隨著石油天然氣等能源需求量的不斷增加，大管徑、遠距離的高級別管線鋼應用已成為趨勢，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)濟效益，在國內外被廣泛研究和應用。然而在管線鋼服役過程中，由于鋪設距離長、環(huán)境條件復雜等導致的管道腐蝕問題日益突出，嚴重影響到運輸生產(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。熱浸鍍鋅形成的鍍層與鋼基體之間具有良好的結合力，起到物理防護和電化學保護的雙重作用，經(jīng)熱浸鍍鋅處理的鋼鐵材料防腐年限可達50年以上，因而被廣泛應用于能源化工、機械制造等行業(yè)。在熱浸鍍鋅過程中，鋅液表面性能對界面反應和鍍層凝固組織的影響尤為密切，潤濕性差可能導致熱浸鍍鋅時出現(xiàn)漏鍍和粘附性不強等缺陷，影響鍍層質量。因此，鋅液的表面性能及其與鋼材料表面的潤濕性、鋪展性和界面反應等與鍍層質量密切相關，開展這方面的研究具有重要的實際應用價值。

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，然而受實驗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性及鍍層質量的影響研究?？拙V、徐其林等研究表明，鋅液中添加一定量的Ni可提高鋅液流動性及鍍層耐蝕性，增強與鋼基體間的潤濕性，并對含硅鋼的Sandelin效應有一定的抑制作用。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界面反應無明顯影響，但會增強鋅液流動性，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會增加鋅液流動性，降低表面張力，從而改善潤濕性，并能促進鋅花形成。

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、潤濕性及界面反應之間的相互聯(lián)系，為研究和開發(fā)具有更高應用價值的熱浸鍍鋅產(chǎn)品進行指導。

1實驗

實驗用X80鋼基板尺寸為20 mm×20 mm×3 mm，其化學成分如表1所示。另選用陶瓷（Al2O3）基板作對比實驗，陶瓷基板尺寸同樣為20 mm×20 mm×3mm。實驗開始前，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。

表1 X80鋼基板的化學成分

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%，實驗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%（質量分數(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。

采用改良座滴法實驗裝置進行潤濕實驗，預處理后X80鋼基板先放置在氧化鋁樣品臺上，調至水平。在室溫下用機械泵將實驗腔室抽真空至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。待爐內氣壓達到1.2個大氣壓后，打開出氣系統(tǒng)使爐內氣壓達到動態(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)碼相機記錄鋅銻合金輪廓，及鋅銻合金界面反應全過程。重復實驗降低實驗誤差，每種成分合金獲得3個有效實驗樣品以備分析。

滴落實驗后，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算鋅合金熔體表面張力。選取典型的實驗樣品，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、三相線微觀結構及化學組分進行分析。