CN104245998A - 热浸镀锌钢管以及热浸镀锌钢管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供即便进行加工也不易产生镀层的剥离的热浸镀锌钢管、以及该热浸镀锌钢管的制造方法。热浸镀锌钢管具备钢管、以及形成于钢管的表面的镀层。而且,在镀层的总深度范围内,由下式定义的fn为99.9以上。fn=Fe+Al+Zn其中,上式的元素符号代入镀层中的各元素的含量(质量%)。

Description

热浸镀锌钢管以及热浸镀锌钢管的制造方法
技术领域
本发明涉及热浸镀锌钢管以及热浸镀锌钢管的制造方法。
背景技术
热浸镀锌作为提高钢材的耐腐蚀性的技术而被广泛使用。
日本特开2009-221601号公报、日本特开2009-221604号公报、日本特开2009-197328号公报、日本特开2011-26630号公报以及日本特开2009-221605号公报中记载了如下的热浸镀锌材料的制造方法,即便根据RoHS指令使用将Pb含量抑制为0.1质量%以下、将Cd含量抑制为0.01质量%以下的熔融锌浴的情况下,也很少发生未镀覆的情况。这些文献中记载的热浸镀锌材料的制造方法在熔融锌浴中微量地添加Sn、Sb、Bi、或In等金属。
日本特开2006-307316号公报中记载了利用浸渍法在钢材的表面形成锌镀膜所使用的热浸镀锌浴组合物。对于该热浸镀锌浴组合物,Ni为0.01~0.05重量%、Al为0.001~0.01重量%、Bi为0.01~0.08重量%、余量为Zn以及不可避免的杂质,不含Pb。
日本特开2011-26632号公报中记载了镀层的组成含有Pb:0.010质量%以下、Sb:0.04~0.50质量%的热浸镀锌钢材。
日本特开平10-140316号公报中记载了对使用含有0.1~0.3重量%的Al且作为杂质的Pb、Sn、Cd、Sb合计为0.01重量%以下的热浸镀锌浴进行镀覆的钢板以与辊接触的钢板每1m宽50~500吨的轧制载荷实施轧制加工的热浸镀锌钢板的制造方法。
日本特开2011-89175号公报中记载了热浸镀锌覆膜中的铅浓度为0.1质量%以下、镉浓度为0.01质量%以下并且热浸镀锌覆膜之中合金层部的维氏硬度为110Hv以下的热浸镀锌钢管。
发明内容
近年来,伴随扩口加工的普及,要求提高热浸镀锌钢管的加工性。扩口加工是指将钢管端部的开口部向外侧扩展,形成环状的喇叭形(凸边)的加工。
对热浸镀锌钢管进行扩口加工时,容易产生镀层的剥离。作为抑制镀层的剥离的方法,已知有减薄镀层。若减薄镀层,则在加工时对镀层施加的应变变小。然而,减薄镀层时,存在不能得到规定的耐腐蚀性的情况。
日本特开2009-221601号公报、日本特开2009-221604号公报、日本特开2009-197328号公报、日本特开2011-26630号公报、日本特开2009-221605号公报、日本特开2006-307316号公报、以及日本特开2011-26632号公报中对于加工时产生镀层的剥离的难易度没有记载。
日本特开平10-140316号公报中所记载的热浸镀锌钢板的制造方法在热浸镀锌浴中大量地添加Al。在热浸镀锌浴中大量地添加Al时,容易因Al的氧化物而发生未镀覆的情况。因此,大量地添加Al的情况下,需要在整个工序过程中控制气氛使得在钢材的表面以及热浸镀锌浴表面不生成氧化物。然而,热浸镀锌钢管的制造工序中,难以进行这样的控制。
对于日本特开2011-89175号公报中所记载的热浸镀锌钢管,为了降低热浸镀锌覆膜的合金层以及凝固锌层的硬度,需要进行特殊的处理。
本发明的目的在于提供即便进行加工也不易产生镀层的剥离的热浸镀锌钢管、以及该热浸镀锌钢管的制造方法。
基于本发明的热浸镀锌钢管具备钢管、和形成于钢管的表面的镀层。而且,在镀层的总深度范围内,由下式定义的fn为99.9以上。
fn=Fe+Al+Zn
