀锌或锌基多元合金，还必须使用助镀剂。热镀前助镀剂的使用，会在镀锌时产生大量刺鼻烟雾，污染环境，同时会在熔融镀液中产生锌渣，污染镀液。并且目前能直接用于锌铝镁热镀前处理的助镀剂，还没有工业化生产的实例。
国际国内的锌铝镁合金镀层研究，目前均集中在低硅钢板，而高强度桥梁缆索钢丝均采用高碳高硅成分的盘条。钢中硅含量对热镀锌反应具有显著影响，即圣德林(Sandelin)效应。由于Sandelin效应，热浸镀时铁锌反应加快，锌铁铝镁合金过渡层厚度大于5um，如附图1中所示，图1中，钢材基体1、锌铁铝镁合金过渡层2、锌铝镁合金镀层3。铁元素质量百分比大于10％的锌铁铝镁过渡层是一种脆性相，当厚度大于5um时，极易导致镀层脆性易脱落。在桥梁缆索用钢丝的产品检测中，200万次拉伸脉冲疲劳测试后可以看到厚度大于5um锌铁铝镁过渡层出现显微裂纹4，如附图2中所示。目前桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝中的锌铁铝镁合金过渡层的厚度均大于5um。
发明内容
本发明目的在于针对现有桥梁缆索用热镀锌铝镁钢丝镀层与钢丝基体界面间的锌铁铝镁过渡层塑形不足，现有锌铝镁热镀工艺需要助镀剂导致环境和镀液污染的问题，提供一种免助镀剂的热镀锌铝镁合金镀层的快速制备方法，该方法可以获得厚度不大于2um、平均铁含量低于8％的锌铁铝镁合金过渡层，进而制得镀层塑性良好的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝，所述钢丝的钢丝本体外侧热镀锌铝镁合金镀层，所述锌铝镁合金镀层的厚度大于20um，所述锌铝镁合金镀层的成分中，镁的含量为0.6％～3.2％，铝含量为4.2％～11％，其余为锌和不可避免的杂质；
所述钢丝本体和锌铝镁合金镀层之间存在厚度不大于2um的锌铁铝镁合金过渡层。
本发明还提供一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的制备方法，包括如下步骤：
(1)将盘条拉拔生产出的桥梁缆索用高强度钢丝表面进行碱洗脱脂，碱洗加热温度为80-90℃，去除钢丝表面的拉拔皂粉；
(2)对碱洗脱脂后的钢丝进行表面处理，清除钢丝表面的杂质，包括磷化膜和氧化铁，漏出钢丝基体；
(3)清洗钢丝基体表面并烘干；
(4)烘干后的钢丝进行电镀纯锌，电镀液为环保的焦磷酸铜液，得到镀层重量2～5g/m2的电镀锌钢丝；
(5)在无氧化保护气氛下将电镀锌钢丝加热到390℃-450℃；
(6)锌铝镁合金预先加热到390℃-450℃制得熔融的锌铝镁合金液，然后将步骤(5)中加热到390℃-450℃的钢丝浸入熔融的锌铝镁合金液中进行热浸镀，根据钢丝直径，热浸镀时间为3-15s；
(7)热镀锌铝镁合金后的钢丝进行冷却进行镀层凝固，根据镀层性能要求控制冷却时间为1-10s，获得韧性和耐腐蚀性能优良的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝。
其中，步骤(2)中，采用酸洗、超声波碱洗、抛丸、砂带、砂轮中的任意一种或任意组合的钢丝表面处理方式对钢丝进行表面处理。
其中，步骤(5)中，采用氮气或氩气作为防止钢丝氧化的保护气氛；采用电磁感应加热管将钢丝加热到390℃-450℃。
其中，步骤(7)中，采用风冷、水雾、喷水冷却的两种或三种的任意组合进行镀层凝固的控制冷却方式。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1、本发明中，表面处理干净的钢丝，通过无氧化条件下加热到390℃～450℃。由于钢丝表面电镀得到一层极薄的纯锌镀层，在钢丝表面温度与熔融的锌铝镁合金液温度相当条件下，可以直接热镀锌铝镁合金镀层，基本消除锌铁铝镁合金过渡层，钢丝与镀层之间的结合力良好，本发明提供的方法，可以替代助镀剂的使用。
2、本发明中，钢丝温度在390℃～450℃之间，浸没到390℃～450℃之间的熔融的锌铝镁合金镀液中，仅需3-15s就可完成热浸镀过程。相比较现有40-60s的先热镀锌再热镀锌铝镁合金的工艺，钢丝在熔融的锌铝镁合金镀液中的停留时间短，且纯锌镀层融解需要短暂时间，钢丝表面的铁元素没有足够的时间大量扩散到锌铝镁合金镀层中，以形成厚度2um以上的锌铁铝镁合金过渡层。由于过渡层厚度和平均铁含量的控制与降低，镀层塑性提高，桥梁缆索用钢丝在200万次拉伸脉冲实验中，镀层无显微裂纹出现。
