輝光光譜法測(cè)定熱鍍鋅鋼板界面寬度

胡維鑄

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院本鋼技術(shù)中心，遼寧 本溪 117001）

鋼材表面鍍鋅是防止鋼材腐蝕最有效、最經(jīng)濟(jì)的工藝方法，在表面涂鍍一層金屬鋅的鋼板稱為鍍鋅板，其中用于熱鍍鋅的鋅量占全部鍍鋅量的90%以上，鍍鋅鋼板被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、家電等行業(yè)。鍍鋅鋼板的理化檢驗(yàn)指標(biāo)有機(jī)械性能、基板成分、鍍層成分等，鍍層檢測(cè)與產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本密切相關(guān)。鍍鋅鋼板的微觀結(jié)構(gòu)公認(rèn)分為鋅層、合金化層、基體三個(gè)部分，它們之間沒(méi)有明確的分界線，存在著互相滲透的現(xiàn)象，用任何方法都不能直接得到鍍層的準(zhǔn)確厚度。

國(guó)內(nèi)外眾多研究人員已經(jīng)利用輝光放電原子發(fā)射光譜法對(duì)各種鍍層開(kāi)展了有效的工作，如Richard Payling等［1］對(duì)輝光深度分析原理及應(yīng)用做了詳盡的描述，張毅等［2］分析了鍍鋅鋼板鍍層圖譜，Xhoffe C等［3］分析了鋼鐵材料表面多種鍍層圖譜，余衛(wèi)華等［4］分析了鍍鋅板、鍍錫板、硅鋼涂層圖譜，徐永林等［5］分析了合金化鍍鋅板中鐵含量，于媛君等［6］分析了鍍鋅板鍍層中鉛鎘鉻元素含量。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29559-2013/ISO 16962：2005附錄C.3.2［7］將 Zn84%和 Zn16%間的距離定義為界面寬度，實(shí)際測(cè)定界面寬度尚未報(bào)導(dǎo)。

熱鍍鋅鋼板鍍層質(zhì)量控制與工藝研究在其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中都非常重要。測(cè)定熱鍍鋅鋼板界面寬度對(duì)熱鍍鋅鋼板鍍層質(zhì)量控制和工藝研究有重要意義。為此，開(kāi)展了利用輝光放電原子發(fā)射光譜法測(cè)定熱鍍鋅鋼板鍍層的實(shí)驗(yàn)研究，并用程序軟件計(jì)算得出界面寬度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

GDS850A輝光光譜儀：0.75 m焦距，Paschen-Runge支架多道真空光譜儀，真空系統(tǒng)，58個(gè)通道，檢測(cè)器-光電倍增管（PMT），光柵刻線數(shù)2 400條/mm，分辨率0.025 nm，波長(zhǎng)119～600 nm，陽(yáng)極直徑4 mm直流（DC）輝光放電源并配備4 mm射頻（RF）輝光放電源，入射狹縫0.015 nm，出射狹縫0.040 nm。

無(wú)水乙醇（分析純）或丙酮（分析純）。

1.2 校準(zhǔn)曲線

校準(zhǔn)曲線采用相對(duì)濺射率建立，為保證多種基體間有一致的光譜干擾及拓展各元素分析范圍，使用多種國(guó)際有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，包含：純鐵，中、低合金鋼，生鐵，鎳基合金，鋁基合金，銅基合金，鋅基合金等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用BG-32型磨床打磨至表面光滑，再用0.125 mm金相砂紙仔細(xì)打磨拋光后，立即用無(wú)水乙醇清洗干凈，熱風(fēng)吹干待用；鋅基、鋁基、銅基標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用銑床銑掉表面薄薄一層。經(jīng)光譜描跡、漂移校正后，將試樣作為陰極置于輝光光源上逐層剝離激發(fā)，實(shí)時(shí)檢測(cè)各元素光譜強(qiáng)度，至Fe元素光譜強(qiáng)度保持水平不變時(shí)，表明激發(fā)至鐵基體，停止測(cè)定。根據(jù)各元素光譜強(qiáng)度與時(shí)間的曲線圖，轉(zhuǎn)換為各元素成分隨深度變化的分布圖，利用QDP程序軟件在圖中標(biāo)注出Zn84%和Zn16%的深度，兩者的差值即為界面寬度。

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度為18～26℃，濕度為20%～80%；陽(yáng)極直徑為4 mm；分析工作方式為恒定電壓-電流方式；啟輝電壓為700 V，啟輝時(shí)間為2 s，激發(fā)電壓為700 V，激發(fā)電流30 mA，積分時(shí)間0～600 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱鍍鋅鋼板取樣與制樣

