熱鍍鋅汽車板表面小黑點缺陷研究及改進

葛志勇,楊 波,楊繼武,劉少先,盧海峰

(寶山鋼鐵股份有限公司寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524072)

熱鍍鋅汽車板具有良好的耐蝕性能、涂裝性能和焊接性能,因此廣泛應用于汽車車身制造。由于汽車外板的表面質量要求非常嚴格,需要達到05級別,即單面無任何影響使用的表面缺陷[1],所以熱鍍鋅汽車板表面的小黑點缺陷經(jīng)常導致產(chǎn)品質量下降,嚴重時引發(fā)汽車廠家的質量異議或退貨。

寶鋼湛江鋼鐵2 030 mm產(chǎn)線冷軋熱鍍鋅機組在生產(chǎn)IF鋼熱鍍純鋅外板時出現(xiàn)批量小黑點缺陷,導致產(chǎn)品表面質量無法滿足要求,增加改判率和現(xiàn)貨發(fā)生率。本文研究了該類小黑點產(chǎn)生原因,并在此基礎上討論缺陷產(chǎn)生機理和改善措施。

1 試驗材料及方法

試驗材料是機組生產(chǎn)熱鍍純鋅IF鋼缺陷樣板,其基板成分如表1所示,表面小黑點直徑小于1 mm,外觀如圖1所示,帶鋼鍍層重60～70 g/m2。

表1 IF鋼基板成分

圖1 小黑點宏觀形貌

使用配備有能譜儀的ZEISS EVO 18鎢燈絲掃描電鏡對小黑點鍍層形貌及表面成分進行觀察和成分分析;然后使用加入緩蝕劑的17%稀鹽酸溶液對標記好的缺陷部位通過控制溶鋅時間來進行輕微溶鋅和完全溶鋅,以觀察不同溶鋅程度后鍍層和基板的形貌;最后,切割缺陷部位截面,經(jīng)鑲嵌、磨拋后制備成金相試樣,在電鏡下觀察缺陷部位局部鍍層形貌和基板形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 小黑點缺陷形貌顯微分析

2.1.1 鋅渣引起的小黑點缺陷

熱鍍鋅板小黑點部位鍍層表面形貌如圖2所示,可見小黑點位置表面存在輕微擦傷痕跡,而正常部位沒有此類特征。背散射成分像顯示,在小黑點的內部,存在多處與正常鍍層不同成分的點,能譜成分檢測結果如表2所示,可見這些點Al含量達40.40%、Fe含量達36.83%,推測鍍層局部存在鋅渣顆粒。對小黑點進行輕微溶鋅后二次電子形貌和背散射電子形貌如圖3所示,明顯可見缺陷部位存在鋅渣顆粒,進一步確定該類小黑點缺陷是由于鋅渣缺陷導致。

圖2 小黑點鍍層表面形貌

表2 能譜分析結果

圖3 小黑點輕微溶鋅形貌及能譜分析結果

由圖4可見,缺陷部位截面鍍層內部存在多個鋅渣顆粒,由于鋅渣的存在引起缺陷部位鍍層局部偏厚,因此導致缺陷部位在鍍鋅板出鋅鍋后與頂輥產(chǎn)生輕微摩擦,形成表面擦傷痕跡。

圖4 小黑點截面形貌

2.1.2 基板麻點引起的小黑點缺陷

圖5中的小黑點缺陷與圖2中表面形貌基本一樣,鍍層表面存在摩擦痕跡,懷疑該缺陷與鋅渣引起小黑點缺陷一樣,缺陷處鍍層局部偏厚;兩者主要差異在于表面沒有類似鋅渣成分,該類缺陷表面主要是成分為O、Zn和Al的異物,該成分非鋅灰和鋅渣的典型成分。由截面鍍層厚度可見,缺陷部位鍍層厚度達32.94 μm,正常位置鍍層厚度為8～10 μm,缺陷處鍍層明顯局部較厚。由以上信息判斷,該類缺陷產(chǎn)生原因也是由于鍍層局部偏厚,導致帶鋼鍍鋅后與頂輥產(chǎn)生摩擦并黏上異物而形成。

