熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均勻原因

林傳華,儲雙杰,任玉苓

(寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 200941)

熱鍍鋁鋅鋼板具有良好的耐腐蝕性和光熱反射能力，在建筑、家電等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。熱鍍鋁鋅鋼板表面有鋅花，可以作為裝飾直接用于空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)的背板。熱鍍鋁鋅鋼板的鋅花尺寸(直徑)變化范圍很廣，通常從小于0.5 mm(肉眼不可見)到5 mm，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常有鋅花尺寸不均勻的情況發(fā)生，嚴(yán)重影響了熱鍍鋁鋅鋼板的美觀程度和實(shí)際使用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花產(chǎn)生的原因做了大量研究。PHELAN等[2]研究發(fā)現(xiàn)，帶鋼浸入鍍液時，在基板與鍍液間形成了界面層，通過該界面層，鐵元素擴(kuò)散進(jìn)入鍍液，鋁元素擴(kuò)散進(jìn)入基板，經(jīng)過短暫的孕育期，θ-FeAl3或α-AlFeSi相在基板上形成，再經(jīng)過一個時間稍長的孕育期，η-Fe2Al5相在基板與FeAl3/α-AlFeSi之間形成。KRAJEWSKI[3]研究發(fā)現(xiàn)鈦元素可以通過異質(zhì)形核作用來影響鍍層鋅花的尺寸。

某鋼廠生產(chǎn)的熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均勻，筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗，對軋硬態(tài)基板表面鍍層的內(nèi)、外層及界面進(jìn)行分析，研究了鋅花尺寸不均勻的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

用砂紙將軋硬態(tài)鋼板表面局部區(qū)域打磨成尺寸為10 cm×10 cm(長×寬)的正方形(見圖1)，并做好長度位置的定位標(biāo)識，方便浸鍍后取樣。浸鍍工藝的參數(shù)為：鋅鍋溫度為600 ℃，鋼板入鍋溫度為600 ℃，浸鍍時間為3 s，鋼板厚度為0.4 mm，材料為DX51D+AZ鋼，鍍液的化學(xué)成分如表1所示。

圖1 浸鍍前軋硬態(tài)鋼板表面的宏觀形貌

表1 浸鍍工藝鍍液的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2 試驗方法

將砂紙打磨后的軋硬態(tài)鋼板進(jìn)行浸鍍處理，然后進(jìn)行宏觀觀察及微觀分析。取焊接前后鋅花尺寸差異大的鋼板(見圖2)，其中大鋅花的尺寸約為5 mm，小鋅花的尺寸約為1 mm，將鍍層外層用硝酸乙醇溶液溶解后，用JSM-6460LV型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析；在鋼板鍍層截面取樣，進(jìn)行SEM和能譜(EDS)分析。

圖2 焊接前后鋅花尺寸差異大的鋼板宏觀形貌

另外抽取6塊鋅花尺寸不均勻的鍍鋁鋅鋼板，編號為1#～6#試樣。采用Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對1#～6#試樣表面的殘留物進(jìn)行分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋼板表面狀態(tài)的影響

浸鍍后軋硬態(tài)鋼板表面的宏觀形貌如圖3所示，可見砂紙打磨后，鋼板表面的鋅花尺寸明顯變大。打磨區(qū)域和未打磨區(qū)域的浸鍍工藝完全相同，說明軋硬態(tài)鋼板的表面狀態(tài)對鋅花尺寸有影響，打磨后鋼板表面狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致鋅花的尺寸發(fā)生變化。

圖3 浸鍍后軋硬態(tài)鋼板表面的宏觀形貌

2.2 FTIR分析

對1#～6#試樣的表面殘留物進(jìn)行FTIR分析，結(jié)果如表2所示。對試樣的鋅花尺寸進(jìn)行評級，板面任一位置長度為100 mm方向上的鋅花個數(shù)分別為85，65，40，30，20時，鋅花尺寸等級依次對應(yīng)1～5級。由表2可見：1#，5#試樣的羧酸鹽紅外吸收峰值(I1 560)為2～3 mm，鋅花尺寸等級為2.5級，鋅花尺寸小；其余試樣的I1 560均為0.5 mm，鋅花尺寸等級為3.5～4.5級，鋅花尺寸大。冷軋過程中，過熱的乳化液與鋼基板發(fā)生強(qiáng)烈共價反應(yīng)，導(dǎo)致鋼板表面產(chǎn)生羧酸鹽，且羧酸鹽很難被電解。打磨鋼板表面可以將羧酸鹽刮除，導(dǎo)致打磨后鋼板表面的鋅花尺寸發(fā)生改變。

表2 1#～6#試樣表面殘留物的FTIR分析結(jié)果

2.3 SEM和EDS分析

將鋅花尺寸不同的試樣外覆層中的富鋅相和富鋁相溶解，然后對試樣的中間合金層表面進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：小鋅花試樣中間合金層表面殘留的硅針數(shù)量多，大鋅花試樣中間合金層表面殘留的硅針數(shù)量少；進(jìn)一步放大觀察，發(fā)現(xiàn)小鋅花試樣的合金層有大量溝槽，而大鋅花試樣的合金層無明顯溝槽。

