先進(jìn)高強(qiáng)熱鍍鋅汽車板表面缺陷控制技術(shù)研究

儲雙杰，湯文杰，梁高飛，錢洪衛(wèi)

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 前 言

熱鍍鋅是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛、性價(jià)比最高的鋼材表面處理方法，是將帶鋼經(jīng)過連續(xù)退火爐加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫、冷卻后進(jìn)入480 ℃左右的鋅鍋，在不接觸空氣的情況下在鋼板表面獲得鍍層的一種工藝技術(shù)。汽車行業(yè)大量應(yīng)用熱鍍鋅進(jìn)高強(qiáng)汽車板產(chǎn)品典型成分鋼板，在輕量化、減蝕延壽方面起到不可替代的作用[1-3]。為同時(shí)提高強(qiáng)度和延伸率，目前第2代、第3代先進(jìn)高強(qiáng)汽車板普遍采用高Si、Mn、Al、Cr等成分設(shè)計(jì)，但同時(shí)也帶來鍍層附著性能低、表面質(zhì)量差等一系列熱鍍鋅問題[4,5]。國際上少有鋼廠掌握這些鋼種的熱鍍鋅工藝，系統(tǒng)分析表面缺陷形成機(jī)理的文獻(xiàn)資料也很少。本研究基于寶鋼QP鋼、TWIP鋼、Mn - TRIP鋼、δ - TRIP鋼等先進(jìn)高強(qiáng)熱鍍鋅汽車板的開發(fā)和大生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，研究了典型表面缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并提出全流程制造工藝改善及控制措施，為進(jìn)一步拓展汽車領(lǐng)域應(yīng)用提供支撐。

1 表面缺陷產(chǎn)生的冶金機(jī)理

1.1 典型表面缺陷

圖1為先進(jìn)高強(qiáng)熱鍍鋅汽車板露鐵、雞爪印、色差及麻面等表面缺陷典型照片。露鐵是熱鍍鋅最主要缺陷，最高月改判率高達(dá)12.64%，嚴(yán)重影響成材率?！半u爪印”缺陷是另一主要缺陷，最高月改判率高達(dá)7.62%，出現(xiàn)頻率高、發(fā)生量大。熱鍍鋅QP 鋼和DP鋼寬度方向上易出現(xiàn)色差缺陷，最高月改判率高達(dá) 6.53%。麻面缺陷手感明顯，在1.8 mm等厚料上批量發(fā)生。

1.2 先進(jìn)高強(qiáng)鋼易出現(xiàn)表面缺陷原因分析

圖2、表1為第1～3代先進(jìn)高強(qiáng)汽車板產(chǎn)品及典型成分。可見，TRIP、DP和QP鋼的Si含量達(dá)到0.5%～2.0%，Mn含量1.8%～3.0%，而TWIP鋼Mn含量甚至高達(dá)15.0%～30.0%，δ - TRIP鋼Al含量高達(dá)4.0%。圖3為不同元素氧化反應(yīng)時(shí)的吉布斯自由能[6]?？梢姡跓徨冧\退火溫度下，氧勢大小依次為：Fe>Cr>Mn>Si>Al，表明即使退火氣氛對Fe是還原氣氛，但對Mn、Si、Al、Cr等合金元素仍然是氧化氣氛，從而生成Si、Mn、Al、Cr的氧化物并在退火板表面富集，造成“內(nèi)氧化”現(xiàn)象。

表1 先進(jìn)高強(qiáng)汽車板產(chǎn)品典型成分

圖4、圖5分別為先進(jìn)高強(qiáng)熱鍍鋅汽車板典型截面SEM形貌及退火汽車板表面狀態(tài)對鋅液潤濕性的影響示意。

可見，在鋼板亞表層存在大量的氧化物，對鋅液和鋼板之間的潤濕角(θ)有顯著影響。θ指在固、液、氣三相界面處，自固 - 液界面經(jīng)過液體內(nèi)部到氣 - 液界面之間的夾角。固 - 氣界面自由能(γSG)、固 - 液界面自由能(γSL)以及液 - 氣界面自由能(γLG)之間服從楊氏潤濕方程：

γSG-γSL=γLG·cosθ

(1)

θ越小，表示鋅液和鋼板的浸潤性越好，可鍍性也越好。當(dāng)鋼板(亞)表面形成大量氧化物后，θ明顯增大，鋼板可鍍性下降，容易出現(xiàn)表面缺陷。另外，由圖3可知，在熱軋以及罩退溫度區(qū)間內(nèi)，F(xiàn)e、Mn、Si、Al等元素的氧勢大小也存在此規(guī)律，造成熱軋板和罩退板表面出現(xiàn)“內(nèi)氧化”現(xiàn)象，對冷軋、熱鍍鋅等后工序都會帶來不利影響。

2 表面缺陷改善及控制對策

2.1 露鐵缺陷

除受帶鋼表面“內(nèi)氧化”影響之外，露鐵缺陷還與爐鼻子鋅灰控制、加鋅操作、帶鋼振動(dòng)等密切相關(guān)，尤其是鋅灰，如圖6所示。在熱鍍鋅過程中，鋅蒸發(fā)并冷凝后，以鋅灰的形式沉積在高溫帶鋼表面，通過鋅鐵擴(kuò)散最終生成鋅鐵合金相，導(dǎo)致露鐵缺陷。