圖5 小黑點表面和截面形貌

缺陷位置進行輕微溶鋅后發(fā)現(xiàn),缺陷部位與正常部位基本一致,未發(fā)現(xiàn)鋅渣顆粒。完全溶鋅后發(fā)現(xiàn)基板存在凹坑,如圖6所示,凹坑長50～100 μm,凹坑處成分未發(fā)現(xiàn)異常元素,與正常基板無差異。凹坑周邊存在單向的擠壓堆積,堆積處表現(xiàn)出疏松孔狀紋路,并且凹坑處未發(fā)現(xiàn)明顯軋機軋制紋,凹坑方向與軋向成一定角度,因此排除凹坑在軋制形成的可能性。另外,缺陷處鍍層覆蓋完整且該處鍍層較厚,因此排除鍍鋅后產(chǎn)生的可能,判斷該凹坑在退火爐內產(chǎn)生[2],即連退麻點缺陷。

圖6 基板凹坑形貌

2.1.3 基板小翹皮引起的小黑點缺陷

圖7中的小黑點缺陷與圖5形貌基本一樣,缺陷部位存在摩擦痕跡,該類缺陷表面主要是成分為O、Zn和Al的異物,該成分非鋅灰或鋅渣的典型成分。懷疑該缺陷與前兩類小黑點產(chǎn)生原因一致,由于缺陷處鍍層局部偏厚,在出鋅鍋后與頂輥產(chǎn)生摩擦,引起表面鍍層形貌有差異。

圖7 小黑點鍍層表面形貌

對該小黑點進行輕微溶鋅,發(fā)現(xiàn)缺陷位置鍍層與正常部位鍍層基本一致,未發(fā)現(xiàn)鋅渣顆粒,因此排除了上文中鋅渣引起的原因。完全溶鋅后,缺陷位置基板存在小翹皮,見圖8,且基板表面微觀上比較“破碎”,表面質量較差。

圖8 小翹皮形貌

對小黑點缺陷部位截面鍍層形貌進行分析,如圖9所示,可見缺陷位置鍍層明顯較厚,與鍍層表面形貌相吻合,并且缺陷截面局部可見伸入鍍層中的部分小翹皮,由此推測該缺陷鍍層局部偏厚與小翹皮相關。

圖9 小翹皮鍍鋅截面形貌

2.2 小黑點缺陷形成原因分析

2.2.1 鋅渣引起的小黑點缺陷形成原因分析

鋅渣主要是入鋅鍋前,帶鋼表面殘留的鐵粉帶入鋅鍋,或者帶鋼內部的鐵向鋅液中擴散,并與鋅液中的鋅、鋁反應形成的化合物。根據(jù)鋅渣在鋅鍋中形成的位置以及化學成分,可將鋅渣分為面渣、懸浮渣、底渣[3]。通過該缺陷鋅渣中的Al含量和Fe含量,該缺陷中Al含量達40.40%,判斷為浮渣。

改善鋅渣引起的小黑點缺陷主要在于對鋅渣的有效控制,可采取以下措施:①減少帶鋼表面鐵屑殘留;②改變刷輥類型,提高清洗段清洗效果,改善帶鋼表面清潔度;③合理控制帶鋼入鋅鍋溫度、鋅液溫度及鋅液成分;④規(guī)范撈渣操作,避免鋅液攪動;⑤增加爐鼻子排渣系統(tǒng),減少帶鋼與鋅渣接觸造成的缺陷[3]。

