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橋梁纜索用鋅-鋁合金鍍層鋼絲技術(shù)及應(yīng)用
江煥宏， 薛花娟
(江蘇法爾勝纜索有限公司 江陰市 214445)
摘 要：如何提高橋梁纜索的耐久性是橋梁建設(shè)者一直高度關(guān)注的問題。系統(tǒng)介紹耐久性能更好的橋梁纜索用鋅-鋁合金鍍層鋼絲的發(fā)展歷史、防腐機(jī)理、技術(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)檢驗(yàn)情況以及鋅-鋁合金鍍層鋼絲纜索的國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和目前應(yīng)用推廣情況。
關(guān)鍵詞：橋梁纜索;鋅-鋁合金鍍層;耐久性
文章編號(hào)：0451-0712(2013)05-0071-03 中圖分類號(hào)：U443.38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1·鋅-鋁合金鍍層技術(shù)的發(fā)展歷史
熱鍍是將被保護(hù)金屬制品浸在低熔點(diǎn)、耐腐蝕的活性金屬熔液中，使其表面形成覆蓋層。鍍層材料一般是Al、Zn等。熱鍍法的基本特征是在基體金屬與鍍層金屬之間會(huì)形成合金層，鍍層與基體結(jié)合牢固、可靠。近百年來，熱鍍鋅防腐是金屬構(gòu)件的主要防腐方式。熱鍍鋅的發(fā)展已經(jīng)有200年的歷史，電極電位為-0.76V，比鐵的電位(-0.44V)低。在450℃左右的溫度下融化后可在鋼鐵表面形成涂層以保護(hù)鋼基體，同時(shí)在腐蝕環(huán)境中，靠犧牲陽(yáng)極來保護(hù)鋼基體。
但是，隨著環(huán)境的污染，大氣中氯、硫等含量漸高，熱鍍鋅層已不能起到應(yīng)有的保護(hù)作用;另外，隨著對(duì)材料耐腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，普通的熱鍍鋅產(chǎn)品已經(jīng)滿足不了如海底電纜、橋梁纜索等一些長(zhǎng)壽命耐久型的防護(hù)要求，需要尋求一種新的防腐鍍層。1953年，美國(guó)科學(xué)家開發(fā)出了熱鍍鋁技術(shù)。鋁的電極電位為-1.66 V，電位更低，在670℃左右的溫度下融化后形成熱鍍層，同時(shí)也靠犧牲陽(yáng)極來保護(hù)鋼基體。由于其性能更活潑，電位更低，是一種耐蝕性更好的防腐鍍層。1962年，美國(guó)伯利恒鋼鐵公司研發(fā)出了高鋁合金鍍層產(chǎn)品，其鍍層的鋁含量達(dá)到55%，耐久性是同厚度熱鍍鋅層的5～7倍以上。但是，由于以上鍍層材料熔點(diǎn)較高，使鋼絲在熱鍍后強(qiáng)度大幅度降低。經(jīng)試驗(yàn)，強(qiáng)度為1 570MPa的鋼絲經(jīng)熱鍍鋁后強(qiáng)度只有1 050MPa，損失約33%。因此，以上鍍鋁層的防腐性能雖然優(yōu)于鍍鋅鋼絲，但是由于其強(qiáng)度損失太大，不能用作大橋纜索鋼絲。
1963年，美國(guó)對(duì)含鋁量較低的合金鍍層展開研究;1979年，美國(guó)將該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)給了國(guó)際鋅鉛組織;1983年，含鋁量較低的合金鍍層實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。含鋁量較低的合金鍍層中鋁含量在4%～10%之間，耐久性是同厚度熱鍍鋅層的2～3倍;該鍍層合金的熔點(diǎn)只有382℃，熱鍍溫度在420～450℃之間。因此，鋅-鋁合金鍍層既有良好的耐久性，又具有較好的工藝性(熱鍍過程中可保持有鍍鋅鋼絲同樣的力學(xué)性能)，適于耐久性要求較高的大橋纜索使用。從鋅-鋁合金鍍層的發(fā)展過程來看，鋅-鋁合金(鍍層中鋁含量在4%～10%之間，下同)鋼絲是在熱鍍鋅鋼絲技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種綜合性能較好的纜索材料。
2·大橋纜索用鋼絲的鋅-鋁合金鍍層防腐機(jī)理及技術(shù)特點(diǎn)
鋅-鋁合金鍍層的防腐機(jī)理包括2個(gè)方面：即物理保護(hù)作用和化學(xué)保護(hù)作用。在物理保護(hù)方面，鋅-鋁合金鍍層除了具有傳統(tǒng)熱鍍鋅鍍層的隔離保護(hù)作用外，還具有以下保護(hù)特點(diǎn)：(1)鋁的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，熱鍍后鋼絲表面會(huì)形成一層致密的氧化鋁，在腐蝕環(huán)境下極容易鈍化形成保護(hù)層;(2)在腐蝕介質(zhì)中，表層富鋅相作為陽(yáng)極先被腐蝕，其鋁含量會(huì)不斷升高而使得氧化鋁含量不斷增加，從而導(dǎo)致鍍層表面比純鋅層更加致密、穩(wěn)定，阻隔外界有害物質(zhì)的能力更強(qiáng);(3)鋁的加入也抑制了防腐性能較弱的組織疏松的鋅鐵合金過渡層的生成，有利于提高鍍層整體的防腐能力。
在化學(xué)保護(hù)方面主要是犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)，即當(dāng)鍍層發(fā)生破壞并出露鐵點(diǎn)時(shí)，鋅-鋁合金鍍層作為鐵-鋅鋁電池的陽(yáng)極被溶解，鋼基體受到保護(hù)。鋅-鋁合金的腐蝕電位略低于純鋅層，為-0.87V左右，但其腐蝕電流僅是熱鍍純鋅的1/5，在犧牲陽(yáng)極的保護(hù)中，同樣數(shù)量的鋅-鋁合金鍍層的消耗時(shí)間是熱鍍鋅層的5倍，因此能提供更長(zhǎng)的犧牲防護(hù)時(shí)間。
大橋纜索用鋅-鋁合金鍍層鋼絲具有以下3個(gè)特點(diǎn)。(1)從以上鍍層防腐機(jī)理的分析可知，大橋纜索用鋅-鋁合金鍍層鋼絲鍍層的抗腐蝕能力比傳統(tǒng)的熱鍍鋅鋼絲強(qiáng)。有關(guān)鹽霧試驗(yàn)研究表明，鋅-鋁合金鍍層在同等厚度的情況下，抗腐蝕壽命是熱鍍鋅層的2倍以上，該耐久性為國(guó)際所公認(rèn)。(2)由于鋅-鋁合金鍍層的熱鍍溫度不超過熱鍍鋅的熱鍍溫度，使光面鋼絲在熱鍍過程中的強(qiáng)度損失低，因而保證了大橋纜索用鋅-鋁合金鍍層成品鋼絲的各項(xiàng)力學(xué)性能不低于熱鍍鋅成品鋼絲的力學(xué)性能。(3)由于鋁的流動(dòng)性較好，因此鋅-鋁合金鍍層比純鍍鋅層更加均勻致密。另一方面，鋁的加入，使得過渡層中部分疏松脆性的鋅鐵合金相被致密韌性的鋁鐵合金取代，大大減薄了過渡層的厚度，鍍層的韌性及與鋼絲基體的結(jié)合力優(yōu)于熱鍍鋅鋼絲，耐磨性更好，有利于橋梁纜索在加工、架設(shè)過程中對(duì)鍍層的保護(hù)。
