桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝及其热镀工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：以碳质量含量达到0.82％以上的过共析钢盘条拉拔成强度2000MPa以上的光面钢丝，然后进行热镀，形成热镀锌铝合金钢丝，镀层的成分为Zn‑Al合金并选择性的添加微量稀土、微量镍元素、镁元素中的一种或多种。热镀包括两道：热浸锌基合金熔液+热镀锌铝合金熔液，热浸锌基合金熔液中添加有微量稀土、微量镍元素、微量铝元素中的一种或多种。本申请能够显著减小热浸锌基合金熔液镀层的厚度，改善镀层的附着强度，提高和外观质量，在热镀锌铝合金熔液后所得镀层钢丝的强度、韧性、耐腐蚀性都能到了显著提高。

High strength zinc base alloy coated steel wire for bridge cables and its hot dip plating process

The invention relates to a high strength multi-element zinc-based alloy coated steel wire for bridge cables, characterized in that a smooth steel wire with a strength of more than 2000 MPa is drawn from a hypereutectoid steel wire rod with a carbon content of more than 0.82%, and then hot-dipped to form a hot-dipped galvanized aluminum alloy steel wire, which is composed of Zn_Al alloy and selectively coated. To add one or more trace amounts of rare earth elements, trace elements of nickel and magnesium. Hot-dip galvanizing consists of two parts: hot-dip zinc-base alloy melt + hot-dip zinc-aluminum alloy melt, and hot-dip zinc-base alloy melt containing trace rare earth, trace nickel and one or more of trace aluminum elements. The application can significantly reduce the thickness of the hot dipped zinc-based alloy melt coating, improve the adhesion strength of the coating, improve the appearance quality. The strength, toughness and corrosion resistance of the coated steel wire can be significantly improved after the hot dipped zinc-aluminum alloy melt.

【技术实现步骤摘要】
桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝及其热镀工艺
本专利技术属于桥梁缆索钢丝的热镀工艺，更具体的是设计锌基合金镀层钢丝的热镀工艺。
技术介绍
在桥梁中缆索行业中，腐蚀是影响桥梁缆索寿命的主要因素。镀锌钢丝是本世纪以前应用最为广泛的桥梁缆索材料，具有一定的防腐蚀性能，这种镀层的防蚀性能来源于锌的牺牲阳极保护。但是在不同的环境下，热浸镀锌层的寿命有很大差别，其原因有多种，最主要的原因是山于不同的环境下，生成的腐蚀产物不同所致。在含高硫化物的工业大气下，腐蚀产物是可浴性硫酸锌盐，它会随雨水冲洗自表面流失。但在乡村大气环境下其腐蚀产物是碳酸盐和氯化物，在水中的溶解度比硫酸锌小，使锌镀层的腐蚀局部受到限制。在表1中给出了热镀锌层在我国7个实验地区经5年大气暴露后的腐蚀速率腐蚀结果。表1热浸镀在我国不同地区的腐蚀性比较悬索桥设计寿命为100年，其主缆不可更换。当桥梁主缆所处环境比较苛刻，比如海水环境，或者高温高湿以及类酸性的环境，有氯化物或硫离子存在的话，锌会很快溶解形成几乎没有保护性的腐蚀产物，造成局部腐蚀。