熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷的生成機(jī)理及控制

任新意*，高慧敏，鄭艷坤，周歡，王保勇，黃華貴

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 060004）

【經(jīng)驗(yàn)交流】

熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷的生成機(jī)理及控制

任新意1,*，高慧敏1，鄭艷坤1，周歡1，王保勇1，黃華貴2

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200；2.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 060004）

針對(duì)某2230熱鍍鋅線雙相鋼產(chǎn)品出現(xiàn)的亮點(diǎn)缺陷問題，使用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)帶鋼缺陷處的組織成分和表觀形貌進(jìn)行分析。結(jié)果表明，亮點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)椋簬т摫砻婢植看嬖贛n、Cr等合金元素的氧化富集，阻礙了對(duì)應(yīng)位置Fe2Al5抑制層的形成，最終導(dǎo)致鋅層偏薄或漏鍍。通過優(yōu)化退火工藝參數(shù)、改善爐區(qū)加濕和露點(diǎn)狀態(tài)以及匹配帶速與氣刀工藝等措施，有效解決了熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷的問題。

雙相鋼；熱鍍鋅；亮點(diǎn)缺陷；氧化；生成機(jī)理

First-author’s address:Cold Metal Department, Shougang Jingtang United Iron and Steel Company, Tangshan 063200, China

汽車輕量化不僅是提高能源效率、減少環(huán)境污染的重要途徑，而且有利于改善汽車的動(dòng)力性、舒適性和操縱穩(wěn)定性[1]，因此對(duì)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化材料的應(yīng)用以及先進(jìn)制造工藝是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要措施。高性能雙相鋼具有屈服強(qiáng)度低、初始加工硬化速率高、在加工硬化和屈服強(qiáng)度上表現(xiàn)高應(yīng)變速率敏感性以及強(qiáng)度和延展性配合好等特點(diǎn)[2]，且經(jīng)過鍍鋅處理后具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，因此熱鍍鋅雙相鋼產(chǎn)品在汽車保險(xiǎn)杠、車門、車輪以及車體的縱向橫梁等部件中得到廣泛應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)雙相鋼產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)及控制技術(shù)做了大量研究。李研等[3]針對(duì)熱鍍鋅雙相鋼產(chǎn)品表面漏鍍?nèi)毕莸姆治霰砻鳎灞砻婧辖鹪匮趸患窃斐陕╁兊脑?。潘吉祥等[4]針對(duì)雙相不銹鋼表面起皮缺陷進(jìn)行分析，得出缺陷的實(shí)質(zhì)是熱軋過程中咬入氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后的表現(xiàn)形式。李遠(yuǎn)鵬[5]系統(tǒng)地分析了退火溫度和時(shí)間對(duì)熱鍍鋅雙相鋼合金元素選擇性氧化的影響，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提高產(chǎn)品可鍍性提供參考。

本文針對(duì)熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷，通過分布規(guī)律、微觀形貌和組織成分分析，確定缺陷產(chǎn)生的原因。通過優(yōu)化退火工藝參數(shù)，改善爐區(qū)加濕和露點(diǎn)狀態(tài)以及匹配帶速與氣刀工藝等措施，有效解決了該缺陷，實(shí)際效果良好。

1 冷軋連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)工藝流程

冷軋連續(xù)熱鍍鋅主要工藝流程[6]包括開卷、矯直、剪切、焊接、經(jīng)入口活套存料到清洗段。在清洗段，帶鋼先后經(jīng)過熱堿浸泡清洗，堿液刷洗，電解清洗，脫鹽水刷洗，串級(jí)脫鹽水漂洗和熱風(fēng)干燥，獲得潔凈的表面，然后進(jìn)入立式連續(xù)退火爐。在立式連續(xù)退火爐內(nèi)氫氣與氮?dú)饣旌线€原保護(hù)氣氛下，帶鋼經(jīng)過預(yù)熱、加熱、均熱、緩慢冷卻、快速冷卻、過時(shí)效等工序后，通過爐鼻子進(jìn)入鋅鍋，鍍層厚度由設(shè)置在鋅鍋上面的氣刀進(jìn)行控制，然后進(jìn)行合金化處理，再送入冷卻段冷卻。冷卻后的帶鋼經(jīng)過水冷、干燥和鍍層測(cè)厚儀，進(jìn)入中間活套。從中間活套出來(lái)的帶鋼經(jīng)過光整、拉矯、鈍化等處理后進(jìn)入出口活套。出口活套出來(lái)的帶鋼經(jīng)過表面缺陷自動(dòng)檢查、切邊、測(cè)寬、測(cè)厚、立式水平檢查、打印、涂油等工序后，進(jìn)入卷取機(jī)進(jìn)行張力卷取。當(dāng)卷重或帶鋼長(zhǎng)度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，由分切剪分卷、切廢和取樣，生產(chǎn)出熱鍍鋅鋼板。圖1為某2230熱鍍鋅機(jī)組的設(shè)備布置及工藝流程。

