熱鍍鋅帶鋼抑制層的影響因素及控制要點

張 丹，葉校瑛

(1.唐山學院 機電工程系，河北 唐山 063000；2.唐山工業職業技術學院 汽車工程系，河北 唐山 063299)

0 引言

對鋼材進行熱鍍鋅是提高其耐腐蝕性能的一個重要手段，在現代生產中應用廣泛。由于各行業對帶鋼的需求增加，特別是汽車、家電、建筑等行業，因而帶鋼的連續熱鍍鋅設備及其相關技術獲得了巨大發展。

鍍鋅液中Al與鋼基板中Fe二者通過較強的親和力會在介于鋼基板與純鋅層之間形成一層Fe-Al薄層，通常稱此薄層為抑制層，其尺寸一般小于1 μm[1]。在熱鍍鋅初期，這層薄層能夠抑制脆性Fe-Zn相生長[2]。而且研究發現，在鋼基板表面較為潔凈的情況下鍍鋅，熱鍍鋅鍍層的附著能力大多取決于抑制層，特別是對用于沖壓件的熱鍍鋅板，抑制層能夠避免熱鍍鋅板沖壓時脫鋅，因而抑制層對于熱鍍鋅產品而言是不可缺少的部分[3]。

由于抑制層對鍍層附著性能有著極其重要的作用，因而也就吸引著眾多研究者對其進行研究，其中也有不少研究與實際工業生產比較貼近。

1 影響抑制層質量的工藝參數

在工業生產中，基于線內退火的熱鍍鋅法獲得推廣，這是帶鋼常用的熱鍍鋅方式，包括森吉米爾法、改良森吉米爾法、塞拉斯法和美鋼聯法等，本文著眼于其中的美鋼聯法進行闡述。由于冷軋鋼卷酸軋后進入熱鍍鋅生產線，會經過清洗段、連退爐、鋅鍋等重要區域，因而影響抑制層質量的工藝參數有很多，本文選取帶鋼速度、帶鋼入鋅鍋溫度、爐內氣氛、鋅鍋溫度和鋅液Al含量這五個對抑制層影響較大的工藝參數，歸納其對抑制層質量的影響規律。

1.1 帶鋼速度

帶鋼速度是熱鍍鋅生產線上非常重要的參數之一，其影響帶鋼在連退爐中的退火時間和浸鍍時間，而要同時獲得最優退火時間和浸鍍時間并不容易，因而選擇一個適中的帶鋼速度需要結合實際生產來確定。

帶鋼在連退爐中進行再結晶退火，這是控制鋼材性能的一種工藝方法，而這與退火時間和退火溫度都有關。為了使帶鋼達到再結晶溫度，并保持一定的加熱時間，一般情況下厚規格帶鋼連退爐中的運行速度較慢，而薄規格的帶鋼運行速度較快，例如0.8 mm的帶鋼速度要求大于80 m/min，同時不大于140 m/min，但為了提高生產效率，一般會在保證質量的要求下，將速度提高到130 m/min。另外，加熱溫度也與具體的鋼種有關，圖1是典型鋼種的退火溫度曲線[4]，從中可以得到某些鋼種的加熱參數。

圖1 典型鋼種的退火溫度曲線

浸鍍時間關系到鋼基板表面與鋅液反應的時間，此反應包括鐵鋅反應和鐵鋁反應。陳斌鍇等人[5]利用IF440高強鋼進行熱鍍鋅實驗，實驗條件為鋅鍋溫度460 ℃，浸鍍時間分別為4 s，6 s，8 s，10 s。圖2是此實驗中抑制層晶粒圖，從圖中可以看出，在浸鍍時間從4 s到6 s時，抑制層晶粒尺寸變化不大，但是各晶粒之間間隙變小，也就是抑制層變得致密；而浸鍍時間在8 s和10 s時，抑制層晶粒重新變得稀疏，這表明浸鍍時間超過6 s時，部分抑制層晶粒被破壞，造成抑制層整體稀疏。因而將浸鍍時間控制在4～6 s對抑制層質量較為有利。對于具體某生產線而言，帶鋼浸在鋅鍋中的長度為8 m左右，要想有較好的抑制層，那么帶鋼速度控制為80～120 m/min，帶鋼在鋅鍋中的反應時間正好約為4～6 s。

