拋丸除銹對熱鍍鋅層組織及抗粉化性能的影響

陳冀華，溫鳴，杜安，馬瑞娜，曹曉明

（河北工業大學材料科學與工程學院，天津300130）

拋丸除銹對熱鍍鋅層組織及抗粉化性能的影響

陳冀華，溫鳴，杜安，馬瑞娜，曹曉明

（河北工業大學材料科學與工程學院，天津300130）

利用掃描電鏡、能譜分析、X射線衍射、杯突試驗機以及鹽霧試驗等技術手段，分別對拋丸除銹工藝與傳統酸洗除銹工藝下得到的鋼基體表面、熱鍍鋅層組織及抗粉化性能進行了研究.結果發現拋丸除銹會使鋼基表面粗糙度顯著增大至6 μm左右，并使鋼基表面晶粒細化至納米級別，從而增大其潤濕性能.熱浸鍍時鋼基表面凸起處易形成ζ相，凹陷處易形成δ相，該組織結構提高了鍍層的抗粉化性能.

熱鍍鋅；拋丸；粗糙度；抗粉化性；潤濕性

0 引言

熱鍍鋅是鋼鐵材料防腐蝕的有效方法，目前已在世界范圍內廣泛推廣應用.傳統熱浸鍍工藝存在很大弊端，如前處理階段產生的廢酸、廢水、廢氣嚴重污染環境，尋求新型前處理工藝已經是迫在眉睫的事情[1].

熱鍍鋅前處理的目的是去除氧化皮和銹蝕表面，為熱浸鍍提供良好的表面基底，確保產品有優良的外觀質量，延長產品使用壽命[2].在實際的工業生產中，鋼材除銹處理技術主要有化學處理和機械處理2種，其中化學處理就是傳統熱浸鍍工藝用的酸洗除銹；機械處理是以機械加工為主的除銹處理方式，如拋丸、噴丸等方式.機械除銹技術是目前國際上對各種結構件進行表面清理、強化的先進工藝之一，目前已被很多行業廣泛采用，機械除銹可以從根本上解決傳統熱鍍鋅前處理產生的廢酸、廢水、廢氣等對環境的污染問題.其中，噴丸除銹只應用在單線除銹，效率低下，不適于連續化生產，且有大量粉塵危害工人身體健康，因此限制了它的應用[3].

拋丸清理是依靠高速旋轉的拋頭將磨料顆粒高速地拋向工件表面來實現除銹的.拋丸除銹生產效率高，費用低，自動化程度高，可實現流水線操作，環境污染小，且拋丸摒棄了以壓縮空氣作動力做法，采用拋丸器、離心力的拋射，可對工件內腔死角進行拋丸清理，被鋼鐵和汽車制造業廣泛采用[4].且拋丸除銹處理能高效地清除鋼基表面的氧化皮、銹和雜物；拋丸除銹處理能顯著增加鋼件表面粗糙度，粗糙度的增加可以提高熱浸鍍效率及鍍層結合力[5]；拋丸除銹處理使鋼件表面形成一層致密的金屬層，造成表層晶粒極大的細化，減少表面裂紋及表面缺陷，能減少應力腐蝕對鋼件的危害；拋丸除銹處理使鋼件表面形成一定的壓縮應力，從而抵消有害的拉應力疲勞腐蝕[6].

本文擬利用拋丸除銹代替傳統酸洗除銹，并通過對拋丸除銹工藝與傳統酸洗除銹工藝下得到的熱鍍鋅鍍層組織及抗粉化性能進行分析對比，確定拋丸除銹熱鍍鋅對鋼基表面、鍍層組織及鍍層抗粉化性能的影響，以便為實現拋丸除銹熱鍍鋅工業生產提供科學依據和參考.

