熱鍍鋅表面鋅凸起的成因及其形成機制探討

閆 鵬

（河鋼唐鋼高強汽車板，河北 唐山 063000）

對于熱鍍鋅來說，在提高鋼鐵抗腐蝕能力方面發(fā)揮著不可比擬的作用和優(yōu)勢，廣泛應用于航空、交通以及機械等領(lǐng)域。在工業(yè)不斷發(fā)展的強大推動下，市場明確提出了對熱鍍鋅產(chǎn)品的要求，所以生產(chǎn)廠家要深入分析生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)和方面，以此來推動熱鍍鋅質(zhì)量的提升。唐鋼鍍鋅板，在市場上備受重視和關(guān)注，所以要嚴格注重表面質(zhì)量，并對表面缺陷予以消除。

1 唐鋼熱鍍鋅工藝

首先，在主要工藝流程方面。對唐鋼4＃連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線工藝進行分析，主要對冷軋板進行了應用，將其作為基板，其設計生產(chǎn)能力為40 萬噸/年，其中最終產(chǎn)品面向客戶的為40 萬噸，唐鋼酸軋生產(chǎn)線提供基板。在冷軋鍍鋅生產(chǎn)線工藝流程進行分析，主要按照開卷機、矯直機、月牙剪、鋅鍋、氣刀等順序來進行。

其次，在主要工藝參數(shù)方面。第一，原料：冷軋鋼卷；材質(zhì)：CQ，PQ，DDQ，HSLA；帶鋼厚度：0.2～2.5mm；產(chǎn)品種類：Gl；表面狀態(tài)：無鋅花；生產(chǎn)線速度：入口250mlminmax，工藝180m/min max，出口250m/min max。第二，對電解堿洗清洗段進行分析，電解清洗液溫度保持在80℃比較適宜，NaOH 為其主要成分，濃度最低為10g/L，在刷洗清洗溫度控制中，要保持在80℃左右，H2O 為其主要成分。第三，對鋅液成分進行分析，本冷軋熱鍍鋅生產(chǎn)線以對純鋅鍍層鍍鋅板為主，表面有正常鋅花，為實現(xiàn)對鋅花的合理控制，在熱鍍鋅液中除了含有一定比例的鋅以外，還增加有一定程度上的微量元素，質(zhì)量分數(shù)分布情況如下：Fe 質(zhì)量分數(shù)不超過0.03%，Al 質(zhì)量分數(shù)按照0.16%～0.30%標準控制；第四，對鈍化工藝進行分析，整套冷軋鍍鋅生產(chǎn)線鈍化工藝選用三價鉻鈍化模式，鈍化液濃度控制標準如下：鈍化膜厚度按照20.0mg/m2～60.0mg/m2標準控制，以上數(shù)據(jù)為單面控制數(shù)據(jù)；鈍化工藝處理后烘干溫度按照80.0℃～120.0℃標準控制；第五，對基板化學成分進行分析，本工藝生產(chǎn)過程中鍍鋅板基板選用熱軋板SPHC（Z）經(jīng)冷軋軋制成品厚度后進行鍍鋅處理。基板化學成分如下：化學成分C 質(zhì)量分數(shù)控制在0.07%范圍內(nèi)，化學成分Si 質(zhì)量分數(shù)控制在0.05%范圍內(nèi)，化學成分Mn 質(zhì)量分數(shù)控制在0.30%范圍內(nèi)，化學成分P 質(zhì)量分數(shù)控制在0.025%范圍內(nèi)，化學成分S 質(zhì)量分數(shù)控制在0.01%范圍內(nèi)，化學成分Als 質(zhì)量分數(shù)控制在150.0*10-6 以上。

2 鋅凸起形貌

第一，宏觀形貌。白色亮線凸起寬度最低為100μm，最高為200μm，長度則視實際情況，在數(shù)厘米至數(shù)米之間。

第二，微觀形貌。以下分別從縱向裂縫、劃傷、帶狀表面夾雜、氣泡以及基板翹起這幾個方面著手，基于微觀形貌特征，對熱鍍鋅表面鋅凸起成因進行分析。

在縱向裂縫方面，給出了基板受縱向裂紋影響于熱鍍鋅層表面所出現(xiàn)的凸起截面形貌示意圖。在鋅凸起部位，直觀表現(xiàn)為嚴重的基板縱向裂縫。并且鋅凸起現(xiàn)象以及縱向裂縫共同向基體內(nèi)部延伸，縱向裂縫中存在一定程度上的氧化物成分夾雜現(xiàn)象。

在劃傷方面，受基板劃傷因素影響所致熱鍍鋅表面鋅凸起的截面形貌如下圖（見圖1）所示。圖1 中詳細標注了缺陷的具體部位，下方分布以基板為主，鋅凸起部位對應基板即存在劃傷缺陷。

圖1 劃傷截面形貌示意圖

在帶狀表面夾雜的方面，受基板帶狀表面夾雜因素影響所致熱鍍鋅表面鋅凸起的截面形貌如下圖（見圖2）所示。圖2 中，截面下方為基板分布，帶狀夾雜缺陷在圖2 中表現(xiàn)為橫向分布帶狀物，且缺陷部位夾雜有一定比例的氧化物成分。

圖2 帶狀表面夾雜截面形貌示意圖

在氣泡方面，下圖（如圖3）所示給出了坯料近表面部位細小氣體夾雜在軋制期間出現(xiàn)被拉長露出表面，或因軋制期間斷裂問題產(chǎn)生后熱鍍鋅加工環(huán)節(jié)發(fā)生鋅凸起現(xiàn)象的截面形貌示意圖。圖3 中箭頭所示位置為基板表面凸起缺陷的具體部位，該部位受熱鍍鋅加工軋制因素影響導致斷裂問題的產(chǎn)生，大量熱鍍鋅液填充于氣泡內(nèi)部，造成鋅凸起現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖3 氣泡截面形貌示意圖

