耐指紋鋅鋁鎂鋼帶堿洗白斑問題研究

高小堯，梅淑文，于程福，肖 偉，侯明山，張 鵬，張嘉暉，朱立新，李宏偉

（1.河鋼集團(tuán)唐鋼公司，河北 唐山 063000；2.鋼鐵研究總院先進(jìn)金屬材料涂鍍國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.河鋼集團(tuán)研究總院，河北 石家莊 050023）

熱浸鍍鋅鋁鎂板作為一種新型鍍層產(chǎn)品，具有耐腐蝕性能好、切口保護(hù)性能好、耐氯化鈉腐蝕性能好、鍍層硬度高等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]，而耐指紋+涂油的鋅鋁鎂產(chǎn)品則更受沖壓類用鋼市場(chǎng)的青睞。沖壓廠在使用涂油鋼帶時(shí)一般會(huì)采用堿洗去除表面涂油，但在使用過程中堿清洗后時(shí)常出現(xiàn)白斑缺陷，酒精擦拭后無法消除，影響正常使用。目前對(duì)白斑產(chǎn)生的機(jī)理和解決方案還沒有明確的結(jié)論，因此有必要對(duì)白斑產(chǎn)生原因進(jìn)行深入的研究并提出相應(yīng)的解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)

采用超聲堿洗后樣板利用場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡（SEM）對(duì)白斑區(qū)域與正常區(qū)域進(jìn)行掃描和能譜分析，分析不同宏觀形貌的微觀差異。白斑與正常位置宏觀形貌如圖1所示。

圖1 白斑區(qū)域與正常區(qū)域宏觀形貌

模擬客戶堿洗工藝對(duì)未清洗樣板在60℃條件下進(jìn)行不同濃度和時(shí)間的堿洗工藝正交試驗(yàn)，堿洗工藝及對(duì)應(yīng)編號(hào)如表1所示，通過測(cè)試耐指紋膜厚和達(dá)因筆檢測(cè)探究清洗涂油的最佳堿洗工藝。

表1 堿洗工藝及樣品編號(hào)

2 結(jié)果與分析

2.1 SEM結(jié)果與分析

采用SEM對(duì)白斑與正常區(qū)域進(jìn)行掃描觀察結(jié)果如圖2所示。

圖2 掃描電鏡分析

掃描電鏡結(jié)果顯示白斑區(qū)域存在光滑區(qū)域1（2-1）和粗糙區(qū)域2（2-1），而正常區(qū)域全部為光滑區(qū)域1（2-2），這說明鋼帶表面的不均勻分布從而導(dǎo)致了白斑的出現(xiàn)。對(duì)白斑區(qū)域與粗正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。

表2 能譜分析結(jié)果 %

耐指紋膜主要成分為環(huán)氧樹脂[3]，在掃描電鏡下碳元素和硅元素是鈍化膜的主要指標(biāo)元素，碳元素和硅元素含量多少直接反映耐指紋膜含量多少[4]。從能譜分析結(jié)果看，白斑區(qū)域的碳含量和硅含量明顯下降，說明耐指紋膜層局部已經(jīng)完全被破壞掉，部分殘留在表面。

鋅鋁鎂鍍層中鋅是較為活潑兩性金屬，在沒有耐指紋鈍化膜的保護(hù)作用下極易被堿液腐蝕，樊耀忠等人在相關(guān)文獻(xiàn)中闡述了Zn在不同pH值條件下的腐蝕量[5]，趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 Zn在不同pH值條件下的腐蝕量

在中性的環(huán)境中存在鋅鈍化區(qū)，耐腐蝕性能良好，即當(dāng)pH值在6～12之間，鋅層的腐蝕為最小。但在酸和堿環(huán)境下腐蝕效率明顯加快，且在酸性條件下pH越低，在堿性環(huán)境下pH值越高其腐蝕速率越大。因此當(dāng)鋅鋁鎂鋼板在堿洗過程中，堿液濃度過大（堿度高，pH值大）時(shí)，Zn的腐蝕速率會(huì)增大，從而加快Zn發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，向Zn2+轉(zhuǎn)化。Zn2+發(fā)生一些列的化學(xué)反應(yīng)，從而出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物堿式碳酸鋅即白斑缺陷[6]。其化學(xué)原理如公式（1）—（4）。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照正交試驗(yàn)方法對(duì)試樣1—9進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，利用紅外測(cè)厚儀對(duì)堿清洗前后進(jìn)行耐指紋膜厚度測(cè)量，清洗后外觀情況如圖4所示，膜厚度結(jié)果如表2所示。

圖4 不同堿液濃度和堿洗時(shí)間條件下堿洗后外觀

從圖4結(jié)果來看，當(dāng)w（NaOH）在2%、5%條件下堿洗時(shí)間在達(dá)到40 min仍不會(huì)出現(xiàn)白斑缺陷。當(dāng)w（NaOH）達(dá)到10%時(shí)，堿洗時(shí)間在10 min、20 min條件下均不會(huì)出現(xiàn)白斑缺陷，而堿洗時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)出現(xiàn)了白斑缺陷。通過達(dá)因筆測(cè)試在w（NaOH）為2%，堿洗10 min條件下表面沖壓油即可清洗干凈。

膜厚度結(jié)果如表3所示。

表3 膜厚度測(cè)試結(jié)果 μm

膜厚度結(jié)果顯示w（NaOH）達(dá)到10%，堿洗時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)，膜的厚度已經(jīng)由0.65μm下降到了0.14μm?？梢钥隙椭讣y膜已經(jīng)遭到了明顯破壞，當(dāng)耐指紋膜遭到破壞后堿液與鋅層發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致白斑缺陷的出現(xiàn)。

客戶在采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%堿液清洗時(shí)間10 min的工藝后白斑問題解決。

3 結(jié)論

1）鋅鋁鎂在堿洗后產(chǎn)生的白斑是腐蝕產(chǎn)物堿式碳酸鋅，其產(chǎn)生的原因是在堿性條件下清洗過程中耐指紋膜遭到破壞，鋅鋁鎂鍍層與外界接觸從而發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)。

2）在不同堿液濃度和不同堿洗時(shí)間的條件下，耐指紋膜的遭受破壞的程度不一致，當(dāng)堿液w（NaOH）達(dá)到10%。堿洗時(shí)間達(dá)到40 min時(shí)耐指紋膜遭到明顯破壞，外觀上也表現(xiàn)出了明顯的白斑缺陷。

3）實(shí)驗(yàn)表明w（NaOH）為2%，堿洗10 min條件下表面沖壓油即可清洗干凈，為防止白斑缺陷產(chǎn)生，同時(shí)考慮到加工時(shí)的沖壓油污染，提出解決方案為降低清洗堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)到2%，堿洗時(shí)間達(dá)到10min即可。