书钉生产过程中钢丝变色问题分析

于喜彬，陈锦，孟丹，许长庆，吕成斌，魏亚平，吕鹏

（1. 天津华源线材金属制品有限公司，天津301600；2. 天津机电职业技术学院机械学院，天津300350；3. 河北工业大学材料学院，天津300400；4. 天津市飞鸽集团联合化工厂，天津300163）

电镀锌钢丝在国内发展很快［1］，应用涉及也非常广泛，其中应用之一的书钉大多采用Q195的镀锌改拔钢丝生产。钢丝经过改拔，然后轧制粘接成型。由于改拔和轧制不是同步进行，钢丝在改拔后需要放置一定时间，在此期间镀锌钢丝表面有时会发生变色（蓝绿色）的现象，见图1。

镀锌产品无论是线材还是板材［2-3］，大多具有一定的装饰性能要求，变色钢丝轧制出的书钉颜色不均匀，对于产品的销售将产生巨大影响。在南方地区，特别是梅雨季节，改拔钢丝变色经常发生，钢丝一旦发生了变色则基本报废。笔者对已经变色的钢丝进行了金相分析，并与未变色的钢丝的金相进行了对比。将未充分酸洗和已充分酸洗的镀锌钢丝进行了对比湿热试验，进一步研究了钢丝表面带有残留氧化物对钢丝耐腐蚀性能的影响［4］。

图1 镀锌钢丝表面呈蓝绿色Fig.1 The blue-green surface of the galvanized steel wire

1 实验

钢丝样品由浙江武义恒鸣文教用品厂生产。采用德国莱卡金相显微镜对样品进行金相分析，使用北京产桑普达湿热试验箱进行钢丝的湿热试验。对变色和不变色的试样进行金相分析后镀锌，制备不同上锌量的钢丝并进行改拔，随后进行湿热试验，实验温度保持在50±2 ℃，湿度为95（+2%，-3%）。湿热试验以钢丝表面明显形成的绿色斑点为失效，并记录相应的时间。

2 结果与分析

2.1 金相分析结果

图2 为变色钢丝的轴向（a）和径向（b）的剖面形貌。可以发现，变色改拔钢丝表面粗糙［5-6］，改拔后镀锌层非常薄，不足以包覆钢丝的全部，局部发生钢丝暴露，并且发现钢丝表面存在氧化物。

图2 变色改拔钢丝剖面形貌Fig.2 Discoloration changes the steel wire the profile appearance

同样测试了不变色钢丝的轴向和径向的剖面形貌，结果见图3。发现改拔丝钢丝表面均匀，改拔后镀锌层较厚，足以包覆钢丝的全部基体，没有发生钢丝暴露在空气中的现象，可以保持产品颜色的稳定性。

图3 未变色改拔钢丝剖面形貌Fig.3 The profile morphology of steel wire without discoloration

综合分析认为，质量差的改拔锌层很薄，不均匀，内部镶嵌氧化物。造成变蓝现象是由于氧化物从锌层中暴露出来，与空气接触，形成蓝绿色化合物，从而导致钢丝呈蓝绿色。值得注意的是，原始钢丝表面镀锌层中存在一定数量的氧化物，经过电镀后氧化物包裹在电镀层内。观察没有经过拉拔的钢丝时，可发现镀锌层内部存在有氧化皮，见图4。表面粗糙不平整是在改拔过程形成的。这些氧化物的存在，说明钢丝电镀锌之前酸洗不彻底，更深层的原因是拔丝前钢丝表面的氧化物去除不彻底［7］，也可能在拔丝后的退火过程中生成了新的氧化物。

图4 改拔前钢丝表面镀层包裹氧化物Fig.4 Before the change of wire surface coating wrapped oxide

2.2 湿热试验

为了衡量钢丝表面的氧化物对其耐腐蚀性能的影响，分别对充分酸洗和不充分酸洗的钢丝进行了湿热试验，结果见图5。钢丝的上锌量分别是20 g/m2，25 g/m2，30 g/m2，40 g/m2。结果表情，充分酸洗的钢丝经过电镀后，出现绿色锈斑的时间要远远长于酸洗不彻底的钢丝，这说明生产工艺中的酸洗的重要性。

对于如何避免钢丝表面存在氧化物，第一要加强拔丝过程中的弯折除锈、砂带打磨等工序；其次，随后的退火工艺需在还原性气氛，如氨分解气中进行，尽量减少钢丝表面生成新的氧化物［8］，从而使得电镀过程中的在线酸洗可以将钢丝表面彻底清洗干净，若可采用电解酸洗则效果更优。

图5 湿热试验结果Fig.5 Damp heat test results

3 结论

1）变色的钢丝表面粗糙并在镀锌层中存在氧化物，改拔后镀锌层非常薄，有相当一部分氧化物暴露于空气中，使得钢丝变色；没有发生变色的钢丝改拔后表面镀层均匀致密，厚度足以包覆基体，无钢丝暴露现象。

2）电镀层中氧化物的存在说明钢丝电镀锌前酸洗不彻底，钢丝拉拔前表面氧化物去除不彻底影响了酸洗质量。

3）湿热试验验证了酸洗在电镀改拔丝生产中的重要性，钢丝经过充分酸洗后再进行电镀，其耐腐蚀性能显著提高。