極厚低合金高強(qiáng)鋼熱鍍鋅板粘膠脫鋅的原因分析及對策

李潤昌*，齊達(dá)，黃俊，張亮亮

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司，河北 唐山 063200；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

極厚低合金高強(qiáng)鋼熱鍍鋅板粘膠脫鋅的原因分析及對策

李潤昌1,*，齊達(dá)1，黃俊1，張亮亮2

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司，河北 唐山 063200；2.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

針對某鍍鋅廠生產(chǎn)的3.0 mm極限厚規(guī)格低合金高強(qiáng)鋼熱鍍鋅板粘膠脫鋅(即鍍層附著力差)問題，從鋅層微觀特征與鍍鋅工藝過程參數(shù)控制兩方面進(jìn)行分析，得出脫鋅的主要原因?yàn)榇祟愪撝杏休^高含量的Si和Mn，它們在鍍鋅過程中會(huì)在基板表面富集并氧化，從而影響基板的表面浸潤性，使鋅層與基板之間未能有效形成Fe2Al5抑制層，造成熱鍍鋅層附著力差。通過提高還原爐體氣密性，適當(dāng)增大保護(hù)氣體壓力，以及提高帶鋼入鋅鍋溫度，可有效預(yù)防此類問題。

低合金高強(qiáng)鋼；熱鍍鋅；附著力；抑制層；浸潤性

近年來，隨著高檔熱鍍鋅鋼板在汽車行業(yè)中應(yīng)用的不斷增多，人們對熱鍍鋅鋼板表面質(zhì)量的要求越來越高[1-2]。汽車板用鋼在要求輕量化、高強(qiáng)度、高韌性、抗沖擊及成型性能良好的同時(shí)，還要求具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。熱鍍鋅是提高汽車板防腐蝕性能經(jīng)濟(jì)有效的方式之一。高強(qiáng)鋼是車用板材之一，包括高強(qiáng)無間隙原子(IF-HSS)鋼、烘烤硬化(BH)鋼、高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼、雙相(DP)鋼、相變誘發(fā)塑性(TRIP)鋼、復(fù)相(CP)鋼、淬火配分(QP)鋼、孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼等。為提升高強(qiáng)鋼的綜合性能，一般會(huì)向其中添加大量Mn、Si等元素，這使其微觀組織變得相對復(fù)雜，因此高強(qiáng)鋼熱鍍鋅時(shí)常出現(xiàn)浸潤性差、選擇性氧化等問題，嚴(yán)重影響了高強(qiáng)鋼的可鍍性[3]。國內(nèi)熱鍍鋅生產(chǎn)線可生產(chǎn)帶鋼的厚度一般在0.4 ～ 2.5 mm范圍內(nèi)，若超出此厚度范圍，則生產(chǎn)控制難度加大，對鍍層性能也將產(chǎn)生不利影響。本文針對某3.0 mm極限厚規(guī)格的低合金高強(qiáng)鋼熱鍍鋅板粘膠脫鋅現(xiàn)象(即鋅層附著力差)展開研究，對此類缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

1 高強(qiáng)鋼熱鍍鋅板粘膠脫鋅現(xiàn)象

某熱鍍鋅板的基體材質(zhì)為H420LAD+Z低合金高強(qiáng)鋼，其組成為：C 0.10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，Si 0.45%，Mn 1.25%，P 0.02%，S 0.015%，Al 0.03%，Nb 0.06%，N 0.006%，F(xiàn)e余量。鍍鋅生產(chǎn)線采用美鋼聯(lián)法，冷硬原料卷經(jīng)開卷、焊接、清洗、退火、鍍鋅、光整、切邊、涂油、卷取后，形成熱鍍鋅成品卷，在線對表面質(zhì)量進(jìn)行判定，下線取樣板對鍍層和鋼板的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測。在下線后的粘膠折彎試驗(yàn)和杯突試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的3.0 mm厚度規(guī)格試樣存在表面鋅層脫落現(xiàn)象，即鋅層附著力差，具體見圖1。

圖1 不同試驗(yàn)后鋼板表面的脫鋅現(xiàn)象Figure 1 Photos showing the peel-off of zinc coating on the surface of steel sheet after different tests

為找出脫鋅原因，分別選擇同一生產(chǎn)線生產(chǎn)的2.5 mm厚規(guī)格的不脫鋅H420LAD+Z熱鍍鋅板和市售粘膠不脫鋅的3.0 mm厚H420LAD+Z熱鍍鋅板作為對比試樣。