圖1 2230熱鍍鋅機(jī)組設(shè)備布置及工藝流程示意圖Figure 1 Schematic diagram showing equipment layout and process flow of 2230 hot-dip galvanizing line

2 帶鋼亮點(diǎn)缺陷的特征和分布規(guī)律

在統(tǒng)計(jì)某2230熱鍍鋅產(chǎn)線批量生產(chǎn)的DP600雙相鋼(涉及高鋁和鉻鉬合金兩種成分)的質(zhì)量情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍍鋅帶鋼表面存在嚴(yán)重的亮點(diǎn)缺陷，其外觀如圖2所示。由圖2可知，亮點(diǎn)缺陷在宏觀上呈矩形，其中矩形的長(zhǎng)邊垂直于軋制方向，短邊平行于軋制方向，亮點(diǎn)缺陷后方沿軋向一般拖有一條“尾巴”。

圖2 熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷照片F(xiàn)igure 2 Photo of star light defect on surface of hot-dip galvanized dual-phase steel

選取部分亮點(diǎn)缺陷明顯的帶鋼，采用鍍鋅生產(chǎn)線表面檢查儀研究亮點(diǎn)缺陷沿帶鋼長(zhǎng)度方向上的分布規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，亮點(diǎn)缺陷沿帶鋼長(zhǎng)度方向通卷或斷續(xù)出現(xiàn)，上下表面均存在，且?guī)т搩蓚?cè)較中部分布得更密集。

圖3 亮點(diǎn)缺陷的表觀形貌Figure 3 Apparent morphology of star light defect

在實(shí)際生產(chǎn)中還發(fā)現(xiàn)，亮點(diǎn)缺陷與帶鋼厚度和鍍覆量存在一定的關(guān)系，具體見圖4。由圖4可知，亮點(diǎn)缺陷主要出現(xiàn)在帶鋼厚度大于1.5 mm、鋅重大于200 g/m2的厚規(guī)格厚鍍層帶鋼產(chǎn)品上，薄規(guī)格薄鍍層、薄規(guī)格厚鍍層和厚規(guī)格薄鍍層產(chǎn)品表面產(chǎn)生亮點(diǎn)缺陷的概率較低。

圖4 熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷分布規(guī)律Figure 4 Distribution rule of surface star light defects on surface of hot-dip galvanized dual-phase steel

3 熱鍍鋅亮點(diǎn)缺陷微觀特征及形成機(jī)理分析

3.1 熱鍍鋅亮點(diǎn)缺陷微觀特征分析

采用Quanta 650掃描電子顯微鏡(SEM)觀察不同程度亮點(diǎn)缺陷處的表面微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖5。由圖5可知，帶鋼亮點(diǎn)位置的鋅層較薄，存在明顯的凹陷，光整印不明顯，且周圍存在明顯的漏鍍?nèi)毕荨?/p>

圖5 熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷微觀形貌Figure 5 Microscopic morphology of star light defect on surface of hot-dip galvanized dual-phase steel

對(duì)帶鋼亮點(diǎn)缺陷處的晶粒尺寸和截面位置進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。從圖6可知，漏鍍集中在晶界處，漏鍍處的晶粒尺寸僅為幾十微米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常位置(約500 μm)。熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷處的鋅層明顯較薄，僅為正常位置鋅層厚度的10%。

圖6 熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷處的晶粒尺寸和截面形貌Figure 6 Grain size and cross-sectional morphology of star light defect on surface of hot-dip galvanized dual-phase steel

除去鋅層后對(duì)帶鋼亮點(diǎn)缺陷位置的基板表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷處基體表面較粗糙，如圖7所示。

圖7 亮點(diǎn)缺陷位置基板表面微觀形貌Figure 7 Microscopic morphology of substrate surface at star light defect location

