浅析非调整型锌镍合金产品开发及应用

柴正龙，聂文斌，丁旭，胡如忠，魏源，李永华

（1.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖，655000；2.云南驰宏资源综合利用有限公司，云南 曲靖，655000）

目前，国内超高压输变电发展迅速，推动了输变电铁塔行业的快速发展。项目组组织调研云南省内近百家输变电铁塔热浸镀企业，都是使用锌镍合金热浸镀锌。市场上均使用锌镍中间合金，重量10kg，含镍1%～10%左右，热浸镀锌合企业在热浸镀输变电铁塔时，需要重新配制锌镍合金，将镍降到0.04%，配制合金技术难度较大，且成分配制稳定性较差，经常会影响镀锌效果，出现镀层表面发黑，超厚的现象。经过多次攻关试验，成功开发含镍0.04%的合金，可以直接熔化用于浸镀，减少了配制合金过程中的锌损失，且成分稳定，镀层均匀，防止漏镀，增强镀层表面的光洁度、美誉度、耐蚀性，该品种合金已经成功走向市场。

1 锌镍合金成分选择

热浸锌镍合金镀层商品名称为“Technigalva”，技术是80年代中后期，北美、西欧和澳大利亚发展的一种新技术，Zn-Ni合金相图见图1：

锌镍原子序数接近，难点在合金化的过程。根据图1显示，在含镍量0.25%的锌镍合金发生共晶，其结晶温度418.5℃，Zn-0.5%Ni、Zn-1%Ni、Zn-2%Ni三种合金的共熔点分别在440℃、520℃、580℃左右，一般来说，只要超过合金共熔点20℃就可以将另外一种金属完全熔化。熔炼合金时需要升温至相应合金熔点以上100℃～150℃，才能保证镍能充分熔化和缩短熔炼时间，镍与锌的熔点相差十分悬殊，其合金化机理是锌先熔化，已熔化的锌液包围着镍料，并在其表面合金化，是一种扩散溶解的合金化过程，镍随熔炼温度升高和电炉自身搅拌作用而慢慢熔化，镍的熔化与均匀化是关键技术问题，采用电炉熔炼锌镍合金，电炉的自身强烈搅拌作用有效解决锌镍合金均匀化问题。

本项目开发的锌镍合金实现热浸镀企业热浸镀输变电铁塔时无需调整直接浸镀。故本项目的锌镍合金在使用稳定化的同时避免了传统热浸镀锌中间调整合金的二次重熔配制的能耗。

通过资料查阅、文献分析和输变电铁塔钢结构件热浸镀锌企业的需求现状，结合合金相图、相关理论以及当前钢构件选材的发展趋势，通过研究，设计了合金成分（见表1）。

图1 Zn-Ni合金相图

表1 锌镍合金成分表

2 锌镍合金的生产工艺流程

为了加快镍在锌液中的熔化速度，经过实验，采用了带电磁搅拌的工频无芯感应电炉，通过锌液对镍块的侵蚀和电磁搅拌加速，能在较短时间实现镍块的完全熔化及均匀化过程，所生产的锌镍合金锭，可以根据客户要求，实现10kg～1800kg不等的单锭重量，充分满足客户差异化需求。

图2 锌镍合金工艺流程

3 锌镍合金性能测试

为了给客户提供更好的热浸镀指导，项目组测试了锌镍合金的相关物理性能，结果如下：

3.1 流动性

流动性越好，镀层越薄，越均匀，有利于热浸镀。图3为锌镍合金流动性和温度之间的关系曲线，图中可以看出，锌镍合金的流动性随着温度的升高而变好，440℃～450℃温度区间，合金的流动性缓慢变好，但流动性改善幅度不大，这一温度区间为常规的热浸镀锌温度区间，故当采用锌镍合金浴热浸镀锌时，从锌浴流动性考虑可有一个较宽的温度区间选择（440℃ ～450℃）。

图3 为锌镍合金流动性和温度之间的关系曲线。

3.2 表面张力

表面张力越小，越能促进合金与基材之间的润湿，热浸镀效果更好。图4为热镀锌镍合金表面张力和温度之间的关系曲线，从图中可以得出，锌镍合金的表面张力随着温度的升高呈减小趋势。温度为450℃和455℃时锌浴的表面张力值较低。

