冷軋薄板在不同鋅液成分和鍍鋅時間條件下的鍍層質(zhì)量

方　芳　黃　鋒　陳一鳴

(1.武鋼研究院　湖北　武漢：430080；2.武漢理工大學汽車工程學院　湖北　武漢：430070)

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冷軋薄板在不同鋅液成分和鍍鋅時間條件下的鍍層質(zhì)量

方芳1黃鋒2陳一鳴1

(1.武鋼研究院湖北武漢：430080；2.武漢理工大學汽車工程學院湖北武漢：430070)

摘要采用熱浸鍍工藝模擬機，研究鋼板浸入不同Al含量的鋅液中保持一定時間后，鍍層質(zhì)量的變化。結(jié)果顯示，鍍鋅浸潤時間從2.5s增加到5.5s時，鍍層重量和厚度變化較小。輝光檢測鋅液中Al含量增加，鍍層重量和厚度均有明顯的提高，在鍍鋅浸潤時間4s時差異最大，當Al含量從0.15%增加到0.29%，鍍層重量和厚度提高45g/m2和5μm。鍍層截面形貌觀察與輝光檢測結(jié)果吻合，鋅液中Al含量較低時鍍層偏薄，且與鋼基結(jié)合處較為粗糙，鋅液中Al含量較高時鍍層明顯增厚，且鍍層/鋼基結(jié)合處平滑、連續(xù)。

關(guān)鍵詞冷軋薄板；Al含量;鍍鋅時間;鍍層；鍍鋅板

現(xiàn)代社會的發(fā)展，把節(jié)能減排放到了首要地位，鋼鐵行業(yè)更是重中之重，發(fā)展高強鋼一方面可降低鋼鐵總產(chǎn)量、節(jié)約資源，另一方面可提高鋼鐵的附加值。未來汽車的發(fā)展方向是環(huán)保、節(jié)能、安全，汽車減重是降低油耗的重要途徑之一[1]。汽車工業(yè)是我國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)在人們對汽車的外觀和使用壽命要求越來越高。鋅板具有良好的沖壓性能、優(yōu)良的抗腐蝕性、油漆涂裝性及表面狀況，隨汽車工業(yè)的發(fā)展，鍍鋅板在汽車工業(yè)中的用量不斷增長[2-3]。隨著鍍鋅板在汽車行業(yè)的應用越來越廣泛，汽車行業(yè)也對鍍鋅板提出了很多要求，它們主要包括：耐腐蝕性(保證汽車的使用壽命平均達到10年左右)，良好的力學性能(優(yōu)良的深沖加工性、高強度、抗凹陷性)，優(yōu)良的板形及尺寸公差，優(yōu)良的焊接加工性、油漆涂裝性和表面狀態(tài)(鍍層均勻性、粗糙度等)。

除了某些需要鍍后處理的產(chǎn)品要求之外，鍍鋅工藝基本處于產(chǎn)品制造的最后流程，產(chǎn)品質(zhì)量取決于所有前段工藝流程的來料質(zhì)量及鍍鋅工藝段控制，影響因素非常多。其中，鋅鍋內(nèi)管理參數(shù)就包括帶鋼走速、爐鼻露點和氣氛、鋅液成分、鋅液流體力學、沉沒輥設(shè)計等等。鋅液中的各種微量元素在帶鋼連續(xù)熱鍍鋅過程中發(fā)揮著重要作用，影響鍍層的形成和狀態(tài)[4]。鋁在鍍鋅過程中有著極其重要的作用，由粘附機制可知，只有通過Fe2Al5中間粘附層的粘附作用，鍍層才能緊緊地粘附在帶鋼表面。

本文通過設(shè)計實驗室鍍鋅工藝參數(shù)，采用熱浸鍍工藝模擬試驗機進行模擬，對試樣在不同Al含量的鋅液中浸潤不同時間所得到的鍍層進行分析，研究鋅液成分和鍍鋅浸潤時間對熱鍍鋅鍍層質(zhì)量的影響。

1實驗方法

試驗鋼取樣于生產(chǎn)現(xiàn)場所得冷硬態(tài)鋼帶(超低碳深沖鋼)，厚度為0.7mm，剪切成110mm×220mm的長方形鋼板，保證試樣表面清潔無明顯劃傷和氧化鐵皮。試驗鋼擦拭表面油污后經(jīng)超聲波清洗，在熱浸鍍工藝模擬試驗機上進行鍍鋅工藝參數(shù)模擬，具體工藝如圖1所示，其中爐內(nèi)露點-30℃，氣氛10%H2-90%N2，氣刀參數(shù)穩(wěn)定在流量500L/min，速度500mm/s，試樣在成分為0.15%/0.29%Al-Zn的鋅液中分別浸潤2.5s、4s和5.5s。

圖1　試驗鋼鍍鋅工藝流程

試樣在鋅鍋中浸潤不同時間經(jīng)氣刀吹掃和冷卻后，所得鍍后試樣取中間部位90mm×90mm處有效區(qū)域，切割成20mm×70mm的條狀試樣，采用輝光光譜儀(GDOES)分析鍍后的試樣表面狀態(tài)并統(tǒng)計分析，每塊試樣分析正反兩面各三點取其平均值。之后再切割成10mm×10mm的塊狀試樣鑲嵌后經(jīng)機械打磨和拋光后，利用HITACHI-S-4300型掃描電鏡(SEM)進行鍍層形貌觀察。

2結(jié)果與討論

2.1鍍鋅時間的影響

試樣首先經(jīng)輝光分析，得到的Zn、Al、Fe各元素強度曲線平滑，本文以Zn元素和Fe元素曲線的交點位置作為鍍層/基板界面位置，具體結(jié)果如圖2所示。在兩種鋅液成分下，鍍鋅浸潤時間從2.5s增加到5.5s時，鍍層重量和厚度均有所增加，但差距非常小。