圖8和表1示出了對(duì)熱鍍鋅雙相鋼基板表面缺陷位置(圖譜2位置)和正常位置處(其他圖譜位置)的成分分析結(jié)果。由圖8和表1可知，缺陷位置基板表面的Mn、Cr等合金元素較正常位置明顯偏高，且含有大量O元素，表明缺陷位置發(fā)生了合金元素氧化現(xiàn)象，而正常位置處只存在C、N、Al等帶鋼成分的析出物以及少量合金元素，只是不同位置的分析結(jié)果存在一些較小的差異。

圖8 基板表面亮點(diǎn)缺陷位置圖譜Figure 8 Mapping of substrate surface at star light defect location

表1 亮點(diǎn)缺陷位置元素成分分析Table 1 Elemental composition analysis of defect location

3.2 熱鍍鋅亮點(diǎn)缺陷生成機(jī)理分析

3.2.1 亮點(diǎn)缺陷與帶鋼表面氧化的關(guān)系

由帶鋼微觀形貌分析結(jié)果可知，亮點(diǎn)缺陷區(qū)域的鋅層較薄甚至漏鍍。采用化學(xué)法除去亮點(diǎn)缺陷附近的鋅層，并采用電子探針對(duì)亮點(diǎn)缺陷附近基板各元素分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9。從圖9可知，亮點(diǎn)缺陷位置的Al含量較低，存在抑制層形成不良的情況，其他元素的分布較均勻。

圖9 基板缺陷附近元素分布Figure 9 Element distribution near defect location on the substrate

根據(jù)傳統(tǒng)熱鍍鋅理論[7]，帶鋼經(jīng)過退火爐在高溫和還原氣氛作用下，其表面鐵的氧化物被還原而形成活性鐵層，活性鐵層在進(jìn)入鋅鍋后迅速與鋅鍋內(nèi)部的鋁元素化合形成Fe2Al5抑制層。而Si、Mn、Al、Mo等合金元素在高溫及還原性氣氛下會(huì)在帶鋼表面富集氧化，影響 Fe2Al5抑制層的形成，從而影響鋅液對(duì)帶鋼表面的浸潤(rùn)性，使鋅液在氣刀噴吹作用下被吹掉，因此對(duì)應(yīng)區(qū)域的鋅層較薄甚至漏鍍。

3.2.2 熱鍍鋅亮點(diǎn)缺陷與過程工藝的關(guān)系

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，只有厚規(guī)格厚鍍層產(chǎn)品存在亮點(diǎn)缺陷，薄規(guī)格厚鍍層與厚規(guī)格薄鍍層均不發(fā)生亮點(diǎn)缺陷。因此，將厚規(guī)格厚鍍層的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖10。從圖10可知，亮點(diǎn)缺陷卷對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)速率很低，均在80 m/min以下；氣刀距離明顯偏大，達(dá)到40 mm，氣刀壓力在220 mbar左右。

圖10 亮點(diǎn)缺陷產(chǎn)生時(shí)的氣刀距離和氣刀壓力Figure 10 Distance and pressure of air knife when star light defects generates

4 熱鍍鋅亮點(diǎn)缺陷控制措施

4.1 露點(diǎn)切換調(diào)控帶鋼表面氧化狀態(tài)

隨著爐區(qū)露點(diǎn)提高，合金元素在帶鋼表面的選擇性氧化發(fā)生從外氧化向內(nèi)氧化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，當(dāng)退火爐內(nèi)露點(diǎn)溫度提升至?20 °C時(shí)，Mn元素開始發(fā)生內(nèi)氧化，因此通過切換露點(diǎn)調(diào)控帶鋼表面氧化狀態(tài)[8]。在退火爐加熱段適當(dāng)提高露點(diǎn)，在帶鋼表面形成微氧化，并使合金元素發(fā)生內(nèi)氧化，而在均熱段保持低露點(diǎn)，使鋼板表面形成的預(yù)氧化層被還原，從而在鋼板最外層表面形成浸潤(rùn)性良好的還原態(tài)鐵元素[9]，如圖11所示。

圖11 露點(diǎn)切換調(diào)控帶鋼表面理論氧化狀態(tài)Figure 11 Control of theoretical surface oxidation state of steel strip by switching dew point

根據(jù)以上分析結(jié)果，2230鍍鋅生產(chǎn)線采用增加退火爐區(qū)加濕設(shè)備實(shí)現(xiàn)在爐區(qū)不同帶鋼位置獲得不同露點(diǎn)，從而通過露點(diǎn)切換調(diào)控帶鋼表面的氧化狀態(tài)，進(jìn)而提高熱鍍鋅帶鋼表面鋅層的可鍍性[10]。