在基板翹起方面，下圖（如圖4）所示給出了受鍍鋅基板翹起因素影響導致熱鍍鋅表面鋅凸起的截面形貌示意圖。圖4 下方分布以鋼基板為主，上方分布以鍍鋅層為主。在軋鋼軋制期間，所形成鋼基相連的翹起鱗片經(jīng)鍍鋅加工處理后于宏觀狀態(tài)下導致凸起問題的產(chǎn)生。

圖4 基板翹起截面形貌示意圖

3 熱鍍鋅表面鋅凸起的形成機制

3.1 基板縱裂和劃傷所致鋅凸起的機制

對金相組織分析的幫助下可以發(fā)現(xiàn)鋅凸起主要出現(xiàn)在表面的部位，此部位缺陷表現(xiàn)較為常見，同時受誘發(fā)因素不同的影響，基板所表現(xiàn)出的缺陷類型也存在一定的差異性。尤其對于縱向裂縫以及劃傷缺陷而言，需要對鋅凸起的形成機制進行深入分析。

晶體相對于原子而言存在一定的依賴性水平，在自液相至的固相擴散的過程當中，為了生長便利，晶體始終處于粗糙截面下。此環(huán)節(jié)中晶體的法線方向的成長也比較迅猛。在過冷度其他條件保持一致的情況下，單位體積內(nèi)平均質(zhì)點數(shù)量越多，則意味著單位體積內(nèi)質(zhì)點數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，氧化物夾雜，在鍍鋅縱裂缺陷的夾雜中比較常見，其氧化物夾雜，為液態(tài)形核的雜質(zhì)粒子創(chuàng)造了有力條件，不斷增強缺陷部位液態(tài)鋅所表現(xiàn)出的形核心速率。并且，受夾雜物以及縱向裂縫、劃傷等一系列缺陷因素的以影響，缺陷部位所對應鋅液反應表面積會呈現(xiàn)出一定程度上的增加趨勢，對于基板而言，在其他條件一直的情況下，反應表面積的增加意味著缺陷部位液態(tài)鋅更易向上堆砌。長大速度過高，則相較于其他部位而言，合金的生長速度也明顯更快，在此過程當中所產(chǎn)生的過剩合金生長速度較正常部位鋅層量顯著更高，而且在金屬間化合物中，鍍鋅合金占據(jù)著重要地位，硬度較高的情況下，氣刀吹掃面臨的難度是相對較大的。

對鋅鐵合金快速增長的速度進行分析，與殘余應力有密切的聯(lián)系，當出現(xiàn)縱向裂縫以及劃傷等一系列缺陷時，缺陷部位鋼板表面會出現(xiàn)一定程度上的畸變現(xiàn)象，造成殘余應力的產(chǎn)生。表面殘余應力需要在退火溫度達到800.0℃的情況下方可消除。CGL 的退火溫度最低為680℃[1]，最高為850℃，缺陷處的參與應力的消除效果不是十分明顯，在鍍鋅后，在缺陷位置殘余應力的影響下，對于Fe-Zn 合金的生長具有很大的促進作用。

3.2 基板氣泡和表面夾雜所致鋅凸起的機制

對于熱鍍鋅基板而言，比較嚴重的病害表現(xiàn)形式集中為兩個方面，第一是氣泡，第二是帶狀表面夾雜。在尚未發(fā)生軋制斷裂現(xiàn)象的情況下，缺陷部位高度是遠遠高于基板其他部位高度的。在軋制斷裂現(xiàn)象發(fā)生后，熱鍍鋅表面凸起的形成機制與上文中所提到的劃傷后鋅凸起機制是基本一致的。

3.3 基板翹起引起鋅凸起的機制

在承受過壓軋制的影響下，會造成鋼基相連的翹起的鐵的小鱗片的出現(xiàn)，甚至會引發(fā)折疊現(xiàn)象，在浸鋅過程中，由于熱應力的均勻性不足，所以會造成小鱗片翹起的出現(xiàn)，如圖5 所示。

圖5 鋅凸起截面形貌

4 結(jié)束語

總結(jié)以上分析，得出結(jié)論如下：第一，對于熱鍍鋅加工過程當中的鍍鋅基板而言，受到表面裂紋、劃傷等大量缺陷病害表現(xiàn)因素的影響，容易造成表面出現(xiàn)鋅凸起的情況；第二，在夾雜物因素的影響下，熱鍍鋅基板缺陷病害區(qū)域所產(chǎn)生雜質(zhì)粒子實質(zhì)上支持了表面鋅凸起病害的發(fā)生，受此因素影響，基板缺陷病害區(qū)域所對應熱熱鍍鋅液形核速度上升顯著。相較于正常熱鍍鋅基板位置而言，該區(qū)域的比表面積有一定程度上的增大改變，這在某種程度上來說實質(zhì)上是增加了液態(tài)鋅與其的接觸反應，導致形核產(chǎn)生，并在位錯以及殘余應力等其他輔助因素的共同作用下，顯著增加了熱鍍鋅自液態(tài)的脫離速率，加快缺陷病害區(qū)域鐵-鋅合金生長速度，最終造成表面鋅凸起現(xiàn)象的發(fā)生，以上也正是熱鍍鋅表面鋅凸起的最直接形成機制。