海洋对于各种结构和功能材料而言是一个严酷的腐蚀环境，海洋腐蚀往往成为新的技术与工程系统发展中的限制因素。海洋用桥梁缆索的防腐问题已成为当前急需解决的科技难题。目前传统的锌铝合金镀层技术，一般其合金的镀层构成为Zn95％和A15％。该锌铝合金的镀层，相对于之前的镀锌镀层技术，有着显著的优点，在相同的环境条件下，相同厚度的锌铝合金镀层的耐腐蚀能力是镀锌层的2倍以上。但对于在海洋地区建设的桥梁，其抗腐蚀寿命仍然不能满足相关要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种适用于海洋等苛刻条件的抗腐蚀性能寿命可达热镀锌钢丝的3到5倍的桥梁缆索用高强度超耐久型Zn-Al多元锌基合金镀层钢丝及其热镀工艺。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：一种桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，以碳质量含量达到0.82％以上的过共析钢盘条拉拔成强度2000MPa以上的光面钢丝，然后进行热镀，形成热镀锌铝合金钢丝，镀层的成分为Zn-Al合金并选择性的添加微量稀土、微量镍元素、镁元素中的一种或多种。本申请钢丝镀层是由两步热镀形成的：热浸锌基合金熔液+热镀锌铝合金熔液，热浸锌基合金熔液中添加有微量稀土、微量镍元素、微量铝元素中的一种或多种。进一步地，所述热浸锌基合金熔液中铝的含量严格限定在0.005％-0.02wt％范围内。进一步地，所述热浸锌基合金熔液中微量镍元素的添加量为0.1-0.25wt％。进一步地，所述热浸锌基合金熔液中微量稀土的添加量为0.01-0.05％。优选地，所述稀土元素Re为能够改善锌浴流动性的La和Cs。进一步地，热镀锌铝合金熔液中铝含量在9-12％，还可包含0.01-0.05wt％的稀土元素(镧和铯)，以及0.01-0.5wt％的Mg，稀土元素(Re)和镁元素可选择性加入一种或两种。本申请热镀熔液合金成分以及含量的设置原理如下以往的锌铝合金镀层采用双镀法，钢丝先热浸入纯锌锅热镀一层锌，再浸入锌铝合金锅，部分锌熔入锌铝合金锅再生成锌铝合金层。对于要热镀形成Zn-Al10％-Mg-稀土多元稀土合金的镀层，以上工艺存在以下问题:由于第一个锅(热镀锌)中带入大量的锌，导致第二锅(热镀锌铝多元合金)中的铝消耗较快，因此就需要加入高铝合金锭，但铝含量越高，越容易造成锌铝合金中铝的偏析，并以熔化的固态漂浮在锌铝合金炉中，影响镀层的最终质量，同时会造成合金锭的过度损耗，原料消耗高。减小钢丝从热浸锌基合金熔液中出来的镀层厚度是解决上述难题的关键，本专利技术提出在热浸锌基合金熔液加入微量合金元素，形成微量合金熔池。基熔液池可添加以下合金元素，从而提高合金熔液流动性，降低第一次热镀的厚度。具体如下:(1)添加微量的Al：在锌液中加入符合以上要求的微量铝，由于Al比Zn更活泼会优先和氧反应，使锌液表面形成一层连续而致密的Al2O3薄膜，它通过阻止锌和氧原子的扩散抑制了进一步的氧化，减少锌灰的形成。另外在镀层和钢丝的界面上，由于形成了阻挡层Fe2Al5相，使钢基体和镀层界面上Zn-Fe脆性相的生长受到抑制，从而获得较薄的厚度。对于热镀锌基合金熔液中Al的添加量，由于助镀工艺中采用氯化锌铵作为助镀剂，过量的Al会与氯化锌铵中的氯化铵反应生成AlCl3并立即升华，从而使助镀作用失效或减弱，破坏了助镀效果，降低了锌液对钢基体的浸润性，所以Al含量不能超过0.02％。当控制Al含量在0.005％-0.02％范围内时，锌浴中的Al被选择性氧化而使表面形成一层连续的Al2O3膜，使锌浴表面很难被氧化从而获得较为光亮的镀层。本专利技术设计热镀锌液中可添加的铝的含量在0.005％～0.02wt％。(2)添加微量的Ni:在锌液中添加Ni元素最主要的作用是抑制桥梁缆索高强度钢丝中硅的圣德林效应。Ni元素的添加延长了Fe-Zn合金相层的孕育期，从而有效地限制了Fe-Zn合金层的形成速度，消除高硅钢丝镀锌时脆性相的异常生长，从而使合金层减薄，组织细化，获得厚度适宜、纯锌层η相连续的镀层，并且也使镀层的结合强度和外观质量得到了改善。另外，在锌液中添加微量的元素Ni还能使镀层的表面张力有所减小，使锌液对钢丝的浸润性得到增强，使钢丝提出锌液表面时镀层表面的锌液能快速回流到锌液中，从而降低锌耗，减少镀层表面出现流挂现象。本专利技术提出的可添加的Ni的含量在0.10-0.25wt％，可细化晶粒和减薄镀层，含量过高，一方面增加了成本，另一方面会在镀层表面形成氧化皮。(3)可添加微量的稀土元素：合金锌浴中添加0.05％RE时镀层的厚度明显变薄。稀土元素降低镀层的厚度主要是通过提高锌浴的流动性实现的，其主要原理：稀土的添加可以起到净化锌液的作用，在高温的情况下，RE可吸收和结合氧、氢、氮等元素，且稀土与氧的结合能要低于锌与氧的结合能，因而能更快的与氧发生反应而生产氧化物。