熱鍍鋅板黑斑缺陷的成因與對策

吳咸圣，齊 達，張 郢

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

熱鍍鋅鋼板以其優良的耐腐蝕性能和潔凈外觀廣泛應用于建筑、家電和汽車等行業。熱鍍鋅卷容易產生黑斑缺陷，黑斑缺陷不僅影響鍍鋅板表面的外觀，還降低鍍鋅板的耐腐蝕性能，最終導致熱鍍鋅板降級和報廢。雖然黑斑缺陷在運輸過程中造成的觀點已達成共識[1，2]，但對黑斑缺陷的發生機理、微觀形貌以及解決措施研究較少。本文對典型的運輸造成黑斑缺陷的發生機理、微觀形貌進行了研究，并提出了缺陷解決措施，對鋼廠解決黑斑缺陷具有參考意義。

1 黑斑缺陷成因分析

（1）黑斑缺陷宏觀形貌和發生規律。黑斑缺陷主要發生于表面經過無鉻鈍化處理的熱鍍鋅家電板，黑斑缺陷分布在鋼卷外圈，沿帶鋼軋制方向分布，且沿軋制方向周期性出現，周期長度從鋼卷外圈至內圈逐漸減小，缺陷程度逐漸減輕，周期長度與鋼卷周長相對應。黑斑缺陷由黑點密集聚集組成，呈片狀。

（2）黑斑缺陷成因分析。采用掃描電鏡對缺陷區域進行微觀形貌觀察，結果見圖1。結果顯示，缺陷區域表面紋理不清晰，無正常區域表面典型的復制光整機工作輥粗糙度后的微觀形貌，說明表面鋅層遭到了破壞。

圖1 黑斑缺陷微觀形貌

采用能譜儀對正常區域和缺陷區域分別進行分析，結果見圖2、表1和圖3、表2。

由圖2可以看出，帶鋼正常位置表面形貌為完整的凹凸形貌，系復制光整機輥面粗糙度形成。由表1可以看出，帶鋼表面以Zn為主，O含量偏高，原因是鋅層裸露在空氣中發生輕微氧化；P、Cr元素來源為鍍鋅卷表面的鈍化膜；Al、Fe為鋅層的正常組成元素。

表1 圖2所示缺陷微區成分（質量百分數，%）

圖2 帶鋼正常位置成分分析部位

由圖3可以看出，帶鋼呈疏松顆粒狀形貌，標識箭頭位置有剮蹭痕跡，只有位置3附近少量面積為正常形貌。位置1和位置2主要元素是Zn和O，為Zn的不完全氧化產物，還存在少量P、Cr元素，來源為鍍鋅卷表面的鈍化膜；位置3區域Zn元素含量為89.84%，其余為少量的O和P，無Cr元素，說明此區域鋅層完整，但表面的鈍化膜不完整，遭到了破壞。

圖3 黑斑缺陷成分分析部位

表2 圖3所示缺陷微區成分（質量百分數，%）

結合黑斑缺陷的宏觀分布規律與微觀形貌和成分分析可知，黑斑為帶鋼局部被擠壓后發生相對摩擦造成。為了驗證這一觀點，進行了鍍鋅板手動摩擦試驗。取兩塊與黑斑卷同鋼種、同規格樣板，兩塊樣板在同一方向做往復摩擦運動，直至鍍鋅板表面呈現黑斑缺陷，試驗后樣板宏觀照片見圖4。用掃描電鏡和能譜儀分析手動摩擦后黑斑的形貌和成分，結果見圖5和表3。

從宏觀形貌上看，生產運輸中產生的黑斑與手動摩擦產生的黑斑類似，均由密集黑點組成，但運輸過程中產生的黑斑顏色更深，黑點更明顯。對比微觀形貌，兩者存在較大差異，圖5中帶鋼表面的凹凸狀形貌依然比較完整，但是由摩擦引起的劃痕布滿整個表面，而圖1和圖3中無完整的凹凸狀表面形貌。可能由于手動摩擦施加給帶鋼的力小，摩擦次數少，尚未完全將帶鋼表層的鈍化膜和鋅層破壞掉。

從表3可以看出，位置1無P、Cr元素，說明表面的鈍化膜已遭到破壞，且氧含量高，說明鋅層已經發生氧化；位置2含P、Cr元素，且O元素較少，說明表面鈍化膜尚完整。這與表2中缺陷部位和正常部位的成分分布相似。

圖4 手動摩擦形成黑斑宏觀形貌

圖5 手動摩擦形成黑斑成分分析部位

表3 圖5所示缺陷微區成分（質量百分數，%）

（3）討論。通過以上分析可知，手動摩擦產生的黑斑與運輸過程中產生的黑斑在形貌和成分上相似，說明黑斑缺陷由帶鋼層間錯動產生。熱鍍鋅卷在運輸過程中鋼卷與固定支架間以及鋼卷間存在應力集中部位，在摩擦系數一定的情況下，應力越大，鋼卷發生錯動需要的力越大，當應力超過了鈍化膜與基體的結合力后，就發生鈍化膜的破損，進而導致鋅層暴露，在密閉環境中氧含量不足而產生欠氧化產物，宏觀上表現為黑斑。由此可知，鋼卷捆帶松、運輸車輛超載、道路顛簸、車上無鞍座等固定措施易導致鋼卷運輸黑斑缺陷。

2 改進措施及改進效果

（1）改進措施。通過對黑斑缺陷的成因研究可知黑斑缺陷主要由于鋼卷擠壓和帶鋼層間錯動產生，黑斑缺陷的改進措施主要圍繞減小帶鋼層間間隙、減少鋼卷積壓和帶鋼層間錯動制定，主要包括：①鋼卷兩端增加周向捆帶。正常情況下，在鋼卷寬度方向中間打一道捆帶，鋼卷在吊裝、運輸等過程中容易產生捆帶松動，進而導致鋼卷外圈帶鋼松動，增加層間錯動造成的黑斑風險。鋼卷兩端增加周向捆帶能夠在一定程度上降低捆帶松動的概率。②減少鋼卷在運輸車上的移動。運輸車上安裝固定支架，使鋼卷無法發生移動，同時，在鋼卷與固定支架間填充緩沖材料，如皮墊、草墊等。③選擇好的運輸路況。黑斑缺陷與運輸路況密切相關，即使十幾公里的短倒運輸也能夠產生黑斑缺陷，這與“黑斑由長距離運輸造成”的認知不同。較差的路況會增加運輸過程中鋼卷與固定支架的擠壓和碰撞，造成黑斑缺陷。

（2）改進效果實施上述改進措施后，基本杜絕了熱鍍鋅卷的運輸黑斑缺陷。

3 結語

通過掃描電鏡對黑斑缺陷進行表面形貌及成分分析，進一步闡述了黑斑缺陷的成因，即，由于鋼卷在惡劣的運輸條件下，外圈不斷受到擠壓，層間錯動導致鋅層表面鋅粉脫落，在密閉環境中因氧含量不足而產生鋅的氧化產物，宏觀上表現為黑斑。通過鋼卷兩端增加周向捆帶、運輸車上安裝鋼卷固定支架以及固定支架上墊膠皮或草墊、選擇好的運輸路況等措施，基本杜絕了熱鍍鋅卷黑斑缺陷，改善效果明顯。