CN115094489A - 一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请桥索钢丝技术领域，具体公开了一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝及其加工工艺。一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝，其包括如下操作步骤：钢丝预处理；热镀处理：将预处理后的钢丝进行第一次助镀，烘干，热镀锌，水冷，进行第二次助镀，烘干，热镀锌铝，水冷，干燥后收线成盘，得到锌铝合金钢丝；所述助镀液包括如下原料：氯化铵溶液、氯化锌溶液、2‑羟基丙酸亚铁盐和水的混合物作为助镀液。采用本申请加工工艺得到的锌铝合金钢丝抗拉强度、断后伸长率和扭转值最高分别为1935MPa、5.1%和22次，腐蚀损失最低仅为365g/mm2·h，在保证锌铝合金钢丝基础上，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本申请涉及桥索钢丝领域，更具体地说，它涉及一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝及其加工工艺。
背景技术
桥梁是目前跨越海湾、峡谷、大江和大河的大跨度桥梁设计的首选方式，而缆索在桥梁建设中必不可少的承重传力构件。目前，大部分桥梁缆索是由高强度钢丝或钢丝制品组成。
目前，用于桥梁缆索的钢丝的耐腐蚀性较差，而各类桥梁的建设地点从内陆发展到沿海地区，空气中含有大量的氯离子，能直接与锌层发生化学反应，形成可溶性锌盐腐蚀钢丝表面的锌层，缩短钢丝的寿命。
发明内容
为了提高锌铝合金钢丝的耐腐蚀性，本申请提供了一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝及其加工工艺。
第一方面，本申请提供一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其采用如下技术方案：
一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其包括如下操作步骤：
钢丝预处理：放线，热处理，水浴，水洗，酸洗，水洗，备用；
热镀处理：将预处理后的钢丝在60-80℃进行第一次助镀3-5s，在40-60℃条件下烘干，热镀锌5-15s，水冷却至65-75℃，在60-80℃进行第二次助镀3-5s，在40-60℃条件下烘干，热镀锌铝5-15s，水冷却至65-75℃，干燥后收线成盘，得到锌铝合金钢丝；
所述助镀液包括如下重量份原料：浓度为60-110g/L氯化铵溶液40-50份、浓度为100-150g/L氯化锌溶液50-60份、2-羟基丙酸亚铁盐2-4份和水150-200份的混合物作为助镀液。
通过采用上述技术方案，对钢丝进行表面预处理，是锌铝合金钢丝制备的首要环节，可去除钢丝表面的氧化铁皮和氧化膜，清除表面残留的酸性物质，防止酸性物质对钢丝表面产生腐蚀。
钢丝预处理中先对钢丝进行热处理，使钢丝利于拉拔，增加钢丝的强度。然后进行酸洗处理，除去钢丝表面的氧化铁。酸洗后的钢丝通过助镀液进行助镀，进一步清洁钢丝表面，然后采用热镀的方式，在钢丝表面进行热镀锌和热镀锌铝处理，镀锌可减少钢丝表面腐蚀，铁作正极，电子从负极流向正极而使铁被保护不被氧化，延长了钢丝的寿命。锌铝合金镀层中的铝元素可起到把钢与外部分隔开的屏蔽作用，同时锌元素具有优异的电化学防护性能，可提高钢丝的耐腐蚀性。
热镀后烘干时为了防止钢丝在浸镀时由于温度急剧升高而变形，并除去残余水分，防止产生爆锌，造成锌液爆溅，将镀丝干燥后进行镀锌，可提高热镀锌的质量。
助镀液中氯化铵溶液的浓度对助镀效果影响较大，若未达到100-200g/L，钢丝表面会附着少许盐膜，会影响到镀层的均匀光滑性，较容易发生漏镀，浓度超过400-500g/L，钢丝表面的盐膜过厚，不利于干透，导致锌液飞溅，形成大量锌灰和烟尘，影响热镀效果。
纯氯化铵溶液能够快速干燥但容易生成“霜形”镀层，氯化锌溶液和氯化铵溶液复合使用，可在镀锌温度下维持液态、气态并存，从而保证在镀锌温度下氯化铵溶液仍存在，并有一定的反应能力，不会形成霜层。2-羟基丙酸亚铁盐可进一步提高镀层的耐腐蚀性。
作为优选：所述助镀液pH值为4-5。
通过采用上述方案，助镀液pH值小于4钢丝会被腐蚀，大于5，助镀液对钢丝表面的清洁效果较差，调节助镀液pH值可提高助镀液对钢丝表面的清洁效果。
作为优选：所述助镀液的温度控制在60-80℃。
通过采用上述方案，助镀液的温度宜应控制在60-80℃。在热溶剂中，助镀剂与钢丝润湿更加充分，可增强净化效果；温度低于60℃时，工件提出后表面助镀剂盐膜不易干透，同时还会导致溶液没有足够的活性清洁工件表面；温度高于80℃会造成助镀剂在工件表面过度沉积而产生双层盐膜结构，发生爆锌。
作为优选：所述助镀液包括如下重量份原料：乳化剂NP-10 1-3份和表面活性剂0.1-0.3份。
