熱浸鍍時間對鋁鋅硅鍍層鋅花尺寸和合金層厚度及形態(tài)的影響

黃才根 王 健 王 華

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 201900； 2.寶武鋼鐵集團 中央研究院，上海 201900；3.上海大學 分析測試中心，上海 200444)

熱浸鍍是將鋼板或零件浸入熔融金屬液以獲得金屬鍍層的工藝。近年來，熱浸鍍材料的優(yōu)良性能更為明顯，在降低生產(chǎn)成本的同時還可減少鋼材銹蝕造成的損失。隨著對零件耐蝕性要求的不斷提高，普通熱鍍鋅工藝已難以滿足各行業(yè)的需求，熱浸鍍鋁鋅硅層工藝應運而生[1- 2]。熱浸鍍的鋁鋅硅層兼具熱鍍鋁和熱鍍鋅層的優(yōu)點，耐蝕性、抗高溫氧化性能和觀賞性優(yōu)異，因而被廣泛應用于家電及建筑等行業(yè)[3- 4]。

以往對熱浸鍍鋁鋅硅鍍層的研究主要集中在鍍層的耐蝕性及其機制[5- 6]，以及添加其他元素改善鍍層組織和性能等方面[7- 9]。生產(chǎn)中，熱浸鍍鋁鋅硅層的難度較普通鍍鋅大。由于鋁鋅硅鍍層含鋁量高，而鋁的熔點高，易氧化，表面張力大，熱浸鍍易產(chǎn)生漏鍍、黏附性差[10]等質(zhì)量問題。在熱浸鍍工藝參數(shù)中，浸鍍時間是影響鋁鋅硅鍍層鋅花尺寸和鍍層質(zhì)量的關鍵因素，只有合理控制浸鍍時間才能獲得合格的鋅花尺寸和質(zhì)量良好的鍍層。本文采用熱浸鍍模擬試驗機對低碳鋼板進行了不同時間的熱浸鍍鋁鋅硅試驗，研究結果可為實際生產(chǎn)中低碳鋼熱浸鍍鋁鋅硅鍍層的浸鍍時間等工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 熱浸鍍鋁鋅硅

試驗用低碳鋼板尺寸為220 mm×100 mm×0.8 mm，在HDPS- EU AV型熱鍍鋅模擬試驗機上進行熱浸鍍鋁鋅硅試驗。鋼板經(jīng)脫脂、漂洗、烘干后，采用紅外線加熱器加熱至750 ℃，然后以10 ℃/s的速率冷卻至浸鍍溫度595 ℃進行浸鍍，隨后以23 ℃/s的速率冷卻至室溫。保護氣氛為95%(體積分數(shù)，下同)N2+5%H2，露點為-30 ℃。浸鍍時間分別為1.2、3.2和5.2 s。鍍液主要成分為55.0%Al+43.4%Zn+1.6%Si。試驗用鋼板的化學成分如表1所示。

表1 試驗用鋼板的化學成分(質(zhì)量分數(shù))

1.2 測試分析

采用劃線法[11]測量并統(tǒng)計鋼板熱浸鍍不同時間產(chǎn)生的鋁鋅硅鍍層的鋅花尺寸。用線切割加工15 mm×15 mm試片并制備金相試樣；采用添加緩蝕劑的10%(質(zhì)量分數(shù)，下同)鹽酸水溶液將鋼板表面鍍層溶解，保留合金層。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析鍍層表面和截面形貌及合金層組織，并用能譜儀分析其成分。