圖4 鋅花尺寸不同的試樣中間合金層表面的SEM形貌

圖5是小鋅花試樣鍍層截面的SEM形貌，可見小鋅花試樣的中間合金層有鋅相(箭頭所指位置)，說明溝槽是合金層中鋅相溶解后產(chǎn)生的。

圖5 小鋅花試樣鍍層截面的SEM形貌

對鋅花尺寸不同的試樣鍍層截面進(jìn)行EDS分析，可知小鋅花試樣外覆層與合金層界面處鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%，大鋅花試樣外覆層與合金層界面處鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%。

3 綜合分析

熱鍍鋁鋅工藝使用的鍍液熔點(diǎn)高(590 ℃以上)，在鍍液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%的硅元素，可以防止鍍液與鋼基板之間發(fā)生迅速且強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，促進(jìn)薄而連續(xù)的合金層形成，避免鍍液與鋼基板之間過度反應(yīng)[4]。鍍層結(jié)晶凝固時，先形成富鋁相，鐵、硅等溶質(zhì)元素被富鋁相的枝晶隔離在未凝固的液相L中。隨著溫度進(jìn)一步降低，鐵、硅元素不斷擴(kuò)散進(jìn)入未凝固的液相L，促進(jìn)二元共晶反應(yīng)(L→富鋁相+硅針)，富鋁相的枝晶持續(xù)生長，而硅針則在枝晶間沉淀，最后約在380 ℃的環(huán)境下發(fā)生三元共晶反應(yīng)(L→富鋁相+富鋅相+硅針)，并完成凝固過程[5]。

軋硬態(tài)鋼板表面殘留有羧酸鐵，使鋼板的浸潤性變差，進(jìn)而影響了鋼基板與鍍液之間的反應(yīng)，導(dǎo)致鐵元素的溶解量減少，無法形成致密的鐵-鋁抑制層。SEM分析結(jié)果表明：小鋅花試樣沒有形成致密的抑制層，導(dǎo)致鋅元素滲透；大鋅花試樣的鐵元素溶解量多，除了形成抑制層外，還引起鋼基板表層鐵元素的過飽和，鐵元素在富鋁相固溶體中的溶解度有限，在富鋁相固溶體結(jié)晶時，過飽和的鐵元素會被排出，限制了鋁固溶體的形核速率，導(dǎo)致形核數(shù)量減少，形成大鋅花。

液相中的鐵、硅元素有很強(qiáng)的親和力，鐵元素在液相中的過飽和將促進(jìn)硅元素溶質(zhì)分配，從而引起液相中硅元素含量增加。對于被羧酸鐵覆蓋的鋼板，鐵元素的溶解受到阻礙，溶解量不足，無法形成過飽和。先結(jié)晶的富鋁相中包含較少的硅元素，導(dǎo)致最后凝固部分的硅元素含量多，形成更多的硅針，因此小鋅花比大鋅花的硅針數(shù)量多，這個結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致[4]。

鋼板的浸潤性能影響了鋼基板鐵元素的溶解量，進(jìn)而影響了熱鍍鋁鋅鋼板鍍層的化學(xué)成分。表面帶有鋅灰的鋼板，固相與固相之間擴(kuò)散速率慢，鋼基板鐵元素的溶解量少，浸鍍后形成小鋅花；鋼板沒有鋅灰覆蓋的正常部位，鋼基板鐵元素的溶解量充足，浸鍍后形成大鋅花。鐵元素溶解差異引起鋅花尺寸不同的機(jī)理如圖6所示。大鋅花試樣的浸潤性好，鐵元素溶解量大，在結(jié)晶之前的熔體中，過飽和的鐵元素促進(jìn)了硅元素的溶解，結(jié)晶后共晶硅少，微觀下呈現(xiàn)的硅針數(shù)量少，三元共晶反應(yīng)后，富鋅相占比多；小鋅花試樣的浸潤性差，鐵元素溶解量小，在結(jié)晶之前的熔體中，欠飽和的鐵元素不利于硅元素溶解，結(jié)晶后共晶硅多，微觀下呈現(xiàn)的硅針數(shù)量多，三元共晶反應(yīng)后，富鋅相占比少，成分過冷導(dǎo)致鍍層凝固結(jié)晶形成小鋅花。

圖6 鐵元素溶解差異引起鋅花尺寸不同的機(jī)理示意

4 結(jié)論與建議

鋼板在熱鍍鋁鋅的過程中，鐵元素溶解量差異導(dǎo)致凝固后鍍層的硅針數(shù)量、合金層與外覆層界面的富鋅相數(shù)量不均勻，以及影響鋼基板與合金層界面之間鐵-鋁抑制層的形成，最終導(dǎo)致鋼板表面鋅花尺寸不均勻。

避免軋硬態(tài)鋼板表面羧酸鐵的形成，可以改善鋼板表面熱浸鍍時的浸潤性，解決鋼板表面鋅花尺寸不均勻的問題。