預(yù)氧化對(duì)熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板鋅層附著性的影響

黃才根 儲(chǔ)雙杰 胡廣魁

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

熱鍍鋅能有效改善鋼材的耐腐蝕性能，因此熱鍍鋅高強(qiáng)鋼被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)[1-2]。生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，寶鋼的熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板材的頭、尾部鍍層有脫落現(xiàn)象，對(duì)熱鍍鋅機(jī)組的產(chǎn)量和成本控制有較大的負(fù)面影響。本文對(duì)高強(qiáng)鋼板鍍鋅層脫落的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了解決這一問題的措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 鍍層脫落的鋼板

折彎時(shí)發(fā)生鍍鋅層脫落的1 000和800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板如圖1所示。圖1表明，鋼板經(jīng)不同程度折彎變形后鋅層幾乎完全脫落，1 000 MPa級(jí)鋼板不僅彎曲變形的部位鍍鋅層脫落，相鄰未變形區(qū)也發(fā)生了鋅層脫落。800 MPa級(jí)鋼板鋅層脫落后的表面較光滑，而且僅彎曲變形區(qū)發(fā)生鍍鋅層脫落。

圖1 鋅層脫落的1 000（a）和800 MPa（b）級(jí)鋼板Fig.1 1 000 （a）and 800 MPa（b）grade steel sheets separating zinc coating

1.2 測試方法

采用ZEISS EVO MA25型掃描電子顯微鏡和能譜儀對(duì)鍍鋅層脫落的鋼板表面和截面形貌及成分進(jìn)行檢測分析；采用Zeiss Axio Imager A2m型多功能光學(xué)顯微鏡對(duì)鍍鋅層脫落鋼板的截面形貌進(jìn)行觀察分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 1 000 MPa級(jí)鋼板

2.1.1 鍍鋅層脫落區(qū)的表面形貌和成分

采用導(dǎo)電膠將鋅層脫落區(qū)鋅層剝離，檢驗(yàn)鋼板的表面形貌和成分。圖2（a）為鋼板鋅層脫落區(qū)的表面微觀形貌，表面光滑；圖2（b）為背散射電子圖，鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的表面有疏松。能譜分析表明（圖2（c，d）及表1），鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的表面除含有少量Mn、Al外，還含有較多的Fe和少量的O，說明該區(qū)域除形成Fe2Al5抑制層外還形成了還原鐵層。

圖2 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)表面的二次電子圖（a）、背散射電子圖（b）和能譜分析（c，d）Fig.2 Secondary electron image（a），backscattered electron image（b）and energy spectrum analysis（c，d）of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表1 圖2（c）中位置1處的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 EDS analysis result of position 1 in Fig.2（c）（mass fraction）%

2.1.2 鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌

鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌如圖3所示。圖3表明，鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的上、下表面均有還原鐵層，使鍍層與基體明顯分離，這就是鋼板鍍鋅層脫落的原因。

圖3 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)域截面的上（a）和下（b）部的電子背散射圖Fig.3 Electron back scattered images of upper（a）and lower（b）portions of cross-section of area separate from zinc coating on the steel sheet

2.1.3 鍍鋅層脫落區(qū)表面抑制層形貌

熱浸鍍鋅過程中，鋼板與鋅液中的Al首先形成均勻致密的Fe2Al5抑制層，這是確保熱鍍鋅鋼板鍍層不脫落的關(guān)鍵[3]。抑制層越均勻致密，鍍鋅層與鋼板的結(jié)合力越大，越不易脫落。圖4為鋼板脫鋅區(qū)鍍層與基體間的抑制層形貌，比較均勻，能確保鍍層不脫落，也說明鋼板鍍鋅層脫落是還原鐵層剝落所致。

圖4 鋼板鋅層脫落區(qū)表面抑制層的二次電子圖Fig.4 Secondary electron images of the inhibition layer of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

