1、建筑用 Q235 钢的表面镀层与耐腐蚀性能研究 杨建华 庚天芮 黄文怡 江苏城乡建设职业学院实训中心 江苏大学材料科学与工程学院 摘 要： 采用热浸镀方法在建筑用 Q235 钢面制备了 55Al-43Zn-2Si 镀层, 研究了表面镀层的显微形貌、物相组成和耐腐蚀性能。结果表明, Q235 钢板基材表面镀层较为平整, 无明显凹凸, 局部区域存在分散的显微凹陷或针孔;经过热浸镀处理后镀层已经覆盖 Q235 钢表面, 表面镀层中只有 Al 和 Zn 相, 且灰黑色区域是富Al 相, 灰白色区域为富 Zn 相;在 Q235 钢镀层腐蚀时镀层表面灰白色富 Zn 相优先腐蚀, 随后才发生富 Al 相和化
2、合物相的腐蚀, 最终造成腐蚀介质渗漏而造成Q235 钢基体的腐蚀破坏。关键词： 热浸镀; Al-Zn; 建筑用钢; 形貌; 腐蚀; 作者简介：杨建华 (1965-) , 江苏常州人, 硕士, 副教授.研究方向:工程材料.电话: (0519) 69872119, E-mail:收稿日期：2017-01-04Surface Coating and Corrosion Resistance of Q235 Steel for ConstructionYANG Jianhua GENG Tianrui HUANG Wenyi Training Center, Jiangsu Urban and Rur
3、al Construction; School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University; Abstract： The 55Al-43Zn-2Si coating was prepared on the surface of the Q235 steel with hot dip plating method, the microscopic morphology, phase composition and corrosion resistance of coating was investigated.The resu
4、lts show that the coating on the surface of Q235 steel substrate is smooth, no obvious convex or concave, and dispersed micro pits or pinholes exist in the local area.The coating has been covering the surface of Q235 steel after hot dip plating, surface coating is only Al and zinc, and gray-black ar
5、ea is Al-rich phase, gray areas is zinc-rich phase;then Al and compound phase of corrosion, resulting in corrosion medium leakage caused by corrosion of Q235 steel substrate.The grey and white area for Zn rich phase of coating Q235 steel surface is corrosion firstly, and secondly, Al and its compoun
6、d phase will be corrosion, lastly, the Q235 steel substrate will be corrosion and damaged with the leakage of corrosion liquid.Keyword： hot dip; Al-Zn; construction steel; microstructure; corrosion; Received： 2017-01-04Q235 钢是一种常用的碳素结构钢, 由于含碳量低、强度和塑性优异, 以及具有优良的焊接性能等而被大量应用于建筑和工程结构中, 如采用 Q235 钢制作厂房房架、