(a)4 s (b)6 s

(c)8 s (d)10 s圖2 熱鍍鋅高強鋼抑制層晶粒圖

從以上分析可知，帶鋼速度既影響退火時間又影響浸鍍時間，要想獲得較好的抑制層，應該根據生產線和帶鋼具體情況進行試驗獲得適宜參數。一般情況下，為了保證帶鋼的力學性能，生產線會優先考慮帶鋼退火工藝，但這樣則難以保證帶鋼的浸鍍時間達到最優工藝，因此，后續的熱鍍鋅工藝還要依靠帶鋼加熱溫度和帶鋼入鍋溫度來進行調節。

1.2 帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度

帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度是直接影響抑制層形成的重要工藝參數，一般帶鋼入鋅鍋溫度設置在略高于鋅鍋溫度的范圍內。如果帶鋼入鍋溫度低于鋅鍋溫度太多，會造成鋅液對鋼基板的浸潤性能下降，對形成抑制層極為不利，影響鍍層附著性能，甚至會使得帶鋼鍍不上鋅，造成嚴重質量事故。因此，帶鋼入鋅鍋溫度適當高于鋅液溫度，則有利于抑制層的形成[6]。如果帶鋼入鋅鍋溫度太高，會造成鋅液溫度上升，使反應速度加快，抑制層會變得不均。

帶鋼入鍋溫度和鋅鍋溫度的設置也與帶鋼的規格有關。若是厚規格帶鋼，其入鍋溫度一般較低，例如某生產線1.2 mm帶鋼的入鍋溫度設置為455 ℃左右，由于受帶鋼中心熱的影響，可能會使帶鋼周圍鋅液溫度升高1～5 ℃；而薄帶鋼則由于容易降溫，所以其溫度一般較高，例如0.8 mm的帶鋼入鍋溫度一般設置為468 ℃左右。需要指出的是，由于生產線的不同，加裝的溫度傳感器的位置不同，造成返回的溫度數據也存在著一定的差異，因而各種溫度數據只作為參考值。

李婷婷等人[7]利用DX51D帶鋼在入鍋溫度為475 ℃，495 ℃和525 ℃下進行連續熱鍍鋅實驗，實驗具體結果如圖3所示。

(a)475 ℃ (b)495 ℃ (c)525 ℃圖3 不同入鍋溫度下實驗帶鋼鍍層截面Al元素面掃

從圖3中很容易看出來，帶鋼入鍋溫度在475 ℃情況下Al元素分布較為致密均勻，而Al元素可以反映抑制層的分布情況，因而認為此時抑制層質量較好。當帶鋼入鋅鍋溫度太高時，鋁熱反應加劇，抑制層顆粒發生不均勻長大，抑制層的均勻致密性遭到破壞。

另外，鋅鍋溫度的高低不僅影響抑制層的形成，而且也影響帶鋼中鐵的溶解，產生不易清除的底渣，影響熱鍍鋅板面質量。例如在500 ℃時，鐵的溶解度最大、溶解速度最快，因此根據經驗，鋅鍋中鋅液溫度最好不超過此溫度，穩定在455～465 ℃為宜[8]。

1.3 爐內氣氛

爐內氣氛主要是指連退爐中均熱段的氫氣含量和露點溫度。通常氫氣、氮氣含量設置為5%H2+95%N2，露點溫度一般在-30 ℃。這樣的爐內氣氛配置在運行諸如DX53D，DX54D這類軟鋼時，能夠獲得較好的抑制層質量。但在生產線運行高強鋼時，由于存在容易氧化的合金元素，會發生選擇性氧化，這使得帶鋼在現行爐內氣氛下產生一些表面氧化物，從而使得抑制層不易形成，甚至出現露鍍，因而這種爐內氣氛就需要重新設置。