其中,上式的元素符号代入镀层中的各元素的含量(质量%)。
基于本发明的热浸镀锌钢管的制造方法具备将管坯浸渍于热浸镀锌浴的工序,热浸镀锌浴含有0.002~0.01质量%的Al、余量由Zn和杂质组成,前述杂质之中,Pb、Sn、Cd,Sb、Bi、Cu、Ni、以及In的含量合计为0.1质量%以下。
上述的热浸镀锌钢管、以及通过热浸镀锌钢管的制造方法而制造的热浸镀锌钢管即便进行加工也不易产生镀层的剥离。
附图说明
图1A是将包含纯度低的Zn层的镀层放大显示的扫描电子显微镜图像。
图1B是将包含纯度高的Zn层的镀层放大显示的扫描电子显微镜图像。
图2为基于本发明的一个实施方式的热浸镀锌钢管的制造方法的工序图。
图3A表示利用某种条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的元素分布图。
图3B表示利用其他条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的元素分布图。
图3C表示进一步利用其他条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的元素分布图。
图3D表示进一步利用其他条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的元素分布图。
图4A为利用某种条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的扩口加工部的纵切面的光学显微镜图像。
图4B为利用其它条件的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的扩口加工部的纵切面的光学显微镜图像。
具体实施方式
[热浸镀锌钢管]
本发明人等对于热浸镀锌钢管的加工性进行研究,得到如下的见解。镀层包含在与母材的界面所形成的Zn-Fe合金层、和形成于表面的Zn层(η层)。其中,Zn-Fe合金层的延性低。因此,Zn-Fe合金层易因扩口加工那样的弯曲加工而产生龟裂。Zn-Fe合金层中产生的龟裂发展至表面的Zn层时,产生镀层的剥离。
Zn层内混入不同种金属时,龟裂更容易发展。因此,Zn层内混入不同种金属时,容易产生镀层的剥离。换言之,若提高Zn层的纯度,则可以抑制镀层的剥离、可以提高热浸镀锌钢管的加工性。
图1A为包含纯度低的Zn层的镀层的扫描电子显微镜图像。图1B为包含纯度高的Zn层的镀层的扫描电子显微镜图像。如图1A所示,包含纯度低的Zn层的镀层中,Fe-Zn合金层中产生的龟裂发展至表面的Zn层。另一方面,如图1B所示,包含纯度高的Zn层的镀层中,Fe-Zn合金层中产生的龟裂止于表面的Zn层。
本发明人等发现,在镀层的总深度范围内,由式(1)定义的fn若为99.9以上,则热浸镀锌钢管的镀层的剥离不易产生。
fn=Fe+Al+Zn    (1)
其中,式(1)的符号代入镀层中的各元素的含量(质量%)。
在此,fn由以下的方法测定。在热浸镀锌钢管的镀层的任意区域(放电面积为4mmφ、以下称为特定区域)中,使用马库斯型高频率辉光放电发光分析装置(HORIBA,Ltd.制造的GD-Profiler2),实施深度方向的元素分析。此时的测定条件如表1所示。由此,得到特定区域的总深度的元素分布。基于所得到的元素分布,求出各深度的fn值(fn分布)。
[表1]
本发明中,所得到的fn分布中,fn值均为99.9以上。
fn中包含铁(Fe)。Fe与锌进行合金化而形成Zn-Fe合金层。因此,Fe在镀层中大量含有。然而,Zn-Fe合金层与Zn层分开存在。因此,Fe未混入到Zn层内。因此,镀层即便含有铁,热浸镀锌钢管的加工性也不降低。