選取帶鋼厚度為2.0 mm，鋅重為300 g/m2的兩卷雙向鋼產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，具體工藝參數(shù)如表2所示。由表2可知，采用爐區(qū)加濕后，加熱段的露點(diǎn)由?46 °C升至?27 °C，均熱段的露點(diǎn)由?55 °C升至?27 °C，緩冷段及快冷段的露點(diǎn)變化不明顯。

表2 不同爐區(qū)加濕狀態(tài)的工藝參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of process parameters at different humidification conditions

選取不同批次的同鋼種同規(guī)格產(chǎn)品，對(duì)比分析采用爐區(qū)加濕前后帶鋼表面亮點(diǎn)缺陷的分布情況，結(jié)果見圖12。由圖12可知，采用爐區(qū)加濕后，部分卷帶鋼的表面亮點(diǎn)缺陷現(xiàn)象減輕，但仍有部分卷帶鋼的表面亮點(diǎn)缺陷較為嚴(yán)重。

4.2 帶速與氣刀工藝參數(shù)匹配對(duì)亮點(diǎn)缺陷的改善效果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，帶鋼速率低于80 m/min時(shí)，為了保證熱鍍鋅帶鋼表面鋅層厚度滿足客戶的使用要求，可采用大氣刀壓力(≥200 mbar)配合大氣刀距離(≥25 mm)或者小氣刀壓力(≤150 mbar)配合小氣刀距離(≤25 mm)兩種氣刀工藝參數(shù)的控制方式。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究顯示，采用小氣刀壓力配合小氣刀距離的氣刀控制方式后，熱鍍鋅雙相鋼表面的亮點(diǎn)缺陷得到顯著改善，效果良好，具體如圖13所示。

5 結(jié)論

(1) 通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)，熱鍍鋅雙相鋼表面亮點(diǎn)缺陷主要出現(xiàn)在厚規(guī)格厚鍍層產(chǎn)品上，其他厚度和鋅重產(chǎn)品發(fā)生亮點(diǎn)缺陷的概率較低。

(2) 通過對(duì)亮點(diǎn)缺陷的微觀形貌和成分分析可知，缺陷處存在鋅層厚度偏薄或者局部漏鍍現(xiàn)象，其對(duì)應(yīng)基板位置存在合金元素的氧化物。認(rèn)為抑制層形成不良是導(dǎo)致亮點(diǎn)缺陷的主要原因。

圖12 不同爐區(qū)加濕狀態(tài)帶鋼的亮點(diǎn)缺陷Figure 12 Star light defect of steel strip at different humidification states in furnace

圖13 不同氣刀工藝參數(shù)下帶鋼的亮點(diǎn)缺陷Figure 13 Star light defect of steel strip at different process parameters of air knife

(3) 通過調(diào)整爐區(qū)露點(diǎn)溫度，改善爐區(qū)加濕狀態(tài)，提高帶鋼生產(chǎn)速率以及優(yōu)化氣刀工藝控制等措施，可有效解決亮點(diǎn)缺陷問題。

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[ 編輯：周新莉 ]

Formation mechanism and control of star light defect on the surface of hot-dip galvanized dual-phase steel

REN Xin-yi*, GAO Hui-min, ZHENG Yan-kun, ZHOU Huan, WANG Bao-yong, HUANG Hua-gui

Aiming at the star light defect of dual-phase steel products in 2230 hot-dip galvanizing line, the microstructure composition and apparent morphology of defects on steel strip were analyzed by metallurgical microscope and scanning electron microscope.The results showed that the cause for star light defect is the optional oxidation and enrichment of alloy elements Mn and Mo on the surface of steel strip, which inhibit the formation of Fe2Al5inhibition layer at corresponding positions, resulting in thinner zinc coating or skip plating.The star light defect of hot-dip galvanized dual-phase steel is solved effectively through optimizing the parameters of annealing process, improving the state of humidification and dew point in furnace, as well as matching the running speed with the air knife process.

dual-phase steel; hot-dip galvanizing; star light defect; oxidation; formation mechanism

TQ153.15

A

1004 – 227X (2017) 01 – 0036 – 06

10.19289/j.1004-227x.2017.01.007

2016–08–13

2017–01–02

分段內(nèi)封閉式高速壓電板形儀的研制（51027003）；大尺度軸類零件連續(xù)縱軋成形技術(shù)基礎(chǔ)研究（51005197）。

任新意（1982–），男，河北唐山人，博士，工程師，主要從事鍍鋅過程工藝控制及優(yōu)化的研究工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) xinyiren9986@163.com。