2 結果分析與討論

2.1 鍍層表面鋅花形貌及元素分布

鋅花是鍍鋁鋅板上可見的或明或暗扇形花紋。放大可見每個扇形花紋都有兩條直邊和一條弧形邊。多數(shù)情況下，每個鋅花都由 6 個左右的小扇形花紋構成。鋅花的形貌主要與α- Al 枝晶有關，單個鋅花中扇形花紋的直邊即為α- Al一次枝晶，扇形花紋內(nèi)有二次或三次枝晶。在凝固過程中，相鄰鋅花的枝晶生長取向有一定差異[12- 13]，使相鄰鋅花在同一個方向上的反光率產(chǎn)生較大差異，從而形成了獨特的立體形貌[14]。 圖1為熱浸鍍1.2 s的鋼板鍍層表面鋅花的微觀形貌，可見鋅花由一次、二次和三次枝晶構成。表2為鋅花成分，可見一次枝晶(A點)由富鋁相組成，而枝晶間隙(B點)則由富鋅相組成，富鋅相處于富鋁相的間隙。

圖1 鍍層表面鋅花的掃描電子顯微鏡形貌

表2 鍍層表面鋅花的成分(質(zhì)量分數(shù))

圖2為熱浸鍍不同時間的鋼板鍍層表面鋅花的宏觀形貌。由圖2可知，熱浸鍍時間從1.2 s延長至5.2 s，鍍層的鋅花形態(tài)無明顯變化，熱浸鍍不同時間的鋼板鍍層表面鋅花均有或明或暗的扇形區(qū)。其原因是，鋅層表面的晶粒取向不同，導致反光率不同，從而形成明暗區(qū)[15]。

圖2 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)的鋼板的鋅花形貌

采用劃線法統(tǒng)計鋼板鍍層的鋅花尺寸，得到鋼板鍍層的鋅花尺寸隨浸鍍時間的變化規(guī)律，如圖3所示。從圖3可以看出，隨著浸鍍時間從1.2 s延長至5.2 s，鋅花尺寸略有減小。其原因在于：在浸鍍溫度、冷卻速率等不變的情況下，隨著浸鍍時間的延長，鍍層與基體之間的合金層增厚，富鋁枝晶的形核與長大(決定鋅花尺寸)與合金層的相組成有關。鋅花的最終尺寸不僅與鍍層與基體之間的合金層的相組成有關，還與其厚度有關。合金層越厚，富鋁枝晶形核點增多，導致鋅花尺寸減小。根據(jù)點陣匹配原理，若金屬間化合物晶格類型與富鋁枝晶比較匹配，則富鋁枝晶有更多異質(zhì)形核點，從而使鋅花尺寸減小。研究發(fā)現(xiàn)[16]，金屬間合金層中θ- FeAl3相與富鋁枝晶比較匹配，因而隨其含量增加鋅花尺寸減小。這與Hikino等[17]的研究結果一致。他們的研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱浸鍍時間的縮短，界面合金層厚度減小，鋅花尺寸增大。Guo等[18]的研究發(fā)現(xiàn)：當生產(chǎn)帶速從50 m/min提高至80 m/min時，鋅花尺寸變化不大；隨著帶速進一步從80 m/min提高至100 m/min，鋅花尺寸減小。初步認為這是帶材與鍍層厚度的差異導致實際冷速不同所致。Guo等[18]研究的以高帶速(80～100 m/min)生產(chǎn)的卷材和鍍層均較薄。基板較薄會導致浸鍍后的余熱較小，而生產(chǎn)薄鍍層產(chǎn)品則需要較大的氣刀噴射壓力，以增大基板的冷卻速率。這兩個因素的疊加導致隨著帶鋼速率從80 m/min提高至100 m/min時，鋅花尺寸從3.0 μm減小到2.4 μm，即隨著浸鍍時間的縮短，鋅花尺寸減小。

圖3 熱浸鍍時間對鋅花尺寸的影響

2.2 合金層形態(tài)