從生產(chǎn)實(shí)際控制角度出發(fā)，該類缺陷主要控制措施如下：(1)合理使用爐鼻子增濕；(2)合理使用鋅灰泵，保持爐鼻子內(nèi)鋅液面的清潔度；(3)爐鼻子增加外保溫，防止或減少爐鼻子內(nèi)壁面冷凝結(jié)鋅灰；(4)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加鋅，保證爐鼻子內(nèi)鋅液面的穩(wěn)定；(5)減小鋅鍋區(qū)域設(shè)備和帶鋼的振動(dòng)。通過對核心裝備進(jìn)行技改[7]，保證了如上措施的工業(yè)化實(shí)施，并形成了相應(yīng)的工藝規(guī)程，最終實(shí)現(xiàn)露鐵缺陷改判率穩(wěn)定降低至0.58%以下。

2.2 雞爪印缺陷

圖7為雞爪印缺陷形成示意。其形成原因主要有2個(gè)：(1)爐鼻子內(nèi)鋅液表面氧化膜粘到帶鋼表面，阻礙了 Fe2Al5阻擋層形成，從而引起局部漏鍍；(2)由于“內(nèi)氧化”現(xiàn)象，帶鋼表面潤濕性較差，更易將鋅液表面的Al2O3薄膜粘到帶鋼表面。

從生產(chǎn)實(shí)際控制角度出發(fā)，該類缺陷主要控制措施如下：(1)降低爐鼻子增濕氣體流量，減少爐鼻子內(nèi)鋅液表面氧化膜；(2)控制退火氣氛露點(diǎn)和空燃比，減輕合金元素外氧化。兩者缺一不可。上述爐鼻子增濕及退火爐氣氛控制技術(shù)在DP980、QP980、QP1180等鋼種上均得到驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)雞爪印缺陷改判率穩(wěn)定降低至0.19%以下。

2.3 色差缺陷

對熱鍍鋅QP鋼和DP鋼色差缺陷，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，缺陷位置基板表面存在厚度約10～20 μm 的“破碎層”，如圖8所示。其形成主要原因在于：在熱軋板卷取和(或)熱卷罩退過程中，由于Si、Mn 等合金元素內(nèi)氧化，熱軋板表面形成的氧化層在酸洗過程中難以完全洗掉，軋制后破碎，從而在軋硬板中部出現(xiàn)微觀上的粗糙表面。基板邊部和中部這種表面形貌差異最終影響到鍍層形貌，從而出現(xiàn)邊中邊色差。

從生產(chǎn)實(shí)際控制角度出發(fā)，該類缺陷主要控制措施如下：(1)合理選擇卷取溫度以及熱卷罩退溫度，使熱軋板表層避免產(chǎn)生內(nèi)氧化層；(2)控制酸洗速度或者采用兩道酸洗的方法，徹底洗除熱軋板表面的內(nèi)氧化層。通過如上熱軋來料內(nèi)氧化控制技術(shù)，使色差缺陷改判率穩(wěn)定降低至0.52%以下。

2.4 麻面缺陷

通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，熱鍍鋅成品缺陷位置對應(yīng)基板表面的小翹皮，小翹皮位置鍍鋅后引起局部鋅層偏厚，當(dāng)小翹皮較密集時(shí)，表現(xiàn)為“麻面”，如圖9所示。進(jìn)一步對相應(yīng)的熱軋板和軋硬板分析，發(fā)現(xiàn)小翹皮實(shí)際上來源于熱軋基板，是由于板坯表面殘留的小翹皮在除鱗過程中未完全清除導(dǎo)致，如圖10所示。

從生產(chǎn)實(shí)際控制角度出發(fā)，該類缺陷主要控制措施如下：(1)熱軋工序低出爐溫度、低在爐時(shí)間，尤其是要盡量減少在爐時(shí)間，這是最重要的工藝控制參數(shù)；(2)由于鋼種成分中的 Si、Cr 等元素會增加氧化鐵皮的黏附性，必要時(shí)需要增加熱軋過程中的除鱗組數(shù)；(3)提高酸洗強(qiáng)度；(4)提高冷軋第5機(jī)架的軋制力。通過實(shí)施如上改善措施，建立了相應(yīng)的麻面缺陷控制技術(shù)規(guī)程，使該缺陷改判率穩(wěn)定降低至0.15%以下。

3 小 結(jié)

(1)先進(jìn)高強(qiáng)熱鍍鋅汽車板普遍采用高Si、Mn、Al、Cr成分設(shè)計(jì)，在熱軋、罩退、熱鍍鋅等工序氧勢均低于Fe元素，造成“內(nèi)氧化”現(xiàn)象，導(dǎo)致鍍鋅成品表面容易出現(xiàn)缺陷。

(2)鋅灰是造成露鐵缺陷的主要因素，爐鼻子增濕保濕、鋅液面清潔穩(wěn)定是控制關(guān)鍵。

(3)爐鼻子內(nèi)鋅液表面氧化膜粘到帶鋼表面是造成雞爪印缺陷的主要因素，爐鼻子增濕及合適的退火爐氣氛是控制關(guān)鍵。

(4)熱軋板表面氧化層未能酸洗除凈是造成鍍層色差缺陷的主要因素，合適的卷取溫度和熱卷罩退溫度，以及酸洗效果是控制關(guān)鍵。

(5)麻面缺陷源自熱軋基板表面殘留的小翹皮，熱軋出爐溫度、在爐時(shí)間是控制關(guān)鍵。