1 實驗材料及方法

實驗所用純鋅的化學成分組成如表1所示.基體材料Q235鋼的化學成分如表2所示.將Q235鋼板經線切割設備加工成尺寸為100 mm×30 mm×1.5 mm的薄片，分別經酸洗除銹或拋丸除銹處理后采用溶劑法進行熱鍍鋅.酸洗除銹熱鍍鋅工藝流程為：堿洗脫脂→水洗→鹽酸酸洗→水洗→助鍍處理→烘干→熱鍍鋅→水冷→鈍化.拋丸除銹熱鍍鋅工藝流程為：堿洗脫脂→水洗→烘干→拋丸→助鍍→烘干→熱鍍鋅→水冷→鈍化.其中酸洗時間為30 min，鋼丸直徑為0.6 mm，拋丸時間為10 min，熱鍍鋅溫度為450～460℃，浸鍍時間定為60 s.

分析兩種工藝下得到的鋼基表面粗糙度、鋼基表面晶粒度及鋼板對鋅液的潤濕性能.利用S-4800掃描電鏡觀察分析討論兩種工藝下得到鍍層微觀組織.利用雙杯突試驗對兩種工藝鋼板鍍層抗粉化性能進行研究，在此基礎上分析鍍層的粉化機理.

表1 純鋅錠的成分Tab.1 Components of pure zinc %

表2 Q235鋼成分Tab.2 Composition of Q235 steel%

2 實驗結果分析

2.1 拋丸對鋼基表面的影響

取拋丸除銹后的鋼板與酸洗除銹后鋼板進行對比，圖1為兩種除銹工藝除銹后鋼基表面的宏觀形貌圖，可以看出經過拋丸除銹得到的鋼基表面粗糙，呈現亮灰色；酸洗除銹得到的鋼基表面平整，呈現暗灰色.表3為2種工藝除銹后鋼基表面粗糙度，可以看出，拋丸得到的鋼基表面粗糙度在6 μm左右，而酸洗得到的鋼基表面粗糙度僅為0.6 μm左右.

利用顯微硬度儀對圖1中鋼板表面進行顯微硬度分析，結果如表4所示，可以看出拋丸后鋼基表面顯微硬度為255 HV，而酸洗除銹后鋼基表面顯微硬度154 HV.利用顯微硬度儀對圖1中兩鋼板截面上鋼基表層向基體內部方向延伸90 μm的顯微硬度，每10 μm測量1次數值.圖2為兩種工藝截面顯微硬度的變化趨勢圖.從圖中可以看出，拋丸處理后，顯微硬度隨距表面距離的增加而減小，顯微硬度的梯度變化可以表征其加工硬化層厚度，可以間接看出拋丸后表面硬化層為70 μm左右.

表3 除銹工藝對鋼基表面粗糙度的影響Tab.3 Effect of derusting process on surface roughness of steel

表4 除銹工藝對鋼基表面顯微硬度的影響Tab.4 Effect of derusting process on microhardness of steel base

利用掃描電鏡對圖1中2鋼板進行掃描分析，圖3為2種工藝得到的鋼基表面不同倍數下的掃描圖.圖3a）為拋丸除銹后鋼基表面500倍下的微觀形貌圖，可以看出經過拋丸后，鋼基表面呈現波浪形貌，此時無法觀察明顯晶界；圖3b）為放大至1 000倍下的形貌，仍無法觀察到明顯晶界；圖3c）為放大至50 000倍下的微觀形貌，可以看出拋丸后鋼基表面晶粒細化，晶粒形狀呈塊狀，晶粒尺寸為150 nm左右；圖3d）為酸洗除銹后鋼基表面1 000倍下的微觀形貌圖，可以看出酸洗后的鋼基表面于1 000倍時已能明顯看出晶界，且晶粒尺寸較大，晶粒尺寸在15 μm左右，是拋丸后鋼基表面晶粒尺寸的100倍.