熱浸鍍時鋼板與鍍液的界面反應和相變過程均較為復雜，涉及鋼板被鍍液浸潤、Fe- Al- Zn金屬間化合物的等溫固化、固態(tài)擴散相變和鍍液的凝固反應等[19]，且反應速率非常快，通常不到1 s。將鋼板浸入55Al- 45Zn鍍液時，在鋼板- 鍍液界面發(fā)生鐵與鍍液中鋁的反應，生成由Fe2Al5和FeAl3構成的合金層[20]。該合金層有兩種形態(tài)：一是合金層的Fe2Al5和FeAl3從鋼板上剝落，使鍍液與鋼板直接發(fā)生反應，該反應非常快，僅受Al元素在Al- Zn鍍液中向鋼板表面擴散的限制；二是合金層附著在鋼板表面，Al元素通過合金層中未完全凝固的液體擴散至鋼板表面并快速發(fā)生反應[21]。熱浸鍍55%Al- Zn- Si合金時，Si元素的作用主要是抑制Al- Zn鍍液與鋼板表面之間的強烈放熱反應[22]。

圖4為浸鍍不同時間產(chǎn)生的鍍層的截面形貌。從圖4可以看出，鍍層截面明顯分為外層、合金層和基板3部分。熱浸鍍1.2 s生成的鍍層較薄，難以分辨中間的合金層，且合金層不連續(xù)，有斷裂、脫落跡象。其原因可能是浸鍍時間較短，即鍍液與鋼板反應時間較短，導致形成的合金層較薄。熱浸3.2 s生成的鍍層厚度增大，合金層界限明顯。浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層明顯增厚，鍍層也更致密，且α- Al枝晶截面增大，但鍍層厚度變化不大。其原因是，隨著擴散反應的進行，形成的合金層相當于保護膜，阻礙了基板與鍍液的接觸，減緩了鍍液對基板的浸潤，所以鍍層厚度變化不明顯[23]。

圖4 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)產(chǎn)生的鍍層的截面形態(tài)

對圖4(b)所示鍍層截面進行成分分析，結果如表3所示。可以看出，鍍層中淺灰色(A)為富鋅相，深灰色(B)為富鋁相。由于測試前試樣暴露于空氣中，發(fā)生了少量電化學腐蝕[24]，在富鋅相與富鋁相中檢測到了氧元素。鍍液中的Si元素在鍍層中含量較少未檢測到，其主要分布于合金層中。

表3 熱浸鍍3.2 s產(chǎn)生的鍍層成分(質(zhì)量分數(shù))

參照GB/T 18592—2001《金屬覆蓋層 鋼鐵制品熱浸鍍鋁 技術條件》[25]測定了鋼板熱浸鍍層中合金層厚度隨浸鍍時間的變化，如圖5所示。可見在冷卻速率、 浸鍍溫度等工藝參數(shù)不變的條件下，隨著浸鍍時間的增加，鋼板中的Fe與鍍液中的Al、Zn元素相互擴散時間增加，鍍層的合金層增厚。

圖5 鍍層中合金層厚度隨熱浸鍍時間的變化

鍍層中合金層形貌如圖6所示。可見合金層中有大量白色和灰色合金相[26]。熱浸鍍1.2和3.2 s生成的鍍層，其合金層中有較多的白色合金相；熱浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層中白色合金相較少。表4為合金層中白色和灰色合金相的成分。由表4可知，各相成分沒有太大差別，均為含Al、Zn、Si和Fe的合金[27]，底層灰色合金相含鐵量較高，白色合金相中含鋁量較高，可能是腐蝕后的鍍層殘留物。

圖6 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)生成的鍍層中合金層形貌

表4 鍍層合金層中各相成分(質(zhì)量分數(shù))

3 結論

(1)隨著熱浸鍍時間從1.2 s增加至5.2 s，鋼板中Fe原子通過合金層擴散的時間延長，合金層增厚，鋅花尺寸減小，熱浸鍍時間對鋅花尺寸有顯著影響。

(2)熱浸鍍1.2 s生成的鍍層較薄，其合金層不連續(xù)；熱浸鍍3.2 s生成的鍍層厚度增大，合金層與鋼板的界限明顯；熱浸鍍5.2 s生成的鍍層中合金層明顯增厚，鍍層更致密，質(zhì)量較好。

(3)熱浸鍍的鋁鋅硅鍍層中合金層有大量白色和灰色合金相，熱浸鍍1.2和3.2 s生成的鍍層中的合金層有較多的白色合金相，而浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層中的白色合金相較少。