2 熱鍍鋅板的微觀結(jié)構(gòu)分析

2. 1 相同厚度不同樣板的形貌與成分

實(shí)際生產(chǎn)中，熱鍍鋅板從表層到基板主要由熱鍍鋅層、粘附層、退火后基板構(gòu)成，其中鍍層附著力主要由粘附層的生成情況決定。粘附層的主要成分為Fe2Al5，又稱為抑制層。取3.0 mm厚規(guī)格粘膠脫鋅熱鍍鋅板和不脫鋅熱鍍鋅板，用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸洗去最表面的鍍層，采用掃描電鏡觀察Fe2Al5抑制層的形貌，結(jié)果見圖2。可知脫鋅樣板表面未見有致密的抑制層形成，不脫鋅樣板表面顆粒狀的致密抑制層則較明顯。

圖2 3.0 mm厚不同熱鍍鋅試樣的抑制層形貌Figure 2 Morphologies of inhibition layer in different hot-dip galvanized samples with a substrate thickness of 3.0 mm

采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對3.0 mm厚粘膠脫鋅和不脫鋅熱鍍鋅板的鋅層/鋼板界面附近的截面上鋁元素的分布進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。脫鋅樣板的鋅層與基板之間沒有明顯的鋁元素富集，不脫鋅樣板的鋅層與基板之間則鋁元素富集明顯。

圖3 3.0 mm厚不同熱鍍鋅試樣的截面鋁元素分布Figure 3 Cross-sectional distribution of Al element for different hot-dip galvanized samples with a substrate thickness of 3.0 mm

采用輝光放電光譜儀定量分析3.0 mm脫鋅熱鍍鋅板和不脫鋅熱鍍鋅板由表層到基板的元素分布，結(jié)果見圖4。由于熱鍍鋅板中Fe元素和Zn元素較多，Al元素只存在于Fe2Al5抑制層單一相中，且Al含量與Fe2Al5的形成有密切關(guān)系，故以Al元素為特征元素。從圖4中Al含量曲線可見，3.0 mm脫鋅熱鍍鋅板上鋅層與基板間的Al含量明顯低于不脫鋅樣板，說明Fe2Al5的形成量遠(yuǎn)小于3.0 mm不脫鋅熱鍍鋅板，這與圖3吻合。

圖4 3.0 mm厚不同熱鍍鋅試樣中深度方向的元素分布Figure 4 Distribution of elements along depth direction for different hot-dip galvanized samples with a substrate thickness of 3.0 mm

由圖4中Si、Mn含量曲線還可發(fā)現(xiàn)，3.0 mm粘膠脫鋅熱鍍鋅板的基板中Si、Mn的含量明顯高于不脫鋅樣板，而Si、Mn元素容易在帶鋼表面富集并氧化，所得氧化物附著在帶鋼表面會(huì)降低鋅液的浸潤性，從而對抑制層的生成產(chǎn)生不利的影響。

綜上所述，3.0 mm厚H420LAD+Z熱鍍鋅板粘膠脫鋅的直接原因應(yīng)為鍍層與基板間未形成致密的抑制層，而鋼基體中Si、Mn含量高可能是未能形成抑制層的原因之一。

2. 2 相同生產(chǎn)條件下不同厚度樣板的微觀結(jié)構(gòu)和成分

圖5為2.5 mm厚不脫鋅熱鍍鋅板在掃描電鏡和能譜儀下觀察的抑制層表面形貌和截面Al元素分布情況。從中可知，2.5 mm厚H420LAD+Z熱鍍鋅板中有致密的抑制層形成。

圖5 2.5 mm厚粘膠后不脫鋅的熱鍍鋅板的抑制層的表面形貌與截面鋁元素分布Figure 5 Surface morphology and cross-sectional distribution of Al element for hot-dip galvanized sample with a substrate thickness of 2.5 mm

對該生產(chǎn)線上的2.5 mm和3.0 mm厚度H420LAD+Z熱鍍鋅板生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行反查和對比，列于表1?？芍?.0 mm厚H420LAD+Z熱鍍鋅板在生產(chǎn)過程中存在爐區(qū)氧含量大幅升高和帶鋼入鋅鍋溫度偏低的現(xiàn)象，這可能是帶鋼鋅層與基板之間未能形成致密抑制層的原因。

表1 2種厚度規(guī)格H420LAD+Z熱鍍鋅板的生產(chǎn)參數(shù)對比Table 1 Comparison of production parameters for H420LAD+Z hot-dip galvanized steel sheets with two different thickness specifications