圖1 除銹工藝對鋼基表面的影響Fig.1 Effect of derusting process on surface of steel

利用潤濕角測量儀測量圖1中兩鋼板對鋅液的潤濕角度.圖4為2種工藝下得到鋼基表面對鋅液的潤濕角度，圖4a）顯示拋丸之后鋼基表面對鋅液的潤濕角為78°，圖4b）顯示酸洗后鋼基表面對鋅液潤濕角為119°.表5為兩種工藝在潤濕角測試儀中的完全潤濕時間，可以看出酸洗后完全潤濕時間為7 min，而拋丸后完全潤濕時間為4 min，比酸洗后完全潤濕時間快了將近一倍.

圖2 拋丸后鋼基體顯微硬度隨距基體表面距離變化圖Fig.2 The microhardness of steel matrix after shot blasting varies with the distance from the surface of the substrate

圖3 除銹工藝對鋼基表面晶粒的影響Fig.3 Effect of rust removal on grain of steel based surface

圖4 除銹工藝對鋼基表面潤濕性的影響Fig.4 Effect of derusting process on surface wettability of steel base

2.2 拋丸除銹熱鍍鋅工藝對鍍層組織的影響

圖5是2種工藝除銹后熱鍍鋅鍍層宏觀形貌圖，可以看出拋丸除銹后熱鍍鋅鍍層與酸洗后熱鍍鋅鍍層均平整光亮.

傳統熱鍍鋅鍍層組織中有4種相組織，且非常均勻，基體向表面依次為Γ相、δ相、ζ相和η相，如圖6 a）所示.其中Γ相層分子式為Fe5Zn21是一極薄相層，屬于脆性相但其厚度不足1 μm，鐵含量為20%～28%；δ相是以FeZn7為主的中間金屬相，其鐵含量為7%～19%，硬度高，但塑性較好，呈等軸塊狀結構，鍍層不同部位的δ相的致密度不同，遠離基體處比較疏松；ζ相是以FeZn13為主的中間金屬相，其鐵含量為6%～6.2%，呈長棒狀分散在η相中；η相又稱純鋅層，只含有0.002%鐵的鐵鋅固溶體[7].

表5 除銹工藝對鋼基表面完全潤濕時間的影響Tab.5 Effect of derusting process on surface wetting time of steel base

圖5 除銹工藝對鍍層表面宏觀形貌的影響Fig.5 Effect of derusting process on the macroscopic morphology of coating surface

圖6為兩種除銹工藝下得到的鍍層截面掃描圖，對圖6中1～4點進行能譜分析，表6為其能譜分析結果.可知點1位置Zn含量為99.1%，所以為純鋅相；點2位置處呈長棒狀分散于η相中，鐵含量6.52%，所以為ζ相；點2位置處為呈等軸狀排列，且鐵含量為11.87%，所以為δ相；4點位置處為薄薄的一層，且鐵含量為22.21%，所以為Γ相，如圖6b）所示.如圖可知拋丸后熱鍍鋅鍍層并不均勻，在基體凸起處，存在大量長棒狀ζ相穿插于η相中呈“爆發”態，但凸起處δ相卻只有薄薄一層，在鋼基表面凸起兩側，ζ相逐漸減薄而δ相逐漸增厚.

圖6 除銹工藝對熱鍍鋅鍍層組織的影響Fig.6 Effect of derusting process on microstructure of hot-dip galvanized coating

