调质铸钢的碳含量通常为0.3%~0.6%，具有较好的综合力学性能，在保持较高强度和刚度的同时又具有较好的塑韧性，因此，该类钢广泛用于制作各类机械结构件。

金属材料在大气、海水、土壤等环境中使用时，均会发生不同程度的腐蚀。为了延长钢铁材料的使用寿命，钢铁材料的防腐蚀技术一直受到研究者们的关注。调质铸钢在实际使用过程中会面临腐蚀，为了减缓调质铸钢的腐蚀，研究者们进行了多方面工作。

试验材料为某工字铸钢工件，尺寸为1000 mm×1000 mm×3000 mm，其中翼缘板厚150 mm，腹板厚100 mm。热处理工艺为830 ℃保温2小时，淬火，然后660 ℃回火4小时。

热浸锌时，锌槽温度为560 ℃，试样直接由室温浸入锌槽中，在修补破损锌层时，发现疑似裂纹，把锌层打磨干净后，采用磁粉检测发现大量表面裂纹，见图1。

图1 锌层打磨后试样表面的裂纹形貌

在进行热浸锌之前，磁粉检测确认该试样表面无裂纹，因此这些裂纹是在热浸锌过程中产生的。铸钢工件表面机加工磨去3 mm后，磁粉检测发现裂纹依然存在，但渗透检测却未见裂纹痕迹，这说明裂纹内部有填充物，导致渗透剂无法渗入到裂纹内部。

以该铸钢工件热浸锌后开裂部位为研究对象，利用倒置金相显微镜AXOVIOVERT 200MAT型、日立热场发射扫描电子显微镜SU5000型（配备EDAX能谱）等，对开裂部位的显微组织、裂纹形貌及裂纹填充物成分进行进一步研究。

图2 试样的显微组织

由图2可见：开裂试样中的铁素体呈等轴状，铁素体基体内分布着细粒状碳化物，试样组织为典型的回火索氏体。

图3 裂纹横断面形貌

由图3可见：试样表面存在两条宽度分别约为50 μm和5 μm的裂纹，且裂纹走向几乎完全和晶界重合，属于典型的沿晶断裂。

图4 裂纹截面形貌以及成分分布

由图4可见：裂纹明显沿着晶界扩展并且裂纹内部富含锌。裂纹处能谱结果表明，裂纹填充物中的锌含量较高，说明在热浸锌过程中表面产生了裂纹，并且部分锌渗入到了裂纹中，见图5。

图5 裂纹处的能谱图分析结果

液态金属导致的沿晶开裂主要有以下三阶段：

(1) 液态金属锌吸附于基体并浸湿基体晶界；

(2) 在拉伸应力的作用下，基体晶界开裂；

(3) 液态金属流入开裂晶界并继续浸湿下一段晶界，晶界随后开裂。

根据液态金属致脆的晶界扩散模型，脆性原子在晶界上的应力辅助晶界扩散会使晶界变脆，从而产生断裂。脆性原子在晶界的应力辅助晶界扩散早于裂纹萌生，晶界上的脆性原子一旦达到临界值，裂纹就开始萌生。

如果晶界处的应力足够高，就会成为晶界裂纹形核的驱动力，随后会导致液态金属沿着晶界渗透，并随着裂纹的扩展进一步深入，液态金属沿晶界渗透路径如图6所示。少量Zn在晶界扩散可以形成一层薄α-Fe(Zn)相，从而导致变脆。

图6 液态金属的沿晶渗透模型

BOZORGIAN指出液态金属致脆有三个成因：

(1) 易受影响的母材；

(2) 母材周围存在液态金属；

(3) 母材表面有足够的拉伸应力。

DIGIOVANNI指出了类似的液态金属致脆成因：

(1) 致脆的液态金属必须直接接触固态金属；

(2) 固态金属要有敏感的微观组织；

(3) 固态金属承受拉应力。

上述两方的观点存在一致性，以下将结合本铸钢工件进行失效原因分析。

日本标准JIS G3129-2018给出热浸锌裂纹敏感性指标（XCEZ），可以评价钢材在热浸锌过程中发生液态金属致脆的概率，为避免发生裂纹，其上限值为0.44。计算公式如下：