3、本发明中，电磁感应加热可以在10s内将钢丝加热到390℃～450℃，加上3-15s的热浸镀时间，钢丝处于退火状态的时间不到25s，低于目前最短40s的热镀工艺时间。使用本发明的方法，钢丝的强度损失也就低于目前已有工艺，更加适合高强度桥梁缆索用钢丝的制造。
附图说明
图1为本发明背景技术中高强度桥梁缆索钢丝热浸镀后锌铁铝镁合金过渡层厚度大于5um的电镜图；
图2为本发明背景技术中厚度大于5um锌铁铝镁过渡层出现显微裂纹的示意图；
图3为本发明实施例一的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜图；
图4为本发明实施例二的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜图；
图5为本发明实施例三的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜图。
附图标记说明：
1、钢材基体；2、锌铁铝镁合金过渡层；3、锌铝镁合金镀层；4、裂纹；1-1、钢材基体；1-2、锌铁铝镁合金过渡层；1-3、锌铝镁合金镀层；2-1、钢材基体；2-2、锌铁铝镁合金过渡层；2-3、锌铝镁合金镀层；3-1、钢材基体；3-2、锌铁铝镁合金过渡层；3-3、锌铝镁合金镀层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明中，对桥梁缆索用锌铝镁镀层钢丝的检测判断采用如下方法：
a、钢丝中硅元素含量的测定：采用GB/T 223钢铁及合金化学分析方法，或GB/T20125-2006低合金钢多元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法；
b、锌铝镁合金镀层的观察：使用扫描电镜的背散射电子探头观察制成金相试样的钢丝及其表面镀层，分析和测量锌铁铝镁合金过渡层的厚度。
下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1
采用钢种B90Si盘条拉拔生产出的桥梁缆索用高强度钢丝，直径6mm。在热镀生产线上连续生产，速度18m/min。
1.1、钢丝进行碱洗脱脂，去除钢丝表面拉拔皂粉。碱洗加热温度约80～90℃；
1.2、钢丝进行湿法抛丸，抛丸2道次，去除钢丝表面拉拔磷化膜；
1.3、钢丝进行水洗，然后热风烘干；
1.4、烘干后的钢丝进行电镀纯锌，电镀液为环保的焦磷酸铜液，得到镀层重量5g/m2的电镀锌钢丝；
1.5、电镀锌钢丝进入通入氮气的电磁感应加热管中，6秒钟加热到430℃；
1.6电镀锌钢丝通过氮气保护管，浸入到430℃的锌铝镁合金镀液中。锌铝镁合金镀液中，铝含量4.5％，镁含量0.7％，其余为锌。钢丝热浸镀6秒后，出锌铝镁合金镀液；
1.7、热镀锌铝镁合金的钢丝垂直向上，经过电磁抹拭控制钢丝镀层厚度为51um，然后用喷水冷却，将钢丝及镀层温度降到200℃，然后浸入水槽中冷却到80℃，最后自然冷却干燥，收线，镀层凝固冷却速度快，得到柱状晶的镀层显微组织。
本实施例得到的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜照片如附图3中所示，扫描电镜型号为飞利浦Quanta400。测定锌铁铝镁合金过渡层5厚度0.5um，经过200万次拉伸脉冲实验中，镀层无显微裂纹出现。
实施例2
采用钢种B90Si盘条拉拔生产出的桥梁缆索用高强度钢丝，直径7mm。在热镀生产线上连续生产，速度12m/min。
2.1、钢丝进行碱洗脱脂，去除钢丝表面拉拔皂粉。碱洗加热温度约80～90℃；
2.2、钢丝进行盐酸酸洗，通过浓度16wt％，温度65℃的盐酸，清除脱脂后钢丝表面的氧化皮和拉拔磷化膜；
2.3、钢丝进行水洗，然后热风烘干；
2.4、烘干后的钢丝进行电镀纯锌，电镀液为环保的焦磷酸铜液，得到镀层重量2g/m2的电镀锌钢丝；
2.5、电镀锌钢丝进入通入氮气的电磁感应加热管中，10秒钟加热到450℃；
2.6、电镀锌钢丝通过氩气保护管，浸入到430℃的锌铝镁合金镀液中。锌铝镁合金镀液中，铝含量7％，镁含量1.5％，其余为锌。钢丝热浸镀15秒后，出锌铝镁合金镀液；