表6 圖5中各點能譜分析結果Tab.6 Eenergy spectrum analysis of each point in Fig.5

2.3 拋丸除銹熱鍍鋅對其鋅層抗粉化性能的影響

利用杯突試驗機對2種工藝除銹后熱浸鍍鋼板進行單杯突試驗.取8塊鋼板分為2組進行杯突試驗，壓力最高值為800 N，每隔200 N取出鋼板進行掃描分析.圖7為傳統酸洗除銹熱鍍鋅板在單杯突不同壓力試驗下的鍍層微觀截面圖，其中圖7a）可觀察到在200 N的壓力下Γ相與基體已開裂，圖7b）可觀察到在400 N的壓力下鍍層于Γ相與基體的裂紋變寬，大量δ相及ζ相已開裂并有變寬趨勢，且已有少量裂紋延申至鍍層表面.如圖7c）所示，可觀察到在600 N的壓力Γ相與基體大面積開裂并將要脫落.由此可以看出鍍層的裂紋起源于Γ相層并于Γ相層內部擴展，隨著壓力增大裂紋由Γ相延垂直于基體方向向δ相及ζ相擴展并延申至η相到達鍍層表面，并最終由于Γ相與基體大面積開裂導致鍍層脫落.

圖7 酸洗除銹熱浸鍍工藝鍍層在不同壓力單杯突試驗下的微觀截面圖Fig.7 Microscopic cross-section of the coating of the hot-dip galvanizing process for pickling and descaling at different pressures

圖8為拋丸除銹熱鍍鋅板在單杯突不同壓力試驗下的鍍層微觀截面圖，其中圖8a）可觀察到在200 N的壓力下裂紋優于δ相及ζ相中產生.圖8b）可觀察到在400 N的壓力下鍍層于δ相及ζ相中產生大量裂紋.圖8c）可觀察到在鍍層600 N的壓力裂紋擴展至鍍層表面.由此可以看出拋丸除銹后得到的鍍層裂紋并沒有優先于Γ相與基體交界處產生，而是由Γ相延垂直于基體方向向δ相及ζ相擴展，最終延申至鍍層表面.通過對圖7、圖8綜合分析可以看出拋丸除銹熱鍍鋅Γ相與鋼基體結合力更好.

圖8 拋丸除銹熱浸鍍工藝鍍層在單杯突試驗不同壓力下的微觀截面圖Fig.8 Micro-section of the coating in a single cup process under different pressures with hot-dip plating

使用拋丸除銹熱鍍鋅工藝與傳統鍍鋅工藝鍍層厚度相同的鋼板進行雙杯突試驗，測量其粉化量.結果如表7所示，酸洗除銹熱鍍鋅工藝粉化量為630 mg/m2，拋丸除銹熱鍍鋅工藝粉化量為490 mg/m2，由此試驗數據并結合上述分析可知拋丸除銹熱浸鍍工藝抗粉化性能優于酸洗除銹熱浸鍍工藝.

表7 抗粉化性能試驗結果Tab.7 Anti-chalking performance test results

3 討論

鋼板在拋丸處理后會顯著增加鋼基表面粗糙度，且會在鋼板表面殘留一層加工硬化層，會顯著增加鋼基表面的硬度.這是因為鋼板在拋丸除銹過程中受到循環載荷作用而產生應變硬化；晶粒細化會導致材料強化，使材料的顯微硬度提高；當材料受到外力作用發生塑性變形時，位錯要沿著某個滑移面運動，當晶界受阻便塞集起來，從而造成應力集中，導致材料強度硬度提高[8].

拋丸除銹細化了表層金屬組織結構，在鋼基表面形成了高體積分數的晶界，可以在熱浸鍍時形成Zn-Fe原子快速通道，提高熱浸鍍效率.理論研究和實驗證明[9]，潤濕接觸角隨著表面能的降低而減小，隨著表面粗糙度的增加而減小.拋丸之后鋼基表面存在殘余應力及鋼基表面的納米晶粒均使表面能增加從而增加鋼板的潤濕性能，且表面粗糙度的增加也使鋼板的潤濕性能增加.較高的潤濕性能加快鐵鋅原子的擴散速度，提高鍍層的生成效率.

