輝光光譜法測定熱鍍鋅鋼板界面寬度

胡維鑄

（鞍鋼集團鋼鐵研究院本鋼技術中心，遼寧 本溪 117001）

鋼材表面鍍鋅是防止鋼材腐蝕最有效、最經濟的工藝方法，在表面涂鍍一層金屬鋅的鋼板稱為鍍鋅板，其中用于熱鍍鋅的鋅量占全部鍍鋅量的90%以上，鍍鋅鋼板被廣泛應用于建筑、汽車、家電等行業。鍍鋅鋼板的理化檢驗指標有機械性能、基板成分、鍍層成分等，鍍層檢測與產品質量及生產成本密切相關。鍍鋅鋼板的微觀結構公認分為鋅層、合金化層、基體三個部分，它們之間沒有明確的分界線，存在著互相滲透的現象，用任何方法都不能直接得到鍍層的準確厚度。

國內外眾多研究人員已經利用輝光放電原子發射光譜法對各種鍍層開展了有效的工作，如Richard Payling等［1］對輝光深度分析原理及應用做了詳盡的描述，張毅等［2］分析了鍍鋅鋼板鍍層圖譜，Xhoffe C等［3］分析了鋼鐵材料表面多種鍍層圖譜，余衛華等［4］分析了鍍鋅板、鍍錫板、硅鋼涂層圖譜，徐永林等［5］分析了合金化鍍鋅板中鐵含量，于媛君等［6］分析了鍍鋅板鍍層中鉛鎘鉻元素含量。國家標準GB/T 29559-2013/ISO 16962：2005附錄C.3.2［7］將 Zn84%和 Zn16%間的距離定義為界面寬度，實際測定界面寬度尚未報導。

熱鍍鋅鋼板鍍層質量控制與工藝研究在其整個生產過程中都非常重要。測定熱鍍鋅鋼板界面寬度對熱鍍鋅鋼板鍍層質量控制和工藝研究有重要意義。為此，開展了利用輝光放電原子發射光譜法測定熱鍍鋅鋼板鍍層的實驗研究，并用程序軟件計算得出界面寬度。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

GDS850A輝光光譜儀：0.75 m焦距，Paschen-Runge支架多道真空光譜儀，真空系統，58個通道，檢測器-光電倍增管（PMT），光柵刻線數2 400條/mm，分辨率0.025 nm，波長119～600 nm，陽極直徑4 mm直流（DC）輝光放電源并配備4 mm射頻（RF）輝光放電源，入射狹縫0.015 nm，出射狹縫0.040 nm。

無水乙醇（分析純）或丙酮（分析純）。

1.2 校準曲線

校準曲線采用相對濺射率建立，為保證多種基體間有一致的光譜干擾及拓展各元素分析范圍，使用多種國際有證標準物質，包含：純鐵，中、低合金鋼，生鐵，鎳基合金，鋁基合金，銅基合金，鋅基合金等。

1.3 實驗方法

鋼鐵標準物質用BG-32型磨床打磨至表面光滑，再用0.125 mm金相砂紙仔細打磨拋光后，立即用無水乙醇清洗干凈，熱風吹干待用；鋅基、鋁基、銅基標準物質用銑床銑掉表面薄薄一層。經光譜描跡、漂移校正后，將試樣作為陰極置于輝光光源上逐層剝離激發，實時檢測各元素光譜強度，至Fe元素光譜強度保持水平不變時，表明激發至鐵基體，停止測定。根據各元素光譜強度與時間的曲線圖，轉換為各元素成分隨深度變化的分布圖，利用QDP程序軟件在圖中標注出Zn84%和Zn16%的深度，兩者的差值即為界面寬度。

1.4 實驗參數

實驗室內溫度為18～26℃，濕度為20%～80%；陽極直徑為4 mm；分析工作方式為恒定電壓-電流方式；啟輝電壓為700 V，啟輝時間為2 s，激發電壓為700 V，激發電流30 mA，積分時間0～600 s。

