熱鍍鋅帶鋼抑制層的影響因素及控制要點(diǎn)

張 丹，葉校瑛

(1.唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 唐山 063000；2.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，河北 唐山 063299)

0 引言

對(duì)鋼材進(jìn)行熱鍍鋅是提高其耐腐蝕性能的一個(gè)重要手段，在現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。由于各行業(yè)對(duì)帶鋼的需求增加，特別是汽車、家電、建筑等行業(yè)，因而帶鋼的連續(xù)熱鍍鋅設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)獲得了巨大發(fā)展。

鍍鋅液中Al與鋼基板中Fe二者通過(guò)較強(qiáng)的親和力會(huì)在介于鋼基板與純鋅層之間形成一層Fe-Al薄層，通常稱此薄層為抑制層，其尺寸一般小于1 μm[1]。在熱鍍鋅初期，這層薄層能夠抑制脆性Fe-Zn相生長(zhǎng)[2]。而且研究發(fā)現(xiàn)，在鋼基板表面較為潔凈的情況下鍍鋅，熱鍍鋅鍍層的附著能力大多取決于抑制層，特別是對(duì)用于沖壓件的熱鍍鋅板，抑制層能夠避免熱鍍鋅板沖壓時(shí)脫鋅，因而抑制層對(duì)于熱鍍鋅產(chǎn)品而言是不可缺少的部分[3]。

由于抑制層對(duì)鍍層附著性能有著極其重要的作用，因而也就吸引著眾多研究者對(duì)其進(jìn)行研究，其中也有不少研究與實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)比較貼近。

1 影響抑制層質(zhì)量的工藝參數(shù)

在工業(yè)生產(chǎn)中，基于線內(nèi)退火的熱鍍鋅法獲得推廣，這是帶鋼常用的熱鍍鋅方式，包括森吉米爾法、改良森吉米爾法、塞拉斯法和美鋼聯(lián)法等，本文著眼于其中的美鋼聯(lián)法進(jìn)行闡述。由于冷軋鋼卷酸軋后進(jìn)入熱鍍鋅生產(chǎn)線，會(huì)經(jīng)過(guò)清洗段、連退爐、鋅鍋等重要區(qū)域，因而影響抑制層質(zhì)量的工藝參數(shù)有很多，本文選取帶鋼速度、帶鋼入鋅鍋溫度、爐內(nèi)氣氛、鋅鍋溫度和鋅液Al含量這五個(gè)對(duì)抑制層影響較大的工藝參數(shù)，歸納其對(duì)抑制層質(zhì)量的影響規(guī)律。

1.1 帶鋼速度

帶鋼速度是熱鍍鋅生產(chǎn)線上非常重要的參數(shù)之一，其影響帶鋼在連退爐中的退火時(shí)間和浸鍍時(shí)間，而要同時(shí)獲得最優(yōu)退火時(shí)間和浸鍍時(shí)間并不容易，因而選擇一個(gè)適中的帶鋼速度需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)來(lái)確定。

帶鋼在連退爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火，這是控制鋼材性能的一種工藝方法，而這與退火時(shí)間和退火溫度都有關(guān)。為了使帶鋼達(dá)到再結(jié)晶溫度，并保持一定的加熱時(shí)間，一般情況下厚規(guī)格帶鋼連退爐中的運(yùn)行速度較慢，而薄規(guī)格的帶鋼運(yùn)行速度較快，例如0.8 mm的帶鋼速度要求大于80 m/min，同時(shí)不大于140 m/min，但為了提高生產(chǎn)效率，一般會(huì)在保證質(zhì)量的要求下，將速度提高到130 m/min。另外，加熱溫度也與具體的鋼種有關(guān)，圖1是典型鋼種的退火溫度曲線[4]，從中可以得到某些鋼種的加熱參數(shù)。

圖1 典型鋼種的退火溫度曲線

浸鍍時(shí)間關(guān)系到鋼基板表面與鋅液反應(yīng)的時(shí)間，此反應(yīng)包括鐵鋅反應(yīng)和鐵鋁反應(yīng)。陳斌鍇等人[5]利用IF440高強(qiáng)鋼進(jìn)行熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為鋅鍋溫度460 ℃，浸鍍時(shí)間分別為4 s，6 s，8 s，10 s。圖2是此實(shí)驗(yàn)中抑制層晶粒圖，從圖中可以看出，在浸鍍時(shí)間從4 s到6 s時(shí)，抑制層晶粒尺寸變化不大，但是各晶粒之間間隙變小，也就是抑制層變得致密；而浸鍍時(shí)間在8 s和10 s時(shí)，抑制層晶粒重新變得稀疏，這表明浸鍍時(shí)間超過(guò)6 s時(shí)，部分抑制層晶粒被破壞，造成抑制層整體稀疏。因而將浸鍍時(shí)間控制在4～6 s對(duì)抑制層質(zhì)量較為有利。對(duì)于具體某生產(chǎn)線而言，帶鋼浸在鋅鍋中的長(zhǎng)度為8 m左右，要想有較好的抑制層，那么帶鋼速度控制為80～120 m/min，帶鋼在鋅鍋中的反應(yīng)時(shí)間正好約為4～6 s。