2.2.2 基板麻點引起的小黑點缺陷形成原因分析

研究表明[4-5],在連退過程中,帶鋼表面的氧化物、鐵屑等或輥子本身磨損氧化物會在輥子表面黏結聚集,形成爐輥結瘤,如圖10所示。爐輥的結瘤在帶鋼張力以及輥子與帶鋼之間的速差的作用下,復制在帶鋼基板,產(chǎn)生基板麻點缺陷,通常在麻點形成過程中,麻點的尾部由于帶鋼運行的作用引起局部金屬堆積而凸起。

圖10 爐輥結瘤形貌

麻點引起的小黑點形成機理如圖11所示(為了表示明顯,圖中缺陷作放大處理)。帶鋼進入退火爐內,爐輥結瘤復制在帶鋼表面,并導致其尾部出現(xiàn)金屬堆積。在帶鋼經(jīng)過鋅鍋時,麻點對鋅液存在一定阻擋作用,引起該位置鋅液流動性較差,鋅液出現(xiàn)局部偏厚,最終在出鋅鍋后與頂輥或平整輥接觸并摩擦,目視呈現(xiàn)出小黑點形貌。

圖11 麻點引起的小黑點形成機理示意圖

由于此類小黑點缺陷來源于基板表面麻點,因此消除缺陷的關鍵就是消除基板麻點,即消除爐輥輥面結瘤。消除爐輥輥面結瘤主要措施如下:①改變刷輥類型,提高清洗段清洗效果,減少帶鋼表面鐵屑殘留;②對爐輥進行在線修磨,減輕爐輥結瘤程度;③減少帶鋼張力或輥子與帶鋼的速差;④加強對爐內O含量及爐內露點的精確控制[6]。

2.2.3 基板小翹皮引起的小黑點缺陷形成原因分析

基板小翹皮小黑點缺陷形成示意圖如圖12所示(為了表示明顯,圖中缺陷作放大處理)。由于基板表面小翹皮的存在,小翹皮對鍍鋅氣刀噴吹氣流和鋅液流淌有一定阻擋作用,導致該位置鋅液流動性較差,鋅層容易增厚,因此在經(jīng)過頂輥時與頂輥產(chǎn)生摩擦并黏上異物而形成。并且隨著鍍層厚度增加,氣刀壓力減小,小翹皮對鋅液流淌作用更加明顯,因此厚鍍層(60～70 g/m2)產(chǎn)品小黑點缺陷比薄鍍層更嚴重。

圖12 小翹皮引起的小黑點形成機理示意圖

如圖13所示,對缺陷樣板同鋼種同時期生產(chǎn)的熱卷截面進行研究,發(fā)現(xiàn)熱卷截面同樣存在多處小翹皮,并且小翹皮下方可見氧化鐵皮。因此推測該鍍鋅板的小翹皮在熱軋階段就已經(jīng)存在,并且該小翹皮具有一定遺傳性。在帶鋼經(jīng)過酸軋和退火后,由于基板表面的小翹皮以及差的表面質量易引起帶鋼表面鐵屑增多,直接導致連退爐內的爐輥結瘤和鋅鍋中鋅渣數(shù)量的不受控。

圖13 小翹皮熱卷截面形貌

通過現(xiàn)場排查和驗證發(fā)現(xiàn),降低熱軋加熱溫度,在保證酸洗質量的前提下,提高酸洗速率對小翹皮導致的小黑點缺陷有明顯的改善作用。

3 結論

(1)熱鍍純鋅板表面小黑點缺陷產(chǎn)生的直接原因是由于缺陷部位鍍層局部偏厚,在出鋅鍋后與頂輥產(chǎn)生摩擦,導致表面形貌與正常鍍層不同而引起光線反射有差異。

(2)小黑點產(chǎn)生原因有三種,其中鋅渣、基板表面小翹皮以及基板麻點均會引起小黑點。

(3)小黑點受多工序影響,熱軋和酸洗產(chǎn)生的小翹皮具有遺傳性,并直接影響爐輥結瘤和鋅鍋中鋅渣情況,需重點管控和監(jiān)督。