fn中包含铝(Al)。Al提高热浸镀锌浴的流动性。若热浸镀锌浴中含有Al,则热浸镀锌钢管的镀层中也含有Al。其中,Al浓缩存在于距镀层表面1微米左右的深度。因此,镀层即便含有Al,热浸镀锌钢管的加工性也不降低。
如上所述,在镀层的总深度范围内,fn若为99.9以上,则即便实施扩口加工等的加工,镀层也不易剥离。
上述的热浸镀锌钢管可以通过将管坯浸渍于含有0.002~0.01质量%的Al、余量由Zn和杂质组成且杂质之中Pb、Sn、Cd,Sb、Bi、Cu、Ni、以及In的含量合计为0.1质量%以下的热浸镀锌浴来制造。
以下,详细叙述基于本发明的一个实施方式的热浸镀锌钢管的制造方法。
图2为基于本发明的一个实施方式的热浸镀锌钢管的制造方法的工序图。热浸镀锌钢管的制造方法具备:将管坯脱脂的工序(步骤S1)、对经过脱脂的管坯进行酸洗的工序(步骤S2)、对经过酸洗的管坯进行焊剂处理的工序(步骤S3)、对经过焊剂处理的管坯进行镀覆的工序(步骤S4)、和将被镀覆的钢管冷却的工序(步骤S5)。
首先,准备用于实施镀覆的管坯。管坯可以使用任意的钢管。管坯例如为JIS G3452中规定的SGP钢管或JIS G3454中规定的STPG钢管。SGP钢管以及STPG钢管各自可以为电阻焊接管、锻接管(welded pipe)、以及无缝管中的任一种。
接着,将管坯浸渍于脱脂液进行脱脂(步骤S1)。脱脂例如为碱脱脂或溶剂脱脂。由此,去除附着于管坯的表面的油类。然后,水洗管坯,去除附着的脱脂液。
接着,将经过脱脂的管坯浸渍于酸洗液进行酸洗(步骤S2)。酸洗液为5~20质量%的硫酸。优选将硫酸加热至65℃以上来使用。
为了抑制管坯的过酸洗以及晶界腐蚀,酸洗液中可以适量含有酸腐蚀抑制剂(inhibitor)。酸洗时间例如为10~60分钟。由此,去除管坯的表面的氧化皮。然后,水洗管坯,去除附着的酸洗液。
接着,利用焊剂液对经过酸洗的管坯进行焊剂处理(步骤S3)。焊剂处理中,将管坯浸渍于焊剂液。焊剂液使用氯化锌与氯化铵的水溶液,氯化锌与氯化铵的分量比(摩尔比)优选为1:1~1:5、更优选为1:2~1:4。
焊剂液加热至70~90℃来使用。作为焊剂液,优选使用500g/L以上的高浓度的焊剂液。焊剂液的浓度更优选为600g/L以上且至饱和为止的范围。需要说明的是,焊剂浓度(g/L)表示1升(L)水中含有的氯化锌以及氯化铵的合计质量(g)。
通过焊剂处理,管坯上形成焊剂膜。焊剂膜保护管坯的表面,防止镀覆的过程中卷入氧化锌而发生未镀覆的情况。
然后,将管坯干燥。管坯中残存水分时,水分接触热浸镀锌浴时气化,使熔融锌飞散而成为未镀覆的情况的原因。为了使焊剂液的液体沥干性良好,优选在焊剂液中含有表面活性剂。此外,通过含有表面活性剂,从而容易使焊剂膜均匀。表面活性剂例如为月桂基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、硬脂基三甲基氯化铵。
若表面活性剂的含量过低,则不能得到上述的效果。因此,焊剂液中的表面活性剂的浓度的下限为0.05质量%。表面活性剂的浓度更优选高于0.05质量%。表面活性剂的浓度的下限进一步优选为0.10质量%。另一方面,表面活性剂的含量过高时,效果饱和,作为杂质反而增加未镀覆的情况。因此,表面活性剂的浓度优选低于0.3质量%。更优选为低于0.2质量%。
接着,将经过焊剂处理的管坯浸渍于热浸镀锌浴进行镀覆(步骤S4)。本实施方式中使用的热浸镀锌浴含有0.002~0.01质量%的Al、余量由Zn和杂质组成,杂质之中Pb、Sn、Cd,Sb、Bi、Cu、Ni、以及In的含量合计为0.1质量%以下。
铝(Al)提高热浸镀锌浴的流动性。热浸镀锌浴的Al含量过低时,镀层表面的光泽降低。因此,Al含量的下限为0.002质量%。Al含量更优选高于0.002质量%。Al含量的下限进一步优选为0.005质量%。另一方面,热浸镀锌浴的Al含量过高时,焊剂处理的效果衰减,发生未镀覆的情况。因此,Al含量的上限优选为0.01质量%。