2.7、热镀锌铝镁合金的钢丝垂直向上，经过电磁抹拭控制钢丝镀层厚度为40um，然后用水雾冷却，将钢丝及镀层温度降到200℃，然后浸入水槽中冷却到80℃，镀层凝固冷却速度慢，得到块状晶的镀层显微组织，冷却速度越慢，块状晶粒尺寸越大，最后自然冷却干燥，收线。
本实施例得到的桥梁缆索用热镀锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜照片如附图4中所示，扫描电镜型号为飞利浦Quanta400。测定锌铁铝镁合金过渡层6厚度2.0um，经过200万次拉伸脉冲实验中，镀层无显微裂纹出现。
实施例3
采用钢种B90Si盘条拉拔生产出的桥梁缆索用高强度钢丝，直径5.5mm。除砂带抛光，其它在热镀生产线上连续生产，速度20m/min。
3.1、钢丝进行碱洗脱脂，去除钢丝表面拉拔皂粉。碱洗加热温度约80～90℃；
3.2、钢丝进行砂带抛光处理，4道次砂带处理，清除脱脂后钢丝表面的氧化皮和拉拔磷化膜；
3.3、钢丝进行水洗，然后热风烘干；
3.4、烘干后的钢丝进行电镀纯锌，电镀液为环保的焦磷酸铜液，得到镀层重量3g/m2的电镀锌钢丝；
3.5、电镀锌钢丝进入通入氮气的电磁感应加热管中，4秒钟加热到395℃；
3.6、电镀锌钢丝通过氮气保护管，浸入到400℃的锌铝镁合金镀液中。锌铝镁合金镀液中，铝含量11％，镁含量3.2％，其余为锌。钢丝热浸镀12秒后，出锌铝镁合金镀液；
3.7、热镀锌铝镁合金的钢丝垂直向上，经过电磁抹拭控制钢丝镀层厚度为30um，然后用水雾及空气冷却，将钢丝及镀层温度降到200℃，然后浸入水槽中冷却到80℃，最后自然冷却干燥，收线。
本实施例得到的桥梁缆索用热镀锌铝镁合金镀层钢丝的镀层扫描电镜照片如附图5中所示，扫描电镜型号为飞利浦Quanta400。测定锌铁铝镁合金过渡层7厚度1.2um，经过200万次拉伸脉冲实验中，镀层无显微裂纹出现。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝，其特征在于，所述钢丝的钢丝本体外侧热镀锌铝镁合金镀层，所述锌铝镁合金镀层的厚度大于20um，所述锌铝镁合金镀层的成分中，镁的含量为0.6％～3.2％，铝含量为4.2％～11％，其余为锌和不可避免的杂质；
所述钢丝本体和锌铝镁合金镀层之间存在厚度不大于2um的锌铁铝镁合金过渡层。
2.一种桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将盘条拉拔生产出的桥梁缆索用高强度钢丝表面进行碱洗脱脂，碱洗加热温度为80-90℃，去除钢丝表面的拉拔皂粉；
(2)对碱洗脱脂后的钢丝进行表面处理，清除钢丝表面的杂质，包括磷化膜和氧化铁，漏出钢丝基体；
(3)清洗钢丝基体表面并烘干；
(4)烘干后的钢丝进行电镀纯锌，电镀液为环保的焦磷酸铜液，得到镀层重量2～5g/m2的电镀锌钢丝；
(5)在无氧化保护气氛下将电镀锌钢丝加热到390℃～450℃；
(6)锌铝镁合金预先加热到390℃～450℃制得熔融的锌铝镁合金液，然后将步骤(5)中加热到390℃～450℃的钢丝浸入熔融的锌铝镁合金液中进行热浸镀，根据钢丝直径，热浸镀时间为3-15s；
(7)热镀锌铝镁合金后的钢丝进行冷却进行镀层凝固，根据镀层性能要求控制冷却时间为1-10s，获得桥梁缆索用热镀锌铝镁合金镀层钢丝。
3.根据权利要求2所述的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，采用酸洗、超声波碱洗、抛丸、砂带、砂轮中的任意一种或任意组合的钢丝表面处理方式对钢丝进行表面处理。
4.根据权利要求2所述的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，采用氮气或氩气作为防止钢丝氧化的保护气氛；采用电磁感应加热管将钢丝加热到390℃～450℃。
5.根据权利要求2所述的桥梁缆索用锌铝镁合金镀层钢丝的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，采用风冷、水雾、喷水冷却的两种或三种的任意组合进行镀层凝固的控制冷却方式。
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