3 原因分析及解決措施

3. 1 原因分析

綜上可知，粘膠脫鋅是帶鋼鋅層附著力差的一種表現(xiàn)，直接原因?yàn)閹т摶迮c純鋅鍍層之間未形成有效的Fe2Al5抑制層，其成因有以下幾種。

(1) H420LAD+Z低合金高強(qiáng)鋼中的Si、Mn含量較高，在還原加熱過程中，Si、Mn會(huì)富集于帶鋼表面，并在后續(xù)的含氧氣氛圍中發(fā)生選擇性氧化，從而影響鋼板表面的浸潤性[4]。

(2) 生產(chǎn)極限厚規(guī)格帶鋼時(shí)，輥?zhàn)拥拈g隙增大，易出現(xiàn)無法充分閉合的現(xiàn)象，導(dǎo)致退火爐的氣密性變差而爐內(nèi)氧含量升高。

(3) 當(dāng)爐內(nèi)氧含量過高時(shí)，基板表面過度氧化而形成了氧化膜，導(dǎo)致浸潤性變差，使鋅液中的Al無法與基板中的Fe反應(yīng)，不能有效形成Fe2Al5抑制層[5]。

(4) 當(dāng)帶鋼入鋅鍋溫度較低時(shí)，基板表面熱量不足，無法保證Fe2Al5抑制層的有效形成[6]。

3. 2 預(yù)防措施

(1) 對連退爐區(qū)氣密性差的位置進(jìn)行檢測，加強(qiáng)密封，提高爐區(qū)氣密性。

(2) 適當(dāng)提高保護(hù)氣的用量和爐壓，增大未能完全密封的漏孔處的保護(hù)氣流速，防止?fàn)t外氧氣滲入爐內(nèi)，使氧含量處于不損害帶鋼可鍍性的水平。

(3) 提高帶鋼入鋅鍋時(shí)的溫度，促進(jìn)帶鋼表面抑制層的形成。

落實(shí)以上措施后，3.0 mm極限厚規(guī)格H420LAD+Z熱鍍鋅板粘膠脫鋅問題得到了解決。

4 結(jié)語

鋅層與基板間未形成致密的Fe2Al5抑制層是3.0 mm極限厚規(guī)格H420LAD+Z熱鍍鋅板因附著力差而粘膠脫鋅的主要原因。通過提高爐體氣密性和適當(dāng)增加保護(hù)氣壓力，可以有效解決帶鋼表面因過度氧化而形成氧化膜的問題。提高帶鋼入鋅鍋溫度，能保證鋅液與基板間有充足的熱量，從而促使Fe2Al5抑制層形成。

[1] MILITITSKY M, BELANGER P J, WALP M S. Advanced steel products for lightweighting at DaimlerChrysler North America [C] // Galvatech 04 Conference Proceedings, [S.l: s.n], 2004: 52-61.

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[3] SHAW J, WATANABE K. Steel strength and processing effects on impact deformation for a crash energy management component [J]. SAE Transactions, 2001, 110 (7): 490-496.

[4] 李研, 崔陽, 徐海衛(wèi), 等. 雙相鋼熱鍍鋅表面漏鍍?nèi)毕莘治黾皩Σ遊J]. 電鍍與涂飾, 2013, 32 (5): 32-34.

[5] 顏飛, 陳瑩瑩, 鄧照軍, 等. 氧元素對熱鍍鋅雙相鋼鋅層附著力的影響[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 36 (5): 370-374.

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[ 編輯：周新莉 ]

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Cause analysis on peel-off of extremely thick hot-dip galvanized high strength and low alloy steel after bending test and countermeasures

LI Run-chang*, QI Da, HUANG Jun, ZHANG Liang-liang

The peel-off (poor adhesion strength) problem occurred after bending test in a zinc plating factory for hot-dip galvanized 3.0 mm thick high strength and low alloy (HSLA) steel were analyzed from two respects including microstructure of zinc coating and process parameters of hot-dip galvanizing. The results showed that the major cause for such problem is the existence of high contents of Si and Mn in the steel, which are enriched and oxidized on the surface of substrate during the process of hot-dip galvanizing, influencing the surface wettability of substrate and leading to inability to form a Fe2Al5inhibition layer between the zinc coating and substrate effectively. The problem can be prevented through improving the gas-tightness of the reduction furnace, increasing the pressure of protective gas appropriately, and raising the temperature of steel strip when entering the zinc pot.

high strength and low alloy steel; galvanizing; adhesion; inhibition layer; wettability

Shougang Jingtang United Iron & Steel Co., Ltd., Tangshan 063200, China

10.19289/j.1004-227x.2017.13.008

TQ153.1; TG178

：B文字編號：1004 - 227X (2017) 13 - 0707 - 04

2017-04-25

2017-07-01

李潤昌（1991-），男，河北遷安人，碩士，主要從事熱鍍鋅表面質(zhì)量技術(shù)方面的研究工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) lirunchang12138@163.com。