热浸镀锌浴的杂质之中,铅(Pb)、錫(Sn)、镉(Cd),锑(Sb)、铋(Bi)、铜(Cu)、镍(Ni)、以及铟(In)混入到热浸镀锌钢管的镀层的Zn层内,容易产生镀层的剥离。因此,这些元素的含量合计优选为0.1质量%以下。
热浸镀锌浴的温度例如为450~480℃。将管坯浸渍于热浸镀锌浴的时间例如为30~300秒。热浸镀锌浴的温度以及将管坯浸渍于热浸镀锌浴的时间可根据镀层的厚度来调整。
浸渍规定的时间之后,将管坯从热浸镀锌浴中提起。将管坯在热浸镀锌浴的上方保持一定时间以使附着于管坯的过量的熔融锌流落。此时,也可以吹送压缩空气或蒸汽,从而去除过量的熔融锌。
最后将被镀覆的钢管冷却(步骤5)。冷却可以任意为气冷、水冷、以及油冷。水冷时,例如使用40~80℃的温水。
由以上的工序制造热浸镀锌钢管。
对于使用上述的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管,在镀层的总深度范围内,由式(1)定义的fn为99.9以上。因此,即便对热浸镀锌钢管进行扩口加工,也不易产生镀层的剥离。
对于基于本实施方式的热浸镀锌钢管的制造方法,更优选的是,(A)在酸洗工序(步骤S2)中利用65℃以上的硫酸对管坯进行酸洗,并且(B)在焊剂工序(步骤S3)中,利用含有合计为600g/L以上的氯化锌和/或氯化铵、0.05~0.3质量%的表面活性剂的焊剂液进行焊剂处理。
基于本实施方式的热浸镀锌浴的Pb、Sn、Cd,Sb、Bi、Cu、Ni、以及In的含量合计为0.1质量%以下。这些元素提高热浸镀锌浴的流动性。因此,利用基于本实施方式的热浸镀锌浴进行镀覆时,容易发生未镀覆的情况。
因此,通过进行满足条件(A)和(B)的前处理,从而改善管坯表面的反应性。由此,即便如本实施方式地使用杂质少的热浸镀锌浴进行镀覆,也可以抑制未镀覆的情况的发生。
认为该效果基于下面的作用。首先,通过利用高温硫酸的酸洗,抑制管坯表面的污物的生成,并且得到适度的表面粗糙度。需要说明的是,污物是指不溶于酸的铁盐,附着在酸洗后的管表面的黑色物质。由此,可以使大量的焊剂均匀地分散在管坯的表面。通过使大量的焊剂均匀地分散,即便使用杂质少的热浸镀锌浴进行镀覆,也可以抑制未镀覆的情况的发生。关于盐酸有如下考虑,虽然具有抑制污物的效果,但与高温硫酸相比反应性不足,因此一部分金属氧化物未反应而保持着酸洗前的状态残存于表面,成为未镀覆的情况的原因。
实施例1
以下,基于实施例更具体地说明本发明。需要说明的是,该实施例并不限定本发明。
[镀层的组成分析试验]
使用多种热浸镀锌浴来制造热浸镀锌钢管。并且,进行各个热浸镀锌钢管的镀层的组成分析。
作为管坯,使用SGP钢管(C:0.05质量%、Si:0.19质量%、Mn:0.34质量%、电阻焊接管、外径139.8mm)。如图2所示,进行管坯的脱脂、酸洗、以及焊剂处理。酸洗处理的条件设为后述的实施例2的酸洗条件2,焊剂处理的条件设为后述的实施例2的焊剂条件2。将经过焊剂处理的管坯浸渍于4种热浸镀锌浴进行镀覆。表2中表示各热浸镀锌浴(条件1~4)的Fe、Al、Pb、Sn、Cd、Sb、Bi、Cu、Ni、以及In含量(单位为质量%)。组成的余量为Zn以及杂质。表2的“杂质量”栏中记载了Pb、Sn、Cd、Sb、Bi、Cu、Ni、以及In含量的合计值。
[表2]
热浸镀锌浴的温度为465℃。将管坯浸渍于热浸镀锌浴中60秒钟。热浸镀锌钢管的镀层附着量约为500g/m2
对于由各个热浸镀锌浴制造的热浸镀锌钢管进行镀层的组成分析。镀层的组成分析如上所述,使用马库斯型高频率辉光放电发光分析装置(HORIBA,Ltd.制造GD-Profiler2),在表1所记载的条件下进行测定。