通过采用上述技术方案：乳化剂NP-10可提高氯化铵溶液的稳定性。表面活性剂可使助镀液对镀件的表面张力下降，减小助镀液对钢丝表面的接触角，使助镀液形成的盐膜更加均匀、致密，从而提高助镀效果。
作为优选：所述表面活性剂为脂肪醇醚硫酸钠、六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠中的至少一种。
作为优选：所述热镀锌步骤是将钢丝浸入锌液中，锌液温度控制在450-470℃，浸镀0.5-1min。
通过采用上述技术方案，调节锌液温度和浸镀时间有利于提高热镀效果，温度过低，锌液流动性差，镀层厚不均匀，易产生流挂，温度过高，会产生大量锌渣，影响镀锌层的质量，温度适宜，锌液流动性好，附着力强，镀层薄。
作为优选：所述锌液还包括如下重量百分含量原料：铋粉0.1-0.4％，余量为锌液。
通过采用上述技术方案，锌液中添加元素铋可提高锌液流动性，降低锌液的表面张力，使镀件浸镀后提升过程中表面的液态锌能够更好地回流，提高镀锌的效果。另外锌液中含铋对锅体有保护作用，还可延长锌锅的使用寿命。
作为优选：锌铝液温度控制在455-460℃，浸镀0.5-1min。
通过采用上述技术方案，调节锌铝液温度，有利于提高热镀效果。温度过低，锌液流动性差，镀层厚不均匀，易产生流挂，温度过高，会产生大量锌渣，影响镀锌层的质量，温度适宜，锌液流动性好，附着力强，镀层薄。
作为优选：所述锌铝液包括如下重量百分含量原料：铝10-15％，余量为锌液。
通过采用上述技术方案，铝的加入可减少锌液在生产过程中氧化，由于铝与氧的亲和力大，会先被氧化；另外，铝具有很强的自钝化功能，其与锌的复合使用可结合锌的自牺牲性和铝的自保护优点，并使锌液表面形成三氧化二铝的保护薄膜，三氧化二铝保护薄膜阻止紧密，内部缺陷极少，可以阻止氧气向钢丝内部扩散，减少氧气与钢丝的接触几率，从而可有效地防止镀层表面的氧化，可以减薄镀锌的厚度，阻止镀层产生裂纹，增加镀层的光洁度，提高镀层粘附性。
第二方面，本申请提供一种上述任一项用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺得到的锌铝合金钢丝。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
(1)本申请通过控制锌铝合金钢丝的加工工艺，并控制助镀液各原料的种类和掺量，使锌铝合金钢丝的抗拉强度、断后伸长率和扭转值分别为1921MPa、4.7％和20次，腐蚀损失仅为432g/mm2·h，在保证锌铝合金钢丝基础上，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性能。
(2)本申请通过调节助镀液pH值，使锌铝合金钢丝腐蚀损失为412g/mm2·h，进一步提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
(3)本申请通过控制锌液温度，使锌铝合金钢丝腐蚀损失为405g/mm2·h，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
(4)本申请通过锌液中加入铋粉，使锌铝合金钢丝腐蚀损失仅为389g/mm2·h，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
(5)本申请控制锌铝液温度，使锌铝合金钢丝腐蚀损失仅为365g/mm2·h，进一步提高锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。本申请中的如下各原料均为市售产品，均为使本申请的各原料得以公开充分，不应当理解为对原料的来源产生限制作用。具体为：乳化剂NP-10，有效物质含量为99％；表面活性剂选用六甲基二硅氮烷，型号为KH-620；铋粉，粒径为300目；氯化铵，有效物质含量为99.5％；氯化锌，有效物质含量为98％。
实施例1
实施例1的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其包括如下操作步骤：
钢丝预处理：放线，采用淬火的方式在100℃条件下进行热处理，淬火1min，在70℃条件下水浴0.5min，水洗，酸洗，水洗，备用；酸洗采用120g/L的盐酸溶液。
热镀处理：将预处理后的钢丝在80℃进行第一次助镀3s，在40℃条件下烘干，热镀锌5s，水冷却至65℃，在80℃进行第二次助镀5s，在40℃条件下烘干，热镀锌铝5s，水冷却至65℃，干燥后收线成盘，得到锌铝合金钢丝。助镀选用45kg浓度为85g/L氯化铵溶液、55kg浓度为100-150g/L氯化锌溶液、2kg的2-羟基丙酸亚铁盐和200kg的水的混合物作为助镀液，并调节pH值为5.5。热镀锌处理将钢丝浸入10L锌液中，浸入深度5mm，锌液温度控制在440℃，浸镀0.5min。热镀锌铝处理将钢丝浸入锌铝液中，锌铝液温度控制在450℃，浸镀0.5min；所述锌液为10L锌液中加入1L的铝。
