合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋分析

劉少先,楊 健,姜貴松

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524000)

合金化熱鍍鋅鋼板具有較好的耐蝕性、成形性、涂裝性,被廣泛用作汽車內(nèi)外板的制造。用作可視化汽車板時,對表面的要求較高,不允許表面存在影響美觀的劃傷、色差、異物壓入等缺陷。相關的分析表明,絕大多數(shù)的表面缺陷都與基板有關,金鑫焱[1]等研究了合金化熱鍍鋅IF鋼表面亮條紋的產(chǎn)生原因,認為是基板表面氧化鋁導致;崔磊[2]研究了合金化熱鍍鋅IF鋼表面灰白條紋缺陷的原因,認為是基板表層存在未再結(jié)晶組織導致;Ravi Shankar A[3]研究了熱鍍鋅表面小亮點缺陷的產(chǎn)生原因,認為是入鋅鍋前基板存在小凹坑導致。

熱鍍鋅鋼板的合金化過程是一個放大鏡,能將普通缺陷放大,對于常規(guī)的表面夾雜、擦劃傷、基板輥印等缺陷,經(jīng)過鍍鋅后基本能夠被覆蓋,達到肉眼不可見的程度,滿足使用的要求。但經(jīng)過合金化之后,由于基板中各種缺陷的存在會影響合金化反應過程中的Zn—Fe擴散,導致合金化之后局部出現(xiàn)合金化過充分或不充分的現(xiàn)象,形成色差。常見的如熱軋擦劃傷、氧化鋁夾雜等會形成白條紋,未再結(jié)晶組織會形成暗條紋,鋅灰鋅渣等會形成小亮點或小暗點?？傊?通過微觀分析,明確每一類缺陷的產(chǎn)生原因,對于缺陷的改進至關重要。

本文分析了一種合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋的產(chǎn)生原因,使用掃描電鏡、能譜儀、激光誘導擊穿光譜儀、電子背散射衍射儀等設備,對缺陷處的鍍層形貌、基板形貌、元素成分進行了分析,找到了缺陷的產(chǎn)生原因,制定相應的改善措施,使該缺陷得到有效控制。

1 試驗材料及方法

試驗材料為含Mn低碳鋼,經(jīng)煉鋼—連鑄—熱軋—酸軋—退火—鍍鋅—合金化—平整后表面出現(xiàn)暗條紋缺陷,主要分布于鍍鋅下表面,上表面偶發(fā)。分析材料成分如表1所示,鋼板厚1.97 mm,鍍層質(zhì)量47～49 g/m2(單面)。條紋宏觀形貌如圖1所示,寬度約為2 mm,長度大于100 mm,與周圍形貌相比呈現(xiàn)暗條紋特征。使用ZEISS EVO 18型鎢燈絲掃描電鏡分析條紋部位與正常部位的鍍層形貌,使用17%的鹽酸加緩蝕劑溶液去除鋅層,目的是溶去鋅層而不影響基板,使用掃描電鏡分析基板表面形貌。使用牛津儀器MAX-20型能譜儀分析基板表面成分,使用鋼研納克的LIBSOPA 100型激光誘導擊穿光譜儀分析表面的元素分布,垂直和平行于條紋方向切割制備橫截面和縱截面試樣,經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后在掃描電鏡下觀察鍍層及基板特征,后續(xù)對基板表面拋光處理,分析基板淺表層形貌,并使用牛津儀器的Symmetry型電子背散射衍射儀分析截面缺陷處的晶粒取向特征及晶界特征。

表1 分析試樣化學成分Table 1 Chemical compositions of the sample analyzed %

圖1 暗條紋的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic topography of dark stripe

2 試驗結(jié)果

2.1 鍍層表面形貌

暗條紋部位的鍍層表面形貌與正常處形貌如圖2所示。在二次電子形貌下可見缺陷部位平整印較正常處少,但火山口形貌增多,缺陷處與正常處的表面相結(jié)構(gòu)差異不大,主要為δ相。由于缺陷處平整印較少導致對光線的反射能力變?nèi)?宏觀下呈現(xiàn)發(fā)暗的形貌,由此可以判斷引起缺陷的直接原因為表面鍍層形貌存在差異。