将结果示于图3A~图3D。图3A表示利用条件1的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的深度方向的元素分布图,图3B表示利用条件2的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的深度方向的元素分布图,图3C表示利用条件3的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的深度方向的元素分布图,图4D表示利用条件4的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管的镀层的深度方向的元素分布图。图3A~图3D的各图表的横轴表示距镀层的表面深度方向的距离(μm)。图3A~图3D的各图的纵轴表示横轴所示深度下镀层的组成的Zn含量(重量%)、Fe含量(重量%)、以及Zn、Fe和Al含量的合计值(Zn+Fe+Al=fn、重量%)。
如图3A~图3D所示,热浸镀锌浴的杂质量减少时,在热浸镀锌钢管的镀层的总深度范围内fn增加。如图3C以及图3D所示,对于条件3以及4来说在热浸镀锌钢管的镀层的任意深度下fn均为99.9以上。另一方面,如图3A以及图3B所示,对于条件1以及2来说fn取决于热浸镀锌钢管的镀层的深度而会出现小于99.9。
[扩口加工试验]
对利用条件1~4的热浸镀锌浴来制造的热浸镀锌钢管进行扩口加工。进而,平行于轴向地将经过扩口加工的热浸镀锌钢管切片,观察扩口部的纵切面。
利用条件1以及条件2的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管中,由于扩口加工而大量产生镀层的翘起以及剥离。另一方面,利用条件3以及条件4的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管中,即便进行扩口加工也不产生镀层的剥离。
图4A为利用条件1的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的扩口加工部的纵切面的光学显微镜图像。图4B为利用条件4的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的扩口加工部的纵切面的光学显微镜图像。图1A是将利用条件1的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的镀层放大显示的扫描电子显微镜图像。图1B是将利用条件4的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的镀层放大显示的扫描电子显微镜图像。
如图4A所示,利用条件1的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管中,由于扩口加工而大量产生镀层的翘起以及剥离。另一方面,如图4B所示,利用条件4的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管中,即便进行扩口加工也不产生镀层的剥离。
如图1A所示,利用条件1的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的镀层中,产生于Fe-Zn合金层的龟裂发展至表面的Zn层。另一方面,如图1B所示,利用条件4的热浸镀锌浴而制造的热浸镀锌钢管的镀层中,产生于Fe-Zn合金层的龟裂止于表面的Zn层。
实施例2
[酸洗条件以及焊剂处理条件的调查]
改变酸洗条件以及焊剂处理条件而进行镀覆,调查有无发生未镀覆的情况。镀覆条件与在镀层的组成分析试验中制造热浸镀锌钢管的条件同样。热浸镀锌浴使用表2的条件4的热浸镀锌浴。