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所取試樣如果含有夾雜、裂紋、氣孔、油污、粉塵、氧化物，在密封時(shí)容易產(chǎn)生漏氣，使激發(fā)出的光強(qiáng)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確，漏氣嚴(yán)重時(shí)甚至不能輝光放電。試樣局部不均勻也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的可靠性［8］。熱鍍鋅鋼板取樣與制樣必須按照GB/T 29559-2013/ISO 16962:2005［7］和 GB/T 20066-2006［9］的要求，保證試樣表面無(wú)劃痕、成分均勻、具有代表性，同時(shí)不含夾雜、裂紋、氣孔、油污、粉塵、氧化物，并制成50 mm的圓形或方形。

2.2 氬氣純度與流量

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氬氣作為激發(fā)氣體，其影響因素主要有純度不夠和流量不夠，這兩種影響因素都會(huì)造成激發(fā)前光源內(nèi)沖洗不干凈，殘留在光源內(nèi)的粉塵及氧化物會(huì)影響激發(fā)效果，導(dǎo)致激發(fā)光強(qiáng)衰減，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。為確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，須保證氬氣純度在99.999%以上，氬氣流量分表壓力為280 kPa。

2.3 光譜描跡與漂移校正

本法采用含量均勻的鐵基試樣以Fe371.994 nm作為定位線來(lái)進(jìn)行光譜描跡工作。將試樣置于銅電極前，按上吸樣按鈕，關(guān)閉輝光室門，儀器自動(dòng)激發(fā)顯示最佳位置，馬達(dá)自動(dòng)轉(zhuǎn)至最佳位置完成描跡，描跡確保最大強(qiáng)度的光通過(guò)出射狹縫。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，狹縫漂移時(shí)有發(fā)生，為確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每次分析前必須進(jìn)行光譜描跡。

采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行漂移校正可以校正校準(zhǔn)曲線以補(bǔ)償儀器長(zhǎng)期漂移，漂移校正后進(jìn)行測(cè)定。本法采用SUSRN19-70、SUSRA18-153、SUSRG14-654、BRAMMER825E、BASC54-03-5、SUSRZN13-33六塊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行漂移校正。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，曲線漂移時(shí)有發(fā)生，為確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每次分析前必須進(jìn)行漂移校正。

2.4 界面寬度測(cè)定

對(duì)熱鍍鋅鋼板試樣進(jìn)行界面寬度測(cè)定，鍍鋅板界面寬度測(cè)定圖譜如圖1所示，從圖1可以觀測(cè)到熱鍍鋅鋼板的鍍層界面寬度。

圖1 鍍鋅板界面寬度測(cè)定圖譜Fig.1 Spectrogram for Determination of Interface Width of Galvanized Sheets

熱鍍鋅鋼板試樣界面寬度測(cè)定值見(jiàn)表1，BG-1#為同一鋼種，BG-2#，BG-3#，BG-4#為不同鋼種。

表1 熱鍍鋅鋼板試樣界面寬度測(cè)定值Table 1 Measured Values of Interface Widths of Hot-dip Galvanized Steel Sheet Samples

由表1可知，同一鋼種熱鍍鋅鋼板鍍層界面寬度基本一致,不同鋼種熱鍍鋅鋼板因工藝條件不同導(dǎo)致鍍層界面寬度各不相同。同一鋼種熱鍍鋅鋼板界面寬度如有較大差異，說(shuō)明鍍鋅工藝中鋅液溫度、浸鍍時(shí)間、鋼基元素、鋅液元素、鋼帶表面狀態(tài)等［10］有所變化，應(yīng)仔細(xì)查找出變化因素，嚴(yán)格執(zhí)行工藝條件。

2.5 鍍層深度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用3塊熱鍍鋅鋼板試樣，分別采用輝光法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)重量法［11］進(jìn)行鍍層深度測(cè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鍍層深度測(cè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)Table 2 Comparative Experiment for Measuring Depths of CoatingLayers μm

由表2可知，鍍層深度輝光法測(cè)定值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定值基本一致，界面寬度輝光測(cè)定方法準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29559-2013/ISO 16962：2005［7］規(guī)定的鍍鋅板界面寬度，開(kāi)展了使用輝光光譜儀和QDP程序軟件在質(zhì)量百分比-深度譜圖中標(biāo)記出84%和16%的點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算得出測(cè)定界面寬度的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，熱鍍鋅鋼板鍍層界面寬度與工藝條件密切相關(guān)，鍍層深度輝光測(cè)定值和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定值基本一致，界面寬度輝光測(cè)定方法準(zhǔn)確。