2.2 800 MPa級(jí)鋼板

2.2.1 鋅層脫落區(qū)的表面形貌和成分

圖5及表2為800 MPa級(jí)鋼板鍍鋅層脫落區(qū)表面的微觀形貌和能譜分析。結(jié)果表明，鋼板鋅層脫落區(qū)的表面有分層現(xiàn)象。如圖5（c）所示，樣品位置1和2處的成分有很大差異，位置1含有Al、Mn、Fe和Zn，說明此處為鍍鋅層與鋼板發(fā)生反應(yīng)而形成的抑制層；而位置2處僅有Mn和Fe，說明抑制層不連續(xù)，還存在還原鐵層區(qū)域。

圖5 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)域表面的微觀形貌（a，b）和能譜分析（c，d）Fig.5 Micrographs （a，b）and energy spectrum analysis （c，d）of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表2 圖5（c）中不同位置處的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 EDS analysis results of different positions in Fig.5（c）（mass fraction） %

2.2.2 鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層及還原鐵層形貌

圖6（a）為鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層形貌，均勻而致密。鋅層脫落區(qū)的抑制層與正常區(qū)域的抑制層的形貌無明顯差異。圖6（b）為還原鐵層形貌，呈疏松狀，說明是折彎變形過程中還原鐵層與鋼板的結(jié)合力不足而發(fā)生剝落，進(jìn)而導(dǎo)致鍍鋅層脫落。

圖6 鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層（a）和還原鐵層（b）的微觀形貌Fig.6 Micrographs of the inhibition layer（a）and reduced iron layer（b）on the steel sheet after zinc coating being dissolved

2.2.3 脫落的鍍鋅層形貌和成分

圖7（a，b）為脫落的鍍鋅層內(nèi)表面（鋅層與鋼板接觸面）形貌，可見鋅層與鋼板間的界面具有準(zhǔn)解理開裂特征，且鋅層表面有還原鐵層，說明還原鐵層與鋼板之間的結(jié)合力不大。圖7（b）表明，還原鐵層脆性較大，在鍍鋅層脫落前就已開裂和剝離。鍍鋅層內(nèi)表面的能譜分析結(jié)果（圖7（c，d）及表3）顯示，鋅層與鋼板結(jié)合的表面Fe和Al含量均較高，此處可能發(fā)生了Fe與Al的反應(yīng)，并因Fe含量較高而形成了還原鐵層。

圖7 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)內(nèi)表面的微觀形貌（a，b）和能譜分析（c，d）Fig.7 Micrographs（a，b）and energy spectrum analysis（c，d）of the inner surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表3 圖7（c）中不同位置處的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 EDS analysis results of different positions in Fig.7（c）（mass fraction） %

2.2.4 鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌

圖8（a）為鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌，鍍層與基體之間有微小的裂縫和還原鐵層，鋼板表面組織明顯比內(nèi)部粗大。圖8（b）表明鍍層與鋼板明顯剝離，還原鐵層黏附在鍍鋅層上，鋼板表面組織明顯比內(nèi)部粗大。鋼板與鍍層之間未發(fā)現(xiàn)異物殘留，這進(jìn)一步說明鋼板鍍鋅層脫落是還原鐵層剝落所致。

圖8 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)截面的微觀形貌Fig.8 Micrographs of the cross-section of area separate from zinc coating on the steel sheet

3 熱鍍鋅生產(chǎn)工藝

寶鋼的熱鍍鋅工藝流程為預(yù)熱→火焰加熱→輻射管加熱→緩冷→快冷→鍍鋅，其最大的特點(diǎn)是采用天然氣火焰加熱到300～700℃。火焰加熱爐包含5個(gè)區(qū)域，1～3區(qū)為燒嘴混合形式，4～5區(qū)為預(yù)混形式。采用空氣與燃?xì)獗壤煌幕鹧婕訜崮苁逛摪灞砻姘l(fā)生不同程度的預(yù)氧化。

