桥梁缆索用锌-铝合金镀层钢丝技术及应用
江焕宏， 薛花娟
(江苏法尔胜缆索有限公司 江阴市 214445)
摘 要：如何提高桥梁缆索的耐久性是桥梁建设者一直高度关注的问题。系统介绍耐久性能更好的桥梁缆索用锌-铝合金镀层钢丝的发展历史、防腐机理、技术指标、试验检验情况以及锌-铝合金镀层钢丝缆索的国内外技术标准和目前应用推广情况。
关键词：桥梁缆索;锌-铝合金镀层;耐久性
文章编号：0451-0712(2013)05-0071-03 中图分类号：U443.38 文献标识码：B
1·锌-铝合金镀层技术的发展历史
热镀是将被保护金属制品浸在低熔点、耐腐蚀的活性金属熔液中，使其表面形成覆盖层。镀层材料一般是Al、Zn等。热镀法的基本特征是在基体金属与镀层金属之间会形成合金层，镀层与基体结合牢固、可靠。近百年来，热镀锌防腐是金属构件的主要防腐方式。热镀锌的发展已经有200年的历史，电极电位为-0.76V，比铁的电位(-0.44V)低。在450℃左右的温度下融化后可在钢铁表面形成涂层以保护钢基体，同时在腐蚀环境中，靠牺牲阳极来保护钢基体。
但是，随着环境的污染，大气中氯、硫等含量渐高，热镀锌层已不能起到应有的保护作用;另外，随着对材料耐腐蚀标准的不断提高，普通的热镀锌产品已经满足不了如海底电缆、桥梁缆索等一些长寿命耐久型的防护要求，需要寻求一种新的防腐镀层。1953年，美国科学家开发出了热镀铝技术。铝的电极电位为-1.66 V，电位更低，在670℃左右的温度下融化后形成热镀层，同时也靠牺牲阳极来保护钢基体。由于其性能更活泼，电位更低，是一种耐蚀性更好的防腐镀层。1962年，美国伯利恒钢铁公司研发出了高铝合金镀层产品，其镀层的铝含量达到55%，耐久性是同厚度热镀锌层的5～7倍以上。但是，由于以上镀层材料熔点较高，使钢丝在热镀后强度大幅度降低。经试验，强度为1 570MPa的钢丝经热镀铝后强度只有1 050MPa，损失约33%。因此，以上镀铝层的防腐性能虽然优于镀锌钢丝，但是由于其强度损失太大，不能用作大桥缆索钢丝。
1963年，美国对含铝量较低的合金镀层展开研究;1979年，美国将该项技术转给了国际锌铅组织;1983年，含铝量较低的合金镀层实现了批量生产。含铝量较低的合金镀层中铝含量在4%～10%之间，耐久性是同厚度热镀锌层的2～3倍;该镀层合金的熔点只有382℃，热镀温度在420～450℃之间。因此，锌-铝合金镀层既有良好的耐久性，又具有较好的工艺性(热镀过程中可保持有镀锌钢丝同样的力学性能)，适于耐久性要求较高的大桥缆索使用。从锌-铝合金镀层的发展过程来看，锌-铝合金(镀层中铝含量在4%～10%之间，下同)钢丝是在热镀锌钢丝技术的基础上发展的一种综合性能较好的缆索材料。
2·大桥缆索用钢丝的锌-铝合金镀层防腐机理及技术特点
锌-铝合金镀层的防腐机理包括2个方面：即物理保护作用和化学保护作用。在物理保护方面，锌-铝合金镀层除了具有传统热镀锌镀层的隔离保护作用外，还具有以下保护特点：(1)铝的化学性质十分活泼，热镀后钢丝表面会形成一层致密的氧化铝，在腐蚀环境下极容易钝化形成保护层;(2)在腐蚀介质中，表层富锌相作为阳极先被腐蚀，其铝含量会不断升高而使得氧化铝含量不断增加，从而导致镀层表面比纯锌层更加致密、稳定，阻隔外界有害物质的能力更强;(3)铝的加入也抑制了防腐性能较弱的组织疏松的锌铁合金过渡层的生成，有利于提高镀层整体的防腐能力。
在化学保护方面主要是牺牲阳极的阴极保护，即当镀层发生破坏并出露铁点时，锌-铝合金镀层作为铁-锌铝电池的阳极被溶解，钢基体受到保护。锌-铝合金的腐蚀电位略低于纯锌层，为-0.87V左右，但其腐蚀电流仅是热镀纯锌的1/5，在牺牲阳极的保护中，同样数量的锌-铝合金镀层的消耗时间是热镀锌层的5倍，因此能提供更长的牺牲防护时间。
大桥缆索用锌-铝合金镀层钢丝具有以下3个特点。(1)从以上镀层防腐机理的分析可知，大桥缆索用锌-铝合金镀层钢丝镀层的抗腐蚀能力比传统的热镀锌钢丝强。有关盐雾试验研究表明，锌-铝合金镀层在同等厚度的情况下，抗腐蚀寿命是热镀锌层的2倍以上，该耐久性为国际所公认。(2)由于锌-铝合金镀层的热镀温度不超过热镀锌的热镀温度，使光面钢丝在热镀过程中的强度损失低，因而保证了大桥缆索用锌-铝合金镀层成品钢丝的各项力学性能不低于热镀锌成品钢丝的力学性能。(3)由于铝的流动性较好，因此锌-铝合金镀层比纯镀锌层更加均匀致密。另一方面，铝的加入，使得过渡层中部分疏松脆性的锌铁合金相被致密韧性的铝铁合金取代，大大减薄了过渡层的厚度，镀层的韧性及与钢丝基体的结合力优于热镀锌钢丝，耐磨性更好，有利于桥梁缆索在加工、架设过程中对镀层的保护。