7、高压输电铁塔、桥梁等。据不完全报道, 全世界范围内因腐蚀而报废的金属量相当于金属年产量的 35%左右, 尤其是对于使用量较大的 Q235 钢材, 其腐蚀问题更加不可忽视。为了克服 Q235 钢耐腐蚀性能较差的现状, 国内外科学工作者尝试采用不同的表面改性方法来达到对 Q235 钢基材的防护, 其中热浸镀合金镀层的方法被认为是 Q235 钢表面防护的有效手段1,2。然而, 以往的研究多集中在 Zn-Al-Pb 等体系3, 而 Pb 对环境污染较为严重且不利于人体健康, 因此有必要开展 Al-Zn-S 等镀层的研究。本文在建筑用 Q235 钢基体表面热浸镀 55Al-43Zn-2Si, 研究了镀层
8、的显微组织特征和耐腐蚀性能, 为高耐腐蚀性能的热镀钢结构产品的开发与应用提供试验参考。1 试验材料与方法试样取自建筑用常规 Q235 低碳结构钢板, 实测化学成分 w (%) 为:0.18 C、1.2 Mn、0.25 Si、0.010 S、0.004 P, 余量为 Fe。将试样用砂纸打磨和清洗后, 在 80的 Na OH+Na2CO3碱洗溶液中进行脱脂 12 min, 然后在10%HCl+0.5%乌洛托品的酸洗液中酸洗 12 min, 再采用无水乙醇溶液清洗吹干备用。采用热浸镀工艺:预热温度为 625、预热时间为 10 min、浸镀温度为610、浸镀时间为 20 s, 然后水冷, 在试样表面制
9、备 55Al-43Zn-2Si 镀层。采用 FEI XL30 ESEM-FEG 场发射扫描电子显微镜观察镀层形貌, 并用 EDS 分析镀层成分;采用 panalytical BV 型 XRD 进行表面物相分析;采用英国 Solartron 1287 恒电位仪测定室温电化学性能, 扫描速率为 10 m V/min, 参比电极为饱和甘汞电极, 镀层为工作电极, 面积为 1010 mm, 辅助电极为铂, 腐蚀介质为0.01 mol/L Na HSO3+0.01 mol/L Na Cl 溶液。2 试验结果与讨论图 1 为采用热浸镀法得到的镀层 SEM 形貌, Q235 钢板表面没有发现漏镀现象。可以看
10、出, 镀层表面较为平整, 无明显凹凸, 白色化合物在镀层中均匀分布, 如图 1 (a) 所示;然而, 镀层局部区域存在一些显微凹陷或者针孔, 这些显微缺陷并未发生明显聚集, 如图 1 (b) 所示。这些显微凹陷或者针孔可能是由于热浸镀冷却过程中的气体逸出造成的4。图 2 为热浸镀镀层的 XRD 分析结果。在热浸镀前 Q235 的主要物相为 Fe, 没有出现其它衍射峰;在经过热浸镀之后, 镀层的物相主要为 Al 和 Zn, 没有 Fe 以及其它物相。由此可见, 镀层已经覆盖了 Q235 钢表面。图 3 为镀层表面进行的二次电子和背散射分析结果, 可以清晰看出镀层表面主要由灰白色和灰黑色区域构成,
11、 但是没有发生局部聚集, 灰白色和灰黑色分散较为均匀;除此之外, 局部显微凹陷或者针孔清晰可见。图 1 建筑用 Q235 钢表面镀层的 SEM 形貌 Fig.1 SEM morphology of surface coating of Q235 steel for construction 下载原图图 2 建筑用 Q235 钢基材和表面镀层的 XRD 图谱 Fig.2 XRD diagram of Q235 steel substrate and surface coating 下载原图对图 3 (b) 中的灰黑色和灰白色区域分别进行能谱分析, 结果如图 4。根据能谱分析结果可知, 表面镀层中
12、的灰黑色区域主要含有 Al 和 Zn 元素 (55.47%Al、44.53%Zn) , 且主要为 Al;而表面镀层中灰白色区域主要含有 Zn和 Al (30.90%Al、66.49%Zn、2.61%O) , 且主要为 Zn 元素。由此可见, 表面镀层中的灰黑色区域应该是富 Al 相, 而灰白色区域为富 Zn 相, 灰白色区域的富 Zn 相中还检测到一定含量的 O 元素, 可能是来自于 Al 或者 Zn 的氧化物;无论是灰黑色区域还是灰白色区域的能谱分析结果都未检测到 Si 元素的存在, 这可能与镀层 Si 元素主要集中在合金层中, 而在表面含量较低有关。Q235 钢表面镀层的能谱分析结果, 表