帶鋼在卷入和卷出鋅液過程中，可分為兩個時間過程：一是帶鋼與鋅液中的鋁和鋅化合物反應，形成Fe2Al5中間層和Fe-Zn合金層的過程；二是鋅液中遠離帶鋼區(qū)域的Al向帶鋼附近區(qū)域擴散的過程[4]。本文實驗工藝在熱浸鍍試驗機上實現(xiàn)，不涉及生產(chǎn)現(xiàn)場存在的帶鋼進出鋅鍋產(chǎn)生的流體動力學，鋅液相對靜止。鋼板浸入鋅鍋后，鋅液中Al、Zn和Fe首先反應形成非常薄的Fe2Al5抑制層(20nm～250nm)[5]，該抑制層有利于提高鍍層粘附性，使鍍層和帶鋼具有良好的結(jié)合力，另一面Fe2Al5相成為鋅鐵反應的阻擋層，能抑制鋅鐵合金相形成，從而提高鍍層成形性。因而，隨著鋼板鍍鋅浸潤時間的延長，雖然Al、Zn和Fe的反應時間增加，鍍層由于抑制層的存在不能明顯增厚。

圖2　鍍鋅時間對鍍層重量和厚度的影響

2.2鋅液成分的影響

鋅液中固溶不同含量的Al對鍍層質(zhì)量有明顯的影響作用。如圖3所示，當Al含量從0.15%增加到0.29%時，鍍層重量和厚度均有明顯的提高。鋼板浸入鋅鍋中4s時，隨著Al含量增加，鍍層重量和厚度分別提高45g/m2和5μm。另一方面，黑色柱體代表的Al含量較低的鋅液，鍍層重量和厚度均差距非常小，分別為和4.6g/m2和0.7μm；紅色柱體代表的Al含量較高的鋅液，鍍層重量和厚度差距稍大，分別為10g/m2和1.4μm。即在鋼板浸入鋅液中的一開始鋅液中Al就已經(jīng)和Fe反應完成，對鍍層質(zhì)量影響較小，反而鍍鋅浸潤時間的影響可以忽略。

鍍層截面觀察結(jié)果顯示(圖4)，鋅液中Al含量較低時(圖4a)，鍍層偏薄，與鋼基結(jié)合處較為粗糙。鋅液中Al含量較高時(圖4b)，鍍層明顯增厚，且鍍層/鋼基結(jié)合處平滑、連續(xù)，形貌觀察與輝光檢測結(jié)果吻合。

3結(jié)論

(1)鍍鋅浸潤時間從2.5s增加到5.5s時，鍍層重量和厚度均有所增加，但差距非常小。隨著鋼板鍍鋅浸潤時間的延長，雖然Al、Zn和Fe的反應時間增加，但是這種反應由于抑制層的存在不能持續(xù)，鍍層不能明顯增厚。

(2)鋅液中Al含量的變化對鍍層質(zhì)量有明顯的影響。隨著Al含量的增加，鍍層重量和厚度均有明顯的提高，當鍍鋅浸潤時間為4s時，二者分別提高45 g/m2和5μm。

圖3　鋅液成分對鍍層

圖4　不同鋅液成分條件下鍍層截面形貌

(3)鍍層截面SEM觀察結(jié)果顯示，鋅液中Al含量較低時的鍍層偏薄，與鋼基結(jié)合處較為粗糙。鋅液中Al含量較高時的鍍層明顯增厚，且鍍層/鋼基結(jié)合處平滑、連續(xù)，形貌觀察與輝光檢測結(jié)果吻合。

參考文獻

[1]唐荻,米振莉,陳雨來.國外新型汽車用鋼的技術(shù)要求及研究開發(fā)現(xiàn)狀[J].鋼鐵,2005，40(6):1- 5.

[2]李少平.鍍鋅板成形性能的數(shù)值模擬與物理模擬研究及主要缺陷分析[D].上海交通大學碩士學位論文,2007.

[3]Parezanovió M Spiegel.露點溫度對冷軋DP和Ti-IF鋼選擇氧化的影響[J].世界鋼鐵,2004，(6):26-32.

[4]史正良,劉金龍.鍍鋅層附著性分析[J].熱處理,2007,22(5):51-54.

[5]Morimoto Y, Mcdevitt E, Meshii M. Characterization of Fe-Al inhibition layer formed in the initial stages of hot-dip galvannealing[J]. ISIJ, 1997,37(9):906-913.

(責任編輯：李文英)

Coating Quality of Thin Steel Plate Hot-dipped with Different Dipping Time and Zinc Bath Chemistries

Fang Fang1Huang Feng2Chen Yiming1

(1.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei；2.School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei)

Abstract:Different dipping time and zinc bath chemistry were conducted by a hot dipping process simulator in laboratory to study their effect on coating weight and thickness. The results show that, when the experimental steels were immersed for 2.5s, 4s, 5.5s in a Zn-0.15/0.29%Al zinc bath, the coating weight increased a little with the immersion time, but increased a lot as Al content in the zinc bath increased. When the immersion time was 4 s, the margin was the largest with 45 g/m2and 5μm improving for coating weight and thickness, respectively. The SEM morphology of the coating consisted with the measurements of GDOES (Glow Discharge Optical Emissivity Spectroscopy), the coating was thinner and coarser along the binding site with lower Al content, and when Al content increased, the coating became thicker and smoother on the binding site.

Key words:cold rolled thin plate; Al content; dipping time; coating; galvanized sheet

中圖分類號：TG174.44

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)01-0035-03

作者簡介：方芳(1982～)，女，博士，工程師.E-mail：13554337160@163.com

收稿日期：2015-12-29修回日期：2016-01-18