高強(qiáng)鋼板通常含有Si、Mn等元素，這些元素在熱鍍鋅過程中易富集于鋼板表面而發(fā)生氧化[4-7]，從而使鋅液與鋼板隔離，影響鍍鋅的正常進(jìn)行。通常，在H2體積分?jǐn)?shù)低于5% 、露點(diǎn)低于－30℃、氧含量低于100×10－6的氣氛中，Si、Mn會(huì)優(yōu)先發(fā)生氧化（圖9），生成硅酸錳（MnSiO2）、氧化錳（MnO）、二氧化硅（SiO2）等氧化物，影響鋅液與鋼板的接觸，導(dǎo)致漏鍍甚至鋅層脫落[8]。

圖9 某些合金元素的選擇性氧化原理圖Fig.9 Schematic diagrams of selective oxidation of some alloy elements

為避免合金元素在鋼板表面發(fā)生富集氧化，可通過控制加熱氣氛的成分使鋼板表面形成預(yù)氧化層，從而使合金元素在鋼板表面以下的部位發(fā)生氧化，即內(nèi)氧化，同時(shí)也使鋼板表面形成氧化鐵層。預(yù)氧化的鋼板進(jìn)入含有氫氣的還原性氣氛退火爐中，氫氣能使鋼板表面的氧化鐵層還原形成還原鐵層，隨后進(jìn)入鋅鍋。熱鍍鋅時(shí)鋼板表面的還原鐵層首先與鋅液中的Al發(fā)生反應(yīng)生成致密均勻的抑制層，有利于改善鋅層與基體的附著性。但如果預(yù)氧化層過厚，還原后易形成過厚的還原鐵層，過厚的還原鐵層易脫落，導(dǎo)致鍍鋅層脫落。檢查發(fā)現(xiàn)，鍍鋅層脫落的1 000和800 MPa級(jí)鋼板是采用空氣與燃?xì)獾谋壤秊?.98的火焰加熱的，鋼板頭部加熱段火焰的空氣與燃?xì)獗壤兓^大，最大值可達(dá)1.01，這是造成鋼板頭部預(yù)氧化過度從而導(dǎo)致鍍鋅層脫落的原因。

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用空氣與燃?xì)獗壤煌幕鹧婕訜徜摪暹M(jìn)行預(yù)氧化試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 火焰加熱爐空氣與燃?xì)獗壤龑?duì)熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板鋅層脫落的影響Table 4 Effect of the ratios of air to gas in flame heating furnace on separation of zinc coating on high-strength hot-dip galvanized steel sheet

上述結(jié)果表明，火焰加熱爐的空氣與燃?xì)獗壤龑?duì)熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板的鋅層脫落有很大影響。采用空氣與燃?xì)獗壤淮笥?.92的火焰加熱的鋼板鍍鋅層脫落，主要是非還原鐵剝離所致；采用空氣與燃?xì)獗壤秊?.92～0.98的火焰加熱的鋼板鍍鋅層不脫落；采用空氣與燃?xì)獗壤恍∮?.00的火焰加熱的鋼板鍍鋅層脫落，主要是還原鐵層剝離即火焰加熱預(yù)氧化過度所致。

4 結(jié)論

（1）1 000和800 MPa級(jí)熱鍍鋅高強(qiáng)鋼板的鋅層脫落是抑制層下面的還原鐵層剝落所致。還原鐵層的形成是火焰加熱爐空氣與燃?xì)獗壤划?dāng)，導(dǎo)致鋼板表面氧化鐵過多，隨后退火還原形成過厚的還原鐵層，雖然表層的還原鐵層與鋅液反應(yīng)形成致密的抑制層，但下部的還原鐵層結(jié)構(gòu)疏松，折彎變形時(shí)極易剝離導(dǎo)致鋅層脫落。

（2）鋼板的預(yù)氧化程度明顯影響鍍鋅層與基體的結(jié)合力和鍍層的表面質(zhì)量，生產(chǎn)中需根據(jù)鋼種將火焰加熱爐的空氣與燃?xì)獗壤刂圃?.94～0.98。