13、明本文的热浸镀镀层与商业 55%Al-43.4%Zn-1.6%Si镀层的成分较为接近, 通过本文的热浸镀工艺可以在建筑用 Q235 钢表面制备类似的镀层。图 5 为镀层腐蚀时间与腐蚀电位的变化, 以表征镀层的腐蚀性能。在腐蚀的开始阶段 (02 天) , Q235 钢表面镀层的腐蚀电位在-1.02-1.0 V 之间;随着腐蚀时间的延长 (36 天) , 腐蚀电位有所正移, 自腐蚀电位在-0.99-0.97 V;腐蚀时间为 811 天, 腐蚀电位正移至-0.97-0.95 区间;而当腐蚀时间延长至12 天后, 腐蚀电位发生了跳跃式正移, 自腐蚀电位在-0.90 V 以上。这表明在腐蚀开始阶段主要为
14、镀层氧化膜的破坏过程, 而后分别为镀层富 Zn 相的局部腐蚀、镀层富 Al 相的局部腐蚀, 直至腐蚀时间延长至 12 天后镀层表面发生了合金相的腐蚀5, 且由于腐蚀产物增厚, 基体本身与腐蚀液接触的面积降低, 因而耐腐蚀性能有所变化。图 3 建筑用 Q235 钢表面镀层的 SEM 形貌 Fig.3 SEM morphology of surface coating of Q235 steel for construction 下载原图图 4 图 3 (b) 的局部区域的能谱分析结果 Fig.4 Spectrum analysis results of local area in Fig.3b
15、下载原图图 5 表面镀层的自腐蚀电位随着腐蚀时间的测量结果 Fig.5 The corrosion potential of the surface coating with corrosion time 下载原图图 6 为经过 15 天电化学腐蚀后表面镀层的扫描电镜形貌。二次电子像中可见镀层表面被厚厚的腐蚀产物所覆盖, 局部区域可见显微裂纹;背散射电子像中可见腐蚀后的镀层中出现了灰白色、灰色以及裂缝黑色区域, 能谱分析表明, 灰白色区域主要含有 Al、Zn 和 O 元素, 且 Al 含量超过 50%, 此处为富 Al 相;灰色区域主要为 O 和 Al 元素, 应该为表面腐蚀产物;而裂缝黑色区
16、域中主要为 Fe和 Al 元素, 且 Fe 元素含量高达 70%以上, 表明这个区域的腐蚀产物较薄。图 6 表面镀层腐蚀 15 天后的 SEM 形貌 Fig.6 SEM morphology of surface coatings after corrosion for 15 days 下载原图图 7 为经过 15 天电化学腐蚀前后的表面镀层 XRD 分析结果。可以看出, Q235钢表面镀层腐蚀前的主要物相为 Al 和 Zn;经过 15 天的电化学腐蚀后, 主要物相为 Al、Zn 和 Al O (OH) , 局部区域还可见 Fe 的存在。由此可见, 在腐蚀后的表面镀层中形 (下转第 2656
17、页) 成了 Al 的氢氧化物。因此, 对 Q235 表面热浸镀处理后, 镀层在钢基体表面均匀覆盖, 在腐蚀过程中, 表面镀层中的灰白色富 Zn 相会优先发生腐蚀, 随后发生了富 Al 相的腐蚀, 在表面腐蚀产物膜的裂缝处容易造成腐蚀介质渗漏而造成 Q235 钢基体的腐蚀破坏6。图 7 表面镀层腐蚀 15 天前后的 XRD 图谱 Fig.7 XRD spectra of surface coatings before and after corrosion for 15 days 下载原图3 结论(1) Q235 钢表面可以进行热浸镀, 无漏镀现象, 镀层表面比较平整, 局部区域存在无明显聚集的
18、显微凹陷或者针孔。(2) 经过热浸镀之后 Q235 基材表面获得了 55Al-43Zn-2Si 镀层, 表面镀层的物相主要为 Al 和 Zn, 没有 Fe 以及其它物相存在;表面镀层中的灰黑色区域应该是富 Al 相, 而灰白色区域为富 Zn 相。(3) 镀层灰白色富 Zn 相优先发生腐蚀, 随后富 Al 相腐蚀, 腐蚀产物中存在 Al O (OH) 。参考文献1李冬浩, 刘华洲.建筑结构钢 Q390-0.5CE 表面改性研究J.铸造技术, 2014, 35 (10) :2307-2308. 2张翠英, 李桐栋, 路维.表面粗糙度对 Q235 钢粘合镀层力学性能的影响J.铸造技术, 2015,
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