圖2 鍍層表面形貌分析結(jié)果Fig.2 Analysis results of coating surface morphology

2.2 基板表面形貌

暗條紋部位的基板表面形貌與正常處形貌如圖3所示。在二次電子形貌下,條紋處呈現(xiàn)發(fā)白的形貌特征,表面產(chǎn)生了較強的荷電效應[4]。EDS元素面分布圖可見其存在較多的C、O元素,放大到10 000倍后發(fā)現(xiàn)條紋處基板表面存在較多膜狀物質(zhì),能譜分析其成分主要為C、O,部分位置存在較多的Al、Si成分,說明在鍍鋅之前基板表面存在較多的油污或臟污。這些油污或臟污影響了鍍鋅合金化過程,導致鍍鋅合金化后鋅鐵之間的擴散不充分,并導致鍍層局部偏低,平整后平整印較少,形成暗條紋形貌。

圖3 基板表面分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of substrate surface

2.3 表面元素分析

由上述分析可知,導致暗條紋缺陷的原因與基板缺陷有關,使用鋼研納克的LIBSOPA 100型激光誘導擊穿光譜儀分析表面的元素分布,其原理為將一束強的脈沖激光聚焦到樣板上,其所產(chǎn)生的輻射強度超過了物質(zhì)的擊穿閾值就會在局部產(chǎn)生等離子體,使用光譜儀收集樣品表面等離子體產(chǎn)生的譜線信號,就能根據(jù)光譜的強度信號進行定量分析,并且可以進行連續(xù)激發(fā),逐層分析[4]。分析結(jié)果如圖4所示,缺陷處出現(xiàn)了很明顯的元素聚集情況,其中Si、Al含量較高,因此考慮偏析或夾雜。由于偏析主要存在于鋼板心部,該設備主要分析表層元素分布,因此重點考慮材料的夾雜情況,尤其是淺表層的夾雜。

圖4 表面元素光譜分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of surface element spectroscopic

2.4 截面與基板拋光形貌及成分

分析皮下夾雜最有效的手段是制備截面試樣,因此取了5塊試樣制備橫截面試樣,經(jīng)鑲嵌、研磨拋光后使用掃描電鏡分析缺陷的夾雜物分布。圖5(a)為典型的截面形貌,缺陷處基板皮下約12 μm處發(fā)現(xiàn)了條狀的夾雜物,使用能譜儀分析成分,如表2所示,其主要為O、F、Na、Al、Si、Ca,該成分為結(jié)晶器保護渣成分,因此確定其為皮下保護渣。值得一提的是,缺陷部位檢測到的保護渣極少,制備了5塊試樣僅2塊發(fā)現(xiàn)了皮下保護渣,且分布不典型,尺寸較小。因此又制備了縱截面試樣,如圖5(b)所示。縱截面中也發(fā)現(xiàn)有保護渣,且其寬度更寬,比橫截面中更典型,因此大概率確定該缺陷與皮下夾渣有關。

圖5 橫、縱截面分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of crosssection and longitudinal section

表2 截面成分Table 2 Sectional compositions %

確定了缺陷與皮下夾渣有關,為了更進一步分析,取典型的缺陷樣板,在溶去鋅層后對基板進行表面打磨拋光處理,拋光設備采用普銳斯的手動拋光機,加入3.5 μm的金剛石拋光噴霧作為拋光介質(zhì),由于截面中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)保護渣位于皮下12 μm左右,通過控制拋光力度與拋光時間,拋去表層12 μm的金屬,分析基板中的皮下特征。總共分析了4塊樣板,4塊樣板在拋去表層12 μm左右后均發(fā)現(xiàn)夾渣顆粒物,典型結(jié)果如圖6、表3所示,部分顆粒物呈多條、平行分布,比截面中發(fā)現(xiàn)的更加明顯,能譜分析其成分主要為O、F、Na、Al、Si、Ca,為結(jié)晶器保護渣成分。

圖6 表面淺表層分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of superficial layer