实施例2-3
实施例2-3的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例1相同，区别在于助镀液中的各原料掺量不同，具体掺量详见表1所示。
表1实施例2-3的助镀液的各原料掺量(单位：kg)
| 原料 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 氯化铵溶液 | 45 | 45 | 45 |
| 氯化锌溶液 | 55 | 55 | 55 |
| 2-羟基丙酸亚铁盐 | 2 | 3 | 4 |
| 水 | 200 | 200 | 20 |
实施例4-6
实施例4-6的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例3相同，区别在于助镀液还添加有乳化剂NP-10和表面活性剂(六甲基二硅氮烷)，具体掺量详见表2所示。
表2实施例4-6的助镀液的各原料掺量(单位：kg)
| 原料 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 氯化铵溶液 | 45 | 45 | 45 |
| 氯化锌溶液 | 55 | 55 | 55 |
| 2-羟基丙酸亚铁盐 | 3 | 3 | 3 |
| 乳化剂NP-10 | 1 | 2 | 3 |
| 表面活性剂 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 水 | 200 | 200 | 20 |
实施例7
实施例7的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例5的区别在于，热度处理步骤中调节助镀液pH值为4.5，其余操作与实施例5相同。
实施例8
实施例8的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例8的区别在于，热镀锌步骤中锌液温度控制在460℃，其余操作与实施例7相同。
实施例9
实施例9的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例8的区别在于，热镀锌处理中在10L锌液中加入0.03kg的铋粉，其余操作与实施例8相同。
实施例10
实施例10的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例9的区别在于，热镀锌铝处理步骤中，锌铝液温度控制在460℃，其余操作与实施例9相同。
对比例1
对比例1的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺与实施例1的区别在于，热镀处理步骤中，助镀液未添加2-羟基丙酸亚铁盐，其余操作与实施例1相同。
性能检测
采用如下检测标准或方法分别对不同的实施例1-10和对比例1得到的锌铝合金钢丝进行性能检测，检测结果详见表3所示。
抗拉强度：根据JT_T 1104-2016《桥梁用热镀锌铝合金钢丝》对锌铝合金钢丝进行抗拉强度的检测。
断后伸长率：根据JT_T 1104-2016《桥梁用热镀锌铝合金钢丝》对锌铝合金钢丝进行镀层均匀性的检测。
扭转值：将锌铝合金钢丝两端紧固，浅口间距100d，一端向轴线方向移动，另一端以每分钟60转的速度转动，扭转锌铝合金钢丝，记录可转动次数。
耐腐蚀性：将锌铝合金钢丝浸泡至浓度为5％的硫酸溶液中，对锌铝合金钢丝进行耐腐蚀性的检测，计算腐蚀损失。
表3不同锌铝合金钢丝的性能检测结果
由表6的检测结果表明，本申请得到的锌铝合金钢丝的抗拉强度、断后伸长率和扭转值最高分别为1935MPa、5.1％和22次，腐蚀损失最低仅为365g/mm2·h，表明采用本申请锌铝合金钢丝的制备工艺，可在保证锌铝合金钢丝基础上，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性能。
实施例1-3中，实施例2的锌铝合金钢丝的抗拉强度、断后伸长率和扭转值分别为1890MPa、4.5％和17次，均高于实施例1和实施例3，腐蚀损失仅为365g/mm2·h，均低于实施例1和实施例3，表明实施例2助镀液中2-羟基丙酸亚铁盐的掺量较为合适，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性，可能是与助镀液中2-羟基丙酸亚铁盐可进一步提高镀层的耐腐蚀性有关。
实施例4-6中，实施例5的锌铝合金钢丝的抗拉强度、断后伸长率和扭转值分别为1921MPa、4.7％和20次，均高于实施例4和实施例6，腐蚀损失仅为432g/mm2·h，均低于实施例4和实施例6，表明实施例5助镀液中乳化剂NP-10的掺量较为合适，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性，可能是与乳化剂NP-10可提高氯化铵的稳定性。表面活性剂可使助镀液对镀件的表面张力下降，减小助镀液对钢丝表面的接触角，使助镀液形成的盐膜更加均匀、致密，从而提高助镀效果有关。