Lawrence Cho[9]將CMnSi TRIP鋼置于露點溫度為-60 ℃，-30 ℃，-10 ℃，0 ℃和5 ℃下進行實驗(如圖4所示)，結果表明，當露點溫度較高時，例如在0 ℃和5 ℃下，產生的抑制層較為連續，顆粒較為細小，并且沒有產生Fe-Zn相；而在露點溫度為-60 ℃時退火，相比較高露點溫度而言抑制層不連續，且晶粒較前兩種溫度下的晶粒粗大，Fe-Zn相會在沒有抑制層的地方形成。因此，在一定條件下，當露點溫度越高，外氧化層越薄，而內氧化層越厚，內氧化使得表面氧化物變少，從而提高抑制層的質量。

圖4 各露點溫度下TRIP鋼的氧化情況

王賀賀等人[10]利用DP590雙相鋼在露點溫度為-10 ℃，-30 ℃和-50 ℃下進行熱鍍鋅實驗，帶鋼表面氧化結果如圖5所示。從圖5中可以看到，隨著露點溫度的升高，氧化物的密度先升高后降低，氧化物顆粒也變大。圖6為抑制層的形貌，可見在-10 ℃，-30 ℃露點溫度下進行熱鍍鋅時，獲得的抑制層質量較好，這與氧化物密度的規律類似。馬二清等人[11]在對600 MPa級熱鍍鋅雙相鋼產品進行的研究中，得出露點溫度在-30～15 ℃范圍內加熱時抑制層顆粒致密完整，其中當露點在0～15 ℃時，抑制層更薄、更致密，顆粒尺寸約為0.1 μm，鋅層的附著性更好。

(a)-10 ℃ (b)-30 ℃ (c)-50 ℃圖5 不同露點溫度下雙相鋼表面氧化物的SEM圖

(a)-10 ℃ (b)-30 ℃ (c)-50 ℃圖6 不同露點溫度下雙相鋼抑制層的SEM圖

1.4 鋅液Al含量

當在抑制層晶粒致密均勻的情況下，鍍層有較好的附著性能。而要獲得較好的抑制層，就必須有足夠的Al與Fe反應獲得Fe2Al5，因而鋅液中Al含量顯得很重要。

鋅鍋中的Al元素與鋼板表面少量氧化物(SiO2，MnO和Mn2SiO4等)發生鋁熱反應[12-13]，這樣能夠清除鋼板表面的氧化物顆粒，使得帶鋼表面較為潔凈，有利于連續致密的抑制層的形成。

另外，由于帶鋼中會有微量的Fe溶解到鋅液中，很容易形成底渣，對產品表面質量產生影響，而鋅液中Al可以將鋅鍋中的Fe-Zn底渣轉變為Fe-Al面渣，這樣在實際生產中通過適當提高鋅液中的Al含量，將底渣轉化為面渣，則利于底渣的清除。根據生產經驗，將鋅液中Al含量提高到0.20%～0.25%時，鋅鍋中鐵的溶解含量在0.01%～0.02%[14]，使得底渣量減少，板面質量提高。

一般認為鋅鍋中Al含量越高，抑制層的質量就越好，同時底渣的數量會減少，熱鍍鋅板的板面質量提高，但過高的Al也會侵蝕鋼制構件。

2 結語

以上對影響熱鍍鋅帶鋼抑制層質量的關鍵工藝參數進行了梳理，包括爐區、鋅鍋以及帶鋼的相關參數，對其單一規律進行了說明，也對其相互之間的影響進行了簡介。除了以上的關鍵工藝參數，還有鋅液流動速度、帶鋼中包含的元素、帶鋼粗糙度等，這些工藝參數發生相互作用，也會對抑制層質量產生比較復雜的影響。在實際生產中，具體如何設置這些參數，不僅需要實驗包括正交實驗、均勻設計實驗等方式進行確定，而且需要根據生產的實際情況進行校正。