表3 表面拋光成分Table 3 The composition of surface polishing %

2.5 組織與晶粒取向特征

為了更進一步研究皮下夾渣與表面條紋之間的關系,使用牛津儀器的Symmetry電子背散射衍射儀分析缺陷處基板晶粒取向及應變分布,掃描步長設定為2 μm,后使用HKL Channel 5分析軟件分析基板的組織特征。孟楊[6]等提出利用局部取向差衡量材料中的位錯密度,并根據(jù)幾何位錯密度判斷材料內(nèi)部應力分布情況。在EBSD系統(tǒng)中用局部取向錯配角圖(Kernel Average Misorientation,簡稱 KAM)描述顯微組織的局部取向差,在Channel 5系統(tǒng)中叫做Local Misorientation。圖7為缺陷處的基板晶粒取向特征,基板的取向主要為<101>//RD,基板中基體存在明顯的顆粒狀夾渣物,但夾渣物附近的晶粒取向未發(fā)生變化。缺陷處的Local Misorientation分析結(jié)果如圖7(b)所示,在存在夾渣物的附近直至表面KAM值較高,這說明其幾何位錯密度較大,說明該區(qū)域發(fā)生不均勻形變。根據(jù)結(jié)果可以推測,材料中由于基板皮下淺表層存在夾渣物,在軋制時夾渣物附近的基板變形程度與周圍不同,導致該處的幾何位錯密度偏高。

圖7 EBSD分析取向與Local Misorientation圖Fig.7 EBSD analysis orientation and Local Misorientation diagram

3 討論

存在暗條紋位置表面平整印較少,火山口形貌較多,相結(jié)構(gòu)以δ相為主,正常處平整印較多,相結(jié)構(gòu)與暗條紋處基本一樣,由此可以確定,暗條紋缺陷產(chǎn)生的直接原因與表面平整印較少有關,由于平整到的位置表面較平,對光線的反射能力較強,因此發(fā)白,而暗條紋處主要為相結(jié)構(gòu)形貌,平整印較少,對光線的反射能力較弱,因此發(fā)暗,顯示出來就是暗條紋。

對基板的分析如圖3～6所示,缺陷處皮下淺表層存在夾雜物,無論是表面元素分布結(jié)果,還是截面和表面拋光結(jié)果,均有發(fā)現(xiàn)皮下淺表層存在保護渣,因此可以確定該缺陷與皮下夾渣有關。而EBSD的分析結(jié)果表明,存在夾渣物的位置靠近表層幾何位錯密度明顯升高,說明其產(chǎn)生了不均勻形變,導致存在皮下夾渣的地方變形與周圍不一致,造成表面輕微凸起。推測缺陷的形成機理如圖8所示,由于基板淺表層存在保護渣,軋制時存在皮下夾渣的地方變形量與周圍不一致,導致缺陷處表面更加凸起,并容易蹭上臟污,在入鋅鍋前缺陷處基板輕微凸起的地方與輥道產(chǎn)生更嚴重的摩擦,造成表面與正常處的狀態(tài)差異較大,鍍鋅合金化后缺陷處的鋅鐵擴散不充分,形成暗條紋缺陷。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該爐次冶煉狀態(tài)不佳,導致Al含量偏上限,惡化了保護渣性能,且爐次的過熱度較低,影響了夾雜物的上浮,最終形成皮下夾渣缺陷。

圖8 缺陷產(chǎn)生示意圖Fig.8 Schematic diagrams of defect generation

4 結(jié)論

(1) 合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋缺陷的產(chǎn)生原因為基板中存在皮下夾渣,導致其變形量與正常處不一致,表面凸起并蹭上臟污,阻礙了合金化時的鋅鐵擴散,合金化后鋅層表面局部較凹,平整后平整印較少,形成暗條紋形貌。

(2) 該缺陷的根本原因為爐次冶煉狀態(tài)不佳,Al含量較高,惡化了保護渣性能,且爐次過熱度較低,影響了夾雜物上浮,最終形成皮下夾渣。通過改進RH生產(chǎn)工藝,提高鋼水過熱度,有效地改善了該鋼種存在的皮下夾渣問題,該暗條紋缺陷未再發(fā)生。