同时在锌合金液中加入稀土元素后能降低锌液的粘度，从而提高锌液的流动性。前述作用尤以镧和铯显著。此外，本申请在热镀锌铝合金熔液中也添加了稀土元素，其主要作用也是为了净化熔液，降低熔液的粘度，提高流动性。以上三个合金元素可以选择性加入，可以合并加入。本专利技术的另一目的是提供一种多元锌基合金镀层钢丝的热镀工艺，工艺流程为复合碱溶液碱洗除油→铅浴→清水冲洗→盐酸+缓蚀剂复合酸洗除锈→清水冲洗→助镀→干燥→快速热浸锌基合金熔液→氮气+电磁复合抹拭除锌→冷却→热镀锌铝合金熔液→氮气抹拭→冷却→收线。主要步骤的具体操作如下碱洗：采用氢氧化钠和碱性盐配制而成的碱液用来乳化、软化和溶解光面钢丝表面的油性物类杂质，碱性盐选自碳酸钠+磷酸钠；铅浴：将光面钢丝通过450℃的熔融铅，以烧结掉钢丝表面残存的油脂及其他杂质；酸洗：将经过水洗后的光面钢丝制件浸入盐酸、硫酸配制的水溶液，利用酸溶液去除钢丝表面上的锈迹和氧化皮类杂质薄膜，酸液中添加有减缓铁和酸反应的缓蚀剂，以减少酸洗过程中铁的不必要损耗；助镀：光面钢丝需在助镀剂中预处理，烘干后再送入锌基合金熔液热镀，助镀剂为氯化铵和氯化锌的混合溶液；热浸锌基微量合金熔液：将经过助镀剂处理后的钢丝快速浸入含有微量合金的锌基微量合金熔液池，主要化学成分为Zn-Al-Re-Ni；其中Al本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：以碳质量含量达到0.82％以上的过共析钢盘条拉拔成强度2000MPa以上的光面钢丝，然后进行热镀，形成热镀锌铝合金钢丝，镀层的成分为Zn‑Al合金并选择性的添加微量稀土、微量镍元素、镁元素中的一种或多种。

【技术特征摘要】
1.一种桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：以碳质量含量达到0.82％以上的过共析钢盘条拉拔成强度2000MPa以上的光面钢丝，然后进行热镀，形成热镀锌铝合金钢丝，镀层的成分为Zn-Al合金并选择性的添加微量稀土、微量镍元素、镁元素中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：钢丝镀层是由两步热镀形成的：热浸锌基合金熔液+热镀锌铝合金熔液，热浸锌基合金熔液中添加有微量稀土、微量镍元素、微量铝元素中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：所述热浸锌基合金熔液中铝的含量严格限定在0.005％-0.02wt％范围内。4.根据权利要求2所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：所述热浸锌基合金熔液中微量镍元素的添加量为0.1-0.25wt％。5.根据权利要求2所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：所述热浸锌基合金熔液中微量稀土的添加量为0.01-0.05％。6.根据权利要求2所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：所述稀土元素Re为能够改善锌浴流动性的La和Cs。7.根据权利要求2所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝，其特征在于：热镀锌铝合金熔液中铝含量在9-12％，还可包含0.01-0.05wt％的稀土元素(镧和铯)，以及0.01-0.5wt％的Mg，稀土元素Re和镁元素可选择性加入一种或两种。8.一种根据权利要求1-7中任一权利要求所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝的热镀工艺，其特征在于：工艺流程为复合碱溶液碱洗除油→铅浴→清水冲洗→盐酸+缓蚀剂复合酸洗除锈→清水冲洗→助镀→干燥→快速热浸锌基合金熔液→氮气+电磁复合抹拭除锌→冷却→热镀锌铝合金熔液→氮气抹拭→冷却→收线。9.根据权利要求8所述的桥梁缆索用高强度多元锌基合金镀层钢丝的热镀工艺，其特征在于：主要步骤操作如下碱洗：采用氢氧化钠和碱性盐配制而成的碱液用来乳化、软化和溶解光面钢丝表面的油性物类杂质，碱性盐选自碳酸钠+磷酸钠；铅浴：将光面钢丝通过450℃的熔融铅，以烧结掉钢丝表面残存的油脂及其他杂质；酸洗：将经过水洗后的光面钢丝制件浸入盐酸、硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵军，薛花娟，朱晓雄，王志刚，夏浩城，陈建峰，
申请(专利权)人：江苏法尔胜缆索有限公司，江苏东纲金属制品有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32