作为管坯,使用SGP钢管(C:0.05质量%、Si:0.19质量%、Mn:0.34质量%、电阻焊接管、外径139.8mm)。进行管坯的脱脂、酸洗、以及焊剂处理。首先,固定焊剂处理条件并改变酸洗条件而进行调查。
表3中示出酸洗条件(酸洗条件1~4)、以及各酸洗条件下的酸洗中发泡、酸洗后外观、焊剂处理后(焊剂干燥后)外观以及镀覆后外观。需要说明的是,焊剂处理条件如下所述。焊剂液使用如下的水溶液,该水溶液含有625g/L的氯化锌与氯化铵的1:3混合物、0.2质量%的表面活性剂。将酸洗后的管坯浸渍于加热至75℃的焊剂液中。将浸渍于焊剂液的管坯在180℃气氛中干燥5分钟。需要说明的是,对于因酸洗而产生了污物的管坯,在去除污物之后进行焊剂处理。镀覆后,将被镀覆的管坯气冷,制造热浸镀锌钢管。
表3
酸洗条件1 酸洗条件2 酸洗条件3 酸洗条件4
酸种 硫酸 硫酸 盐酸 盐酸
酸浓度(质量%) 12.5 17.5 10.0 10.0
抑制剂名 Ibitto 600L―7 Ibitto 600L―7 Ibitto 700BK Ibitto 700BK
抑制剂浓度(质量%) 0.05 0.05 0.1 0.1
酸洗温度(℃) 60 80 20 40
酸洗时间(分种) 15 15 15 30
镀覆后外观 有未镀覆的情况 没有未镀覆的情况 大量未镀覆的情况 有未镀覆的情况
如表3所示,以酸洗条件1进行了酸洗的管坯中发生未镀覆的情况。认为这是因为酸洗温度低。
以酸洗条件2进行了酸洗的管坯中未发生未镀覆的情况。
以酸洗条件3以及酸洗条件4进行了酸洗的管坯中发生未镀覆的情况。认为这是因为使用盐酸进行酸洗。
接着,将酸洗条件固定为表3的酸洗条件2,改变焊剂处理条件进行调查。
表4中示出焊剂处理条件(焊剂条件1~4)、以及有无不溶于药剂的残余物、焊剂干燥后外观、以及镀覆后外观。需要说明的是,焊剂液使用氯化锌与氯化铵的1:3混合物的水溶液。表4中的“不溶于药剂的残余物”表示不溶于该混合物的残余物的有无。将酸洗后的管坯浸渍于加热至75℃的焊剂液中。将浸渍于焊剂液的管坯在180℃气氛中干燥5分钟。
[表4]
焊剂条件1 焊剂条件2 焊剂条件3 焊剂条件4
焊剂浓度(g/L) 200 625 900 625
表面活性剂浓度(质量%) 0.2 0.2 0.2 没有表面活性剂
不溶于药剂的残余物 没有 没有 没有
镀覆后外观 有未镀覆的情况 没有未镀覆的情况 没有未镀覆的情况 大量未镀覆的情况
如表4所示,以焊剂条件1进行了焊剂处理的管坯发生未镀覆的情况。认为这是因为焊剂浓度低。
以焊剂条件2以及焊剂条件3进行了焊剂处理的管坯未发生未镀覆的情况。
以焊剂条件4进行了焊剂处理的管坯发生未镀覆的情况。认为这是由于不含有表面活性剂。
产业上的可利用性
本发明作为不易产生镀层的剥离的热浸镀锌钢管以及热浸镀锌钢管的制造方法可以在产业上利用。

Claims (3)

1.一种热浸镀锌钢管,其具备:
钢管;以及
形成于所述钢管的表面的镀层,
在所述镀层的总深度范围内,由下述定义的fn为99.9以上,
fn=Fe+Al+Zn
其中,上式的元素符号代入所述镀层中的各元素的含量(质量%)。
2.一种热浸镀锌钢管的制造方法,其具备将管坯浸渍于热浸镀锌浴的工序,
所述热浸镀锌浴含有0.002~0.01质量%的Al、余量由Zn和杂质组成,所述杂质之中,Pb、Sn、Cd,Sb、Bi、Cu、Ni以及In的含量合计为0.1质量%以下。
3.根据权利要求2所述的热浸镀锌钢管的制造方法,其还具备:
利用65℃以上的硫酸对所述管坯进行酸洗的工序;以及
在所述浸渍于热浸镀锌浴的工序之前,利用焊剂液对经过酸洗的所述管坯进行处理的工序,
所述焊剂液含有合计为600g/L以上的氯化锌和/或氯化铵、0.05~0.3质量%的表面活性剂。
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