2 結果與討論

2.1 熱鍍鋅鋼板取樣與制樣

實驗發現，所取試樣如果含有夾雜、裂紋、氣孔、油污、粉塵、氧化物，在密封時容易產生漏氣，使激發出的光強發生變化，進而導致測定結果不準確，漏氣嚴重時甚至不能輝光放電。試樣局部不均勻也會影響測定結果的可靠性［8］。熱鍍鋅鋼板取樣與制樣必須按照GB/T 29559-2013/ISO 16962:2005［7］和 GB/T 20066-2006［9］的要求，保證試樣表面無劃痕、成分均勻、具有代表性，同時不含夾雜、裂紋、氣孔、油污、粉塵、氧化物，并制成50 mm的圓形或方形。

2.2 氬氣純度與流量

實驗發現，氬氣作為激發氣體，其影響因素主要有純度不夠和流量不夠，這兩種影響因素都會造成激發前光源內沖洗不干凈，殘留在光源內的粉塵及氧化物會影響激發效果，導致激發光強衰減，進而導致測定結果不準確。為確保測定結果的準確性，須保證氬氣純度在99.999%以上，氬氣流量分表壓力為280 kPa。

2.3 光譜描跡與漂移校正

本法采用含量均勻的鐵基試樣以Fe371.994 nm作為定位線來進行光譜描跡工作。將試樣置于銅電極前，按上吸樣按鈕，關閉輝光室門，儀器自動激發顯示最佳位置，馬達自動轉至最佳位置完成描跡，描跡確保最大強度的光通過出射狹縫。實驗研究發現，狹縫漂移時有發生，為確保測定結果的準確性，在每次分析前必須進行光譜描跡。

采用標準物質進行漂移校正可以校正校準曲線以補償儀器長期漂移，漂移校正后進行測定。本法采用SUSRN19-70、SUSRA18-153、SUSRG14-654、BRAMMER825E、BASC54-03-5、SUSRZN13-33六塊標準物質來進行漂移校正。實驗研究發現，曲線漂移時有發生，為確保測定結果的準確性，在每次分析前必須進行漂移校正。

2.4 界面寬度測定

對熱鍍鋅鋼板試樣進行界面寬度測定，鍍鋅板界面寬度測定圖譜如圖1所示，從圖1可以觀測到熱鍍鋅鋼板的鍍層界面寬度。

圖1 鍍鋅板界面寬度測定圖譜Fig.1 Spectrogram for Determination of Interface Width of Galvanized Sheets

熱鍍鋅鋼板試樣界面寬度測定值見表1，BG-1#為同一鋼種，BG-2#，BG-3#，BG-4#為不同鋼種。

表1 熱鍍鋅鋼板試樣界面寬度測定值Table 1 Measured Values of Interface Widths of Hot-dip Galvanized Steel Sheet Samples

由表1可知，同一鋼種熱鍍鋅鋼板鍍層界面寬度基本一致,不同鋼種熱鍍鋅鋼板因工藝條件不同導致鍍層界面寬度各不相同。同一鋼種熱鍍鋅鋼板界面寬度如有較大差異，說明鍍鋅工藝中鋅液溫度、浸鍍時間、鋼基元素、鋅液元素、鋼帶表面狀態等［10］有所變化，應仔細查找出變化因素，嚴格執行工藝條件。

2.5 鍍層深度對比實驗

本實驗使用3塊熱鍍鋅鋼板試樣，分別采用輝光法和國家標準重量法［11］進行鍍層深度測定對比實驗，結果見表2。

表2 鍍層深度測定對比實驗Table 2 Comparative Experiment for Measuring Depths of CoatingLayers μm

由表2可知，鍍層深度輝光法測定值和國家標準方法測定值基本一致，界面寬度輝光測定方法準確。

3 結語

根據國家標準GB/T 29559-2013/ISO 16962：2005［7］規定的鍍鋅板界面寬度，開展了使用輝光光譜儀和QDP程序軟件在質量百分比-深度譜圖中標記出84%和16%的點，通過計算得出測定界面寬度的實驗研究。結果表明，熱鍍鋅鋼板鍍層界面寬度與工藝條件密切相關，鍍層深度輝光測定值和國家標準方法測定值基本一致，界面寬度輝光測定方法準確。