将试验材料的化学成分代入上式，得出本案例铸钢工件的XCEZ为0.61，属于易受液态金属致脆的钢种。

IGNATIUS和CARPIO分别指出屈服强度大于500 MPa，抗拉强度大于650 MPa的钢材容易产生液态金属致脆，本案例铸钢工件的屈服强度为625 MPa，抗拉强度为770 MPa，符合易产生液态金属致脆。

本案例中铸钢工件铸造完成后，因本身内壁薄厚不均匀，工件内部存在残余铸造应力，经调质处理后，铸钢表面存在热处理应力。一般情况下铸造应力以及热处理应力都是拉应力，因此，铸钢母材在热浸锌之前就存在一定的残余拉应力。

在热浸锌时，熔融状态锌液温度为520 ℃，而铸钢工件为室温状态，当两者接触，由于温度差异较大，也很容易产生热拉应力，因此在未采取合适处理措施的条件下，铸钢很容易发生液态金属致脆。

经调查，本案例锌槽的温度为520 ℃，且热浸锌前工件并未进行预热处理。有文献指出，当锌槽温度为450 ℃时，提前预热工件至250 ℃，可以极大地降低工件产生裂纹的倾向。

热镀锌液的最佳温度为450~460 ℃，温度偏高会增加能量消耗，加快钢质锌锅的腐蚀，使工件表面形成锌渣和锌灰，影响镀锌层质量；温度偏低会降低锌锅内锌液发流动性，使工件表面锌层薄厚不一，局部会产生漏镀锌。

因此，对于高强度、厚且大截面构件，一定要进行250 ℃预热后再进行热浸锌处理，以减少厚且大截面构件与锌液温差产生的拉应力。

屈服强度500 MPa以上的高强度钢材，容易产生液态金属致脆现象，对于这些钢材不建议选用热浸锌作为防护方式。

焊后需要热浸锌的工件，应当采取必要的消应力处理，以降低工件表面的拉应力，防止热浸锌过程产生的液态金属裂纹。

本案例中铸钢工件补焊位置在热浸锌之后发现开裂，如图7所示。工件表面经打磨后，用4%的硝酸酒精擦洗，发现在补焊部位（圆形区域）出现三条交叉裂纹。

图7 补焊位置在热浸锌后开裂

对于热浸锌后需要焊接的工件，需把锌层打磨干净，这是因为焊接后的熔池温度高于锌的熔化温度，锌挥发会影响操作人员身体健康，在焊接热和应力的双重作用下，还会在熔合线附近生成液态金属裂纹。

此外，焊前火焰预热也会对锌层产生局部熔化，从而使工件产生液态金属裂纹的倾向。

变形后需要热浸锌的工件，在变形时要对弯曲面进行加热，以减少工件表面的拉伸应力。有文献指出，屈服强度为235 MPa的钢材在冷成型后，会在弯曲面形成液态金属裂纹。所以不论钢材强度如何，经冷变形后该钢材均有极大的液态金属致脆倾向。

一般认为，当工件的实际服役环境温度达到表面镀层金属熔点温度的1/2~2/3时，低熔点金属处于一定的热激活状态，会与基体元素相互扩散发生化学吸附，晶界存在杂质元素富集和沿晶界析出的脆性第二相粒子，在一定的应力作用下，低熔点金属会沿着晶界渗入到基体内部致其脆化。所以热浸锌工件的服役温度应尽可能低于200 ℃。

对高强度铸钢工件，尤其是厚且大截面工件进行热浸锌时，很容易产生液态金属致脆，使工件产生较深的沿晶裂纹。针对此情况，应该尽量消除内部残余拉应力；在热浸锌过程时，有必要控制合适的锌液温度，并对工件进行必要的镀前预热；在焊接成型时，需要把表面镀层打磨干净，防止生成液态金属裂纹。高强度铸钢工件在制造或服役过程中会与致脆液态金属接触，为保障工件质量和使用寿命，要采取合理的工艺措施，以避免产生液态金属致脆。

作者：杨永强1，马晓健2，王鹏3，刘露芊3，郑春雷3

工作单位：1.久益环球（天津）装备制造有限公司

2.唐山开元自动焊接装备有限公司

3.燕山大学

通信作者简介：郑春雷，副研究员，博士，主要从事焊接热模拟、贝氏体钢氢脆以及疲劳方面的研究工作。

来源：《腐蚀与防护》2024年4期