隨著石油天然氣等能源需求量的不斷增加，大管徑、遠(yuǎn)距離的高級別管線鋼應(yīng)用已成為趨勢，X8管線鋼在保證安全性的前提下，可以降低成本、提高輸送效率及經(jīng)濟(jì)效益，在國內(nèi)外被廣泛研究和應(yīng)用。然而在管線鋼服役過程中，由于鋪設(shè)距離長、環(huán)境條件復(fù)雜等導(dǎo)致的管道腐蝕問題日益突出，嚴(yán)重影響到運(yùn)輸生產(chǎn)安全。熱浸鍍鋅作為最佳的管線鋼防腐方法之一，它具有工藝簡單、成本低廉、產(chǎn)品美觀和安全可靠的特點(diǎn)。熱浸鍍鋅形成的鍍層與鋼基體之間具有良好的結(jié)合力，起到物理防護(hù)和電化學(xué)保護(hù)的雙重作用，經(jīng)熱浸鍍鋅處理的鋼鐵材料防腐年限可達(dá)50年以上，因而被廣泛應(yīng)用于能源化工、機(jī)械制造等行業(yè)。在熱浸鍍鋅過程中，鋅液表面性能對界面反應(yīng)和鍍層凝固組織的影響尤為密切，潤濕性差可能導(dǎo)致熱浸鍍鋅時(shí)出現(xiàn)漏鍍和粘附性不強(qiáng)等缺陷，影響鍍層質(zhì)量。因此，鋅液的表面性能及其與鋼材料表面的潤濕性、鋪展性和界面反應(yīng)等與鍍層質(zhì)量密切相關(guān)，開展這方面的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

向鋅液中加入合金元素以提高鋅液性能一直是許多研究的主題，然而受實(shí)驗(yàn)條件和理論模型的限制，鋅液中添加合金元素目前還集中在對鋅液流動(dòng)性及鍍層質(zhì)量的影響研究。孔綱、徐其林等研究表明，鋅液中添加一定量的Ni可提高鋅液流動(dòng)性及鍍層耐蝕性，增強(qiáng)與鋼基體間的潤濕性，并對含硅鋼的Sandelin效應(yīng)有一定的抑制作用。許喬瑜等發(fā)現(xiàn)鋅液中加入少量Mg能提高鋅液流動(dòng)性并控制活性鋼鍍層生長。孔綱等發(fā)現(xiàn)鋅液中含少量Sn能促成鋅花形成，并且Sn的存在可在鋅液中添加較高量的Al，改善潤濕性。吳俊琳、楊棟等研究發(fā)現(xiàn)稀土元素添加對Fe-Zn界面反應(yīng)無明顯影響，但會(huì)增強(qiáng)鋅液流動(dòng)性，降低鋅液表面張力及與鋼體間的潤濕角。Fratesi等發(fā)現(xiàn)添加0.1%Bi會(huì)增加鋅液流動(dòng)性，降低表面張力，從而改善潤濕性，并能促進(jìn)鋅花形成。

綜上，合金元素的添加能顯著改善鋅液表面性能，然而Sb元素對鋅液表面性能及其與X80鋼表面潤濕性和界面反應(yīng)的影響研究較少，因此本工作選用Sb元素加入鋅液，研究鋅合金熔體在X80管線鋼表面的潤濕性，探討合金元素分布與熔體表面張力、潤濕性及界面反應(yīng)之間的相互聯(lián)系，為研究和開發(fā)具有更高應(yīng)用價(jià)值的熱浸鍍鋅產(chǎn)品進(jìn)行指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用X80鋼基板尺寸為20 mm×20 mm×3 mm，其化學(xué)成分如表1所示。另選用陶瓷（Al2O3）基板作對比實(shí)驗(yàn)，陶瓷基板尺寸同樣為20 mm×20 mm×3mm。實(shí)驗(yàn)開始前，X80鋼基板和陶瓷（Al2O3）基板經(jīng)砂紙打磨并用金剛石拋光劑拋光至表面粗糙度Ra約為30 nm，之后放在丙酮中超聲清洗3次，每次4 min，以去除表面油污和雜質(zhì)。

表1 X80鋼基板的化學(xué)成分

采用純鋅和純銻配制鋅銻合金用于本研究，金屬元素鋅和銻純度均為99.99%，實(shí)驗(yàn)過程中配制四種鋅銻合金，其銻含量分別為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），并分別命名為合金A、合金B(yǎng)、合金C和合金D。將配制好的合金封入石英管進(jìn)行真空熔煉，熔煉過程中每間隔1 h倒置搖晃一次，使其充分熔煉均勻。熔煉后的鋅銻合金經(jīng)打磨除去表層氧化皮，切割成直徑為2～3 mm、質(zhì)量為0.22～0.24 g的類球狀顆粒，在丙酮中超聲清洗3次（每次4 min），備用。

采用改良座滴法實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行潤濕實(shí)驗(yàn)，預(yù)處理后X80鋼基板先放置在氧化鋁樣品臺(tái)上，調(diào)至水平。在室溫下用機(jī)械泵將實(shí)驗(yàn)腔室抽真空至5×10-1Pa，再用分子泵抽至大約5×10-4Pa，暫停分子泵后以10℃/min的速度緩慢加熱到120℃進(jìn)行保溫，迅速通入經(jīng)脫水脫氧凈化處理后的高純N2-10%H2混合氣體。待爐內(nèi)氣壓達(dá)到1.2個(gè)大氣壓后，打開出氣系統(tǒng)使?fàn)t內(nèi)氣壓達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，接著以20℃/min的速度繼續(xù)加熱到800℃模擬退火，保溫5 min后，再以15℃/min的速度降溫至450℃滴落溫度，待熔鋅合金推入Al2O3滴落管，在滴管中熔融后經(jīng)氣體擠壓的方式使熔體滴落到X80鋼基板表面。用高速高分辨率數(shù)碼相機(jī)記錄鋅銻合金輪廓，及鋅銻合金界面反應(yīng)全過程。重復(fù)實(shí)驗(yàn)降低實(shí)驗(yàn)誤差，每種成分合金獲得3個(gè)有效實(shí)驗(yàn)樣品以備分析。

滴落實(shí)驗(yàn)后，樣品在氣體環(huán)境中冷卻至室溫。使用軸對稱液滴分析軟件（ADSA）提取接觸角，基于拉普拉斯方程計(jì)算鋅合金熔體表面張力。選取典型的實(shí)驗(yàn)樣品，用4%硝酸酒精腐蝕后，用能譜儀（EDS）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察分析樣品表面及截面，并對潤濕界面、三相線微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組分進(jìn)行分析。