结合实施例5和实施例7的锌铝合金钢丝各项指标数据发现，实施例5的锌铝合金钢丝的抗拉强度和断后伸长率分别为1923MPa和4.8％，均高于实施例5，腐蚀损失仅为412g/mm2·h，低于实施例5，表明热度处理步骤中调节助镀液pH值为4.5较为合适，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
结合实施例7和实施例8的锌铝合金钢丝各项指标数据发现，实施例8的锌铝合金钢丝的抗拉强度和扭转值分别为1930MPa和21次，均高于实施例8，腐蚀损失仅为405g/mm2·h，低于实施例7，表明热镀锌步骤中锌液温度控制在460℃较为合适，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
结合实施例8和实施例9的锌铝合金钢丝各项指标数据发现，实施例9的锌铝合金钢丝的抗拉强度和断后伸长率分别为1932MPa和4.9％，均高于实施例5，腐蚀损失仅为389g/mm2·h，低于实施例8，表明热镀锌处理中在10L锌液中加入0.03kg的铋粉，可提高锌铝合金钢丝的耐腐蚀性，可能与锌液中添加元素铋可提高锌液流动性，降低锌液的表面张力，使镀件浸镀后提升过程中表面的液态锌能够更好地回流，提高镀锌的效果有关。
结合实施例9和实施例10的锌铝合金钢丝各项指标数据发现，实施例10的锌铝合金钢丝的抗拉强度、断后伸长率和扭转值分别为1935MPa、5.1％和22次，均高于实施例9，腐蚀损失仅为365g/mm2·h，低于实施例9，表明热镀锌步骤中锌铝液温度控制在460℃较为合适，提高了锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
另外，结合对比例1和实施例1的锌铝合金钢丝各项指标数据发现，本申请在助镀液原料中加入2-羟基丙酸亚铁盐，可提高锌铝合金钢丝的耐腐蚀性。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于，其包括如下操作步骤：
钢丝预处理：放线，热处理，水浴，水洗，酸洗，水洗，备用；
热镀处理：将预处理后的钢丝在60-80℃进行第一次助镀3-5s，在40-60℃条件下烘干，热镀锌5-15s，水冷却至65-75℃，在60-80℃进行第二次助镀3-5s，在40-60℃条件下烘干，热镀锌铝5-15s，水冷却至65-75℃，干燥后收线成盘，得到锌铝合金钢丝；
所述助镀液包括如下重量份原料：浓度为60-110g/L氯化铵溶液40-50份、浓度为100-150g/L氯化锌溶液50-60份、2-羟基丙酸亚铁盐2-4份和水150-200份的混合物作为助镀液。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于：所述助镀液pH值为4-5。
3.根据权利要求2所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于：所述助镀液的温度控制在60-80℃。
4.根据权利要求1所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于，所述助镀液还包括如下重量份原料：乳化剂NP-10 1-3份和表面活性剂0.1-0.3份。
5.根据权利要求4所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于：所述表面活性剂为脂肪醇醚硫酸钠、六甲基二硅氮烷和十二烷基磺酸钠中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于：所述热镀锌步骤是将钢丝浸入锌液中，锌液温度控制在450-470℃，浸镀0.5-1min。
7.根据权利要求6所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于，所述锌液包括如下重量百分含量原料：铋粉0.1-0.4%，余量为锌液。
8.根据权利要求1所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于：所述热镀锌铝步骤是将钢丝浸入锌铝液中，锌铝液温度控制在455-460℃，浸镀0.5-1min。
9.根据权利要求8所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺，其特征在于，所述锌铝液包括如下重量百分含量原料：铝10-15%，余量为锌液。
10.一种权利要求1-9任一所述的用于桥梁缆索的锌铝合金钢丝的加工工艺得到的锌铝合金钢丝。
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