(a)4 s (b)6 s

(c)8 s (d)10 s圖2 熱鍍鋅高強(qiáng)鋼抑制層晶粒圖

從以上分析可知，帶鋼速度既影響退火時(shí)間又影響浸鍍時(shí)間，要想獲得較好的抑制層，應(yīng)該根據(jù)生產(chǎn)線和帶鋼具體情況進(jìn)行試驗(yàn)獲得適宜參數(shù)。一般情況下，為了保證帶鋼的力學(xué)性能，生產(chǎn)線會(huì)優(yōu)先考慮帶鋼退火工藝，但這樣則難以保證帶鋼的浸鍍時(shí)間達(dá)到最優(yōu)工藝，因此，后續(xù)的熱鍍鋅工藝還要依靠帶鋼加熱溫度和帶鋼入鍋溫度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度

帶鋼入鋅鍋溫度和鋅鍋溫度是直接影響抑制層形成的重要工藝參數(shù)，一般帶鋼入鋅鍋溫度設(shè)置在略高于鋅鍋溫度的范圍內(nèi)。如果帶鋼入鍋溫度低于鋅鍋溫度太多，會(huì)造成鋅液對(duì)鋼基板的浸潤(rùn)性能下降，對(duì)形成抑制層極為不利，影響鍍層附著性能，甚至?xí)沟脦т撳儾簧箱\，造成嚴(yán)重質(zhì)量事故。因此，帶鋼入鋅鍋溫度適當(dāng)高于鋅液溫度，則有利于抑制層的形成[6]。如果帶鋼入鋅鍋溫度太高，會(huì)造成鋅液溫度上升，使反應(yīng)速度加快，抑制層會(huì)變得不均。

帶鋼入鍋溫度和鋅鍋溫度的設(shè)置也與帶鋼的規(guī)格有關(guān)。若是厚規(guī)格帶鋼，其入鍋溫度一般較低，例如某生產(chǎn)線1.2 mm帶鋼的入鍋溫度設(shè)置為455 ℃左右，由于受帶鋼中心熱的影響，可能會(huì)使帶鋼周圍鋅液溫度升高1～5 ℃；而薄帶鋼則由于容易降溫，所以其溫度一般較高，例如0.8 mm的帶鋼入鍋溫度一般設(shè)置為468 ℃左右。需要指出的是，由于生產(chǎn)線的不同，加裝的溫度傳感器的位置不同，造成返回的溫度數(shù)據(jù)也存在著一定的差異，因而各種溫度數(shù)據(jù)只作為參考值。

李婷婷等人[7]利用DX51D帶鋼在入鍋溫度為475 ℃，495 ℃和525 ℃下進(jìn)行連續(xù)熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)具體結(jié)果如圖3所示。

(a)475 ℃ (b)495 ℃ (c)525 ℃圖3 不同入鍋溫度下實(shí)驗(yàn)帶鋼鍍層截面Al元素面掃

從圖3中很容易看出來(lái)，帶鋼入鍋溫度在475 ℃情況下Al元素分布較為致密均勻，而Al元素可以反映抑制層的分布情況，因而認(rèn)為此時(shí)抑制層質(zhì)量較好。當(dāng)帶鋼入鋅鍋溫度太高時(shí)，鋁熱反應(yīng)加劇，抑制層顆粒發(fā)生不均勻長(zhǎng)大，抑制層的均勻致密性遭到破壞。

另外，鋅鍋溫度的高低不僅影響抑制層的形成，而且也影響帶鋼中鐵的溶解，產(chǎn)生不易清除的底渣，影響熱鍍鋅板面質(zhì)量。例如在500 ℃時(shí)，鐵的溶解度最大、溶解速度最快，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋅鍋中鋅液溫度最好不超過(guò)此溫度，穩(wěn)定在455～465 ℃為宜[8]。

1.3 爐內(nèi)氣氛

爐內(nèi)氣氛主要是指連退爐中均熱段的氫氣含量和露點(diǎn)溫度。通常氫氣、氮?dú)夂吭O(shè)置為5%H2+95%N2，露點(diǎn)溫度一般在-30 ℃。這樣的爐內(nèi)氣氛配置在運(yùn)行諸如DX53D，DX54D這類軟鋼時(shí)，能夠獲得較好的抑制層質(zhì)量。但在生產(chǎn)線運(yùn)行高強(qiáng)鋼時(shí)，由于存在容易氧化的合金元素，會(huì)發(fā)生選擇性氧化，這使得帶鋼在現(xiàn)行爐內(nèi)氣氛下產(chǎn)生一些表面氧化物，從而使得抑制層不易形成，甚至出現(xiàn)露鍍，因而這種爐內(nèi)氣氛就需要重新設(shè)置。