鋼基表面粗糙度增大會影響合金相的生長形態.鋼基板表面的粗糙度越大，合金相的生長方向取向就越多.這是因為在拋丸使鋼基表面粗糙度變大，熱鍍鋅時表面凸起處先接觸鋅液，又因鋼基表面高體積分數的晶界使擴散速度加快，所以在鋼基表面凸起處為ζ相的生長提供了條件，且剛形成ζ相晶體較松散，易于鋅液擴散，使ζ相晶體快速生長.鋼基體凹陷處受到擴散的影響易形成δ相晶體，這是因為在凹陷部位鋅液不易擴散進入，使此區域內鐵原子相對擴散量大，致使生成δ相，當δ相生長到一定厚度時與鋅液接觸面積增大，擴散加快，支持ζ相快速連續生長[10-11].

粉化是鍍層在加工變形過程中出現的一種內部破壞形式.鍍層在加工變形特別是低速變形時，鍍層因受到剪切應力而使鍍層以粉末狀脫落.粉化是熱鍍鋅鋼板的一個固有特征，不能完全消除，只能通過工藝控制在可接受的程度范圍內.試樣于單杯突試驗過程中，基體發生塑性變形，而鍍層發生彈塑性變形以適應基體的變形，當鍍層的應變與基體的應變失配時，合金化鍍層表面便產生細小的微裂紋.文獻[12]認為，酸洗除銹熱鍍鋅鍍層發生粉化的主要原因是鍍層與鋼板界面脆性的Г相.鍍層的裂紋起源于Г相層，裂紋在Г相層中比在其他相層中更易擴展.拋丸后鋼基表面粗糙度較大，使鍍層結合力較強，鍍層與基體分離開所需要的力量更大，鍍層中Γ相不易與基體脫落，導致裂紋更易在δ相中擴展并延垂直于鋼基表面擴展至鋅層表面，使鍍層不易脫落.Urai等[13]提出ζ/δ（厚度或體積比）較高時，鍍層抗粉化性能較好.由于拋丸除銹熱浸鍍后得到的鍍層與傳統酸洗除銹熱浸鍍鍍層組織分布不同，凸起處δ相只有薄薄一層而兩側δ相卻很厚.所以鋼基表面凸起處ζ/δ很高，使其凸起位置有較高的抗粉化性能，所以裂紋易于凸起兩側發生.較高的結合力及這種特殊的相結構共同提高鍍層的抗粉化性能.

4 結論

1）拋丸除銹后鋼基表面粗糙度為6 μm是酸洗除銹后粗糙度10倍，且鋼基表面晶粒細化，易形成納米晶，增加了其潤濕性能.

2）由于粗糙度較大，使鋅鐵合金層生長方向增多，鋼基表面凸起處易形成的ζ相，凹陷處易形成δ相.

3）鍍層厚度相同的情況下，拋丸除銹熱鍍鋅工藝鍍層特殊的相結構使裂紋優先由鍍層凹陷處擴展至鍍層表面，減少鍍層的脫落，能提高鍍層抗粉化性能.

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[責任編輯 田豐]

Effect of shot blasting on microstructure and anti-pulverization property of hot-dip galvanizing

CHEN Jihua,WEN Ming,DU An,MA Ruina,CAO Xiaoming
（School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

The microstructure and anti-pulverization properties of hot-dip galvanizing layer obtained by shot blasting process and traditional pickling and descaling process are analyzed by scanning electron microscopy,energy dispersive spectroscopy,X-ray diffraction,cupping test machine and salt spray test.It was found that the surface roughness of the steel base was increased to about 6 μm by shot blasting,and the grain size of the surface of the steel base was refined to the nanometer level,thus increasing its wetting performance.The ζ phase is easily formed on the surface of the steel base during hot dip coating,and the δ phase is easily formed in the indentation.Thus,such structure has improved the antipulverization performance of the coating.

hot dip galvanizing;blasting;roughness;anti differentiation;wettability

TG174.443

A

1007-2373（2017）02-0063-07

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.012

2017-01-15

國家自然科學基金（51601056）；河北省高等學校科學研究計劃（QN20131036）

作者介紹：陳冀華（1992-），男，碩士研究生.通訊作者：溫鳴（1960-），男，教授，gd_wen@126.com.