图4 热镀锌镍合金表面张力与温度之间的关系曲线

3.3 组织结构

图5为450℃+60s 浸镀条件下镀层的SEM形貌，从图中可以得出，纯锌浴和锌镍合金浴中获得的镀层均由纯锌层和合金相层组成。热浸镀锌层由明显的δ、ξ、η组成，其中δ相层很薄，ξ相层较厚；热浸镀锌镍层由明显的δ、ξ、η组成，其中的δ相层比热浸镀锌层中的δ相层厚，ξ相层比热浸镀锌层中ξ相层薄；热浸镀锌镍镀层的厚度比热浸镀锌层要薄，可以节约成本。

图5 450℃+60s条件下热浸镀镀层SEM形貌

3.4 镀层厚度

表2为纯锌浴和锌镍合金浴中浸镀120s不同浸镀温度获得镀层的厚度。从表中也可以发现，在相同浸镀时间下，当浸镀温度相同或随着浸镀温度的增加，两种镀层的厚度都呈增加趋势，但与热浸镀锌层相比，锌镍热浸镀层的厚度增加缓慢，且锌镍镀层的厚度低于纯锌镀层的厚度。表2浸镀时间120s获得镀层的厚度。

3.5 热浸镀锌镍镀层的中性盐雾腐蚀测试及分析

表3为450℃+60s浸镀获得两种镀层的中性盐雾腐蚀实验结果，从腐蚀数据可以得出，当锌镍热浸镀层比纯锌有更好的耐蚀性能。

3.6 Q235、Q345 牌号基材锌镍合金热浸镀的适应性测试结果

取Q235、Q345两种牌号基材角钢各镀400片，施镀过程补加3次锌镍合金，补加4次助镀液。实镀过程镀层的外观质量统计情况如表4所示，统计发现，角钢各400片实镀过程，经过3次补加合金、4次补加助镀液、2次变换浸镀参数，均能获得外观质量合格的镀层。结合前述温度对镀层厚度及合金相层厚度的影响及规律，建议企业合金的热浸镀温度介于440℃～450℃。

表2 浸镀时间120s获得镀层的厚度（μm）

表3 450℃+60s浸镀镀层的中性盐雾腐蚀实验结果

表4 锌镍合金热镀实镀镀层外观质量统计情况

4 锌镍合金产品开发小结

（1）锌镍合金的流动性随着温度的升高而变好，表面张力随着温度的升高而减低，440℃～450℃温度区间，合金的流动性波动缓慢，表面张力较小，综合流动性和镀层的增厚速率考虑，锌镍合金的浸镀温度区间可选择440℃～450℃。

（2）450℃+60s浸镀条件下锌镍镀层由纯锌层和合金相层组成，镀层中存在界面明显的δ、η、ξ；与相同浸镀条件下的热浸镀锌层对比，锌镍镀层中的δ相层稍厚，ξ相较薄，镀层总厚度薄。

（3）当浸镀温度不变，锌镍镀层的厚度以及合金相层厚度均随着浸镀时间的延长而增厚，但增厚速率明显较热浸镀纯锌层缓慢，镍对合金相层尤其是ξ相的生长有抑制作用，有利于减薄镀层，降低锌耗。

（4）锌镍合金中的镍及其它元素具有镀层减薄作用，相同浸镀条件下，锌镍镀层的厚度低于纯锌镀层，减薄的锌镍镀层仍具有优异的耐蚀性能。

（5）与传统热浸镀锌层对比，锌镍合金热镀不会产生漏镀、表面附着颗粒（锌渣）、色泽不均匀等外观质量缺陷。锌镍合金热镀Q345基材时，镀层表面不产生明显的暗斑缺陷，合金中镍及其它元素可以一定程度上抑制桑德林效应。

（6）非调整型锌镍合金对于输变电铁塔企业具有生产一步到位，不需使用锌镍母合金进行调整，加料便捷，产品质量稳定，降低生产成本低等优点。

5 锌镍合金产品市场应用

项目组研发的锌镍合金第1年销售1000t左右，主要用于云南省内输变电铁塔热浸镀。项目组经过市场调研和市场开拓，逐步将锌镍合金销售到省外，不仅仅用于输变电铁塔热浸镀，还用于钢屋架、钢网架、钢托架、钢桁架、钢柱、钢梁、钢楼板、钢支撑、钢墙架、钢檩条、钢平台、钢梯、钢栏杆、零星钢构等的热浸镀，从省外和用途两个方面大幅拓展了锌合金的销售渠道，目前年销售量在5000t以上，随着，项目组的不断开拓市场，锌镍合金的销售在稳步增长。