Lawrence Cho[9]將CMnSi TRIP鋼置于露點(diǎn)溫度為-60 ℃，-30 ℃，-10 ℃，0 ℃和5 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)，結(jié)果表明，當(dāng)露點(diǎn)溫度較高時(shí)，例如在0 ℃和5 ℃下，產(chǎn)生的抑制層較為連續(xù)，顆粒較為細(xì)小，并且沒(méi)有產(chǎn)生Fe-Zn相；而在露點(diǎn)溫度為-60 ℃時(shí)退火，相比較高露點(diǎn)溫度而言抑制層不連續(xù)，且晶粒較前兩種溫度下的晶粒粗大，F(xiàn)e-Zn相會(huì)在沒(méi)有抑制層的地方形成。因此，在一定條件下，當(dāng)露點(diǎn)溫度越高，外氧化層越薄，而內(nèi)氧化層越厚，內(nèi)氧化使得表面氧化物變少，從而提高抑制層的質(zhì)量。

圖4 各露點(diǎn)溫度下TRIP鋼的氧化情況

王賀賀等人[10]利用DP590雙相鋼在露點(diǎn)溫度為-10 ℃，-30 ℃和-50 ℃下進(jìn)行熱鍍鋅實(shí)驗(yàn)，帶鋼表面氧化結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到，隨著露點(diǎn)溫度的升高，氧化物的密度先升高后降低，氧化物顆粒也變大。圖6為抑制層的形貌，可見(jiàn)在-10 ℃，-30 ℃露點(diǎn)溫度下進(jìn)行熱鍍鋅時(shí)，獲得的抑制層質(zhì)量較好，這與氧化物密度的規(guī)律類似。馬二清等人[11]在對(duì)600 MPa級(jí)熱鍍鋅雙相鋼產(chǎn)品進(jìn)行的研究中，得出露點(diǎn)溫度在-30～15 ℃范圍內(nèi)加熱時(shí)抑制層顆粒致密完整，其中當(dāng)露點(diǎn)在0～15 ℃時(shí)，抑制層更薄、更致密，顆粒尺寸約為0.1 μm，鋅層的附著性更好。

(a)-10 ℃ (b)-30 ℃ (c)-50 ℃圖5 不同露點(diǎn)溫度下雙相鋼表面氧化物的SEM圖

(a)-10 ℃ (b)-30 ℃ (c)-50 ℃圖6 不同露點(diǎn)溫度下雙相鋼抑制層的SEM圖

1.4 鋅液Al含量

當(dāng)在抑制層晶粒致密均勻的情況下，鍍層有較好的附著性能。而要獲得較好的抑制層，就必須有足夠的Al與Fe反應(yīng)獲得Fe2Al5，因而鋅液中Al含量顯得很重要。

鋅鍋中的Al元素與鋼板表面少量氧化物(SiO2，MnO和Mn2SiO4等)發(fā)生鋁熱反應(yīng)[12-13]，這樣能夠清除鋼板表面的氧化物顆粒，使得帶鋼表面較為潔凈，有利于連續(xù)致密的抑制層的形成。

另外，由于帶鋼中會(huì)有微量的Fe溶解到鋅液中，很容易形成底渣，對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量產(chǎn)生影響，而鋅液中Al可以將鋅鍋中的Fe-Zn底渣轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-Al面渣，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)適當(dāng)提高鋅液中的Al含量，將底渣轉(zhuǎn)化為面渣，則利于底渣的清除。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將鋅液中Al含量提高到0.20%～0.25%時(shí)，鋅鍋中鐵的溶解含量在0.01%～0.02%[14]，使得底渣量減少，板面質(zhì)量提高。

一般認(rèn)為鋅鍋中Al含量越高，抑制層的質(zhì)量就越好，同時(shí)底渣的數(shù)量會(huì)減少，熱鍍鋅板的板面質(zhì)量提高，但過(guò)高的Al也會(huì)侵蝕鋼制構(gòu)件。

2 結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)影響熱鍍鋅帶鋼抑制層質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了梳理，包括爐區(qū)、鋅鍋以及帶鋼的相關(guān)參數(shù)，對(duì)其單一規(guī)律進(jìn)行了說(shuō)明，也對(duì)其相互之間的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)介。除了以上的關(guān)鍵工藝參數(shù)，還有鋅液流動(dòng)速度、帶鋼中包含的元素、帶鋼粗糙度等，這些工藝參數(shù)發(fā)生相互作用，也會(huì)對(duì)抑制層質(zhì)量產(chǎn)生比較復(fù)雜的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，具體如何設(shè)置這些參數(shù)，不僅需要實(shí)驗(yàn)包括正交實(shí)驗(yàn)、均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行確定，而且需要根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行校正。