鋁鋅硅合金鍍層的耐熱性研究

李積鵬，寧培棟，劉小華，姚 瑩

（1.酒鋼宏興股份有限公司鋼鐵研究院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

目前，熱浸鍍鋁鋅硅板作為涂鍍產(chǎn)品中最重要、應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品，具有很強(qiáng)的耐蝕性和耐熱性能。其鍍層組織分為兩部分，外層以富鋁相枝晶為骨架，富鋅相分布于間隙，鍍層與基體之間是一層厚度約800 nm的Fe-Al-Si中間層，起到提高鍍層附著性和抑制鋅液和基體劇烈反應(yīng)，避免產(chǎn)生灰色鍍層的作用［1-3］。鍍層組織決定了鍍層性能，富鋁相熔點(diǎn)較高、易鈍化，具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能；富鋅相電極電位低，作為電化學(xué)反應(yīng)中的陽極起到陰極保護(hù)的作用；鋁枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)\的腐蝕產(chǎn)物隔離，避免腐蝕反應(yīng)擴(kuò)散［4］。綜合了這三個優(yōu)點(diǎn)，鋁鋅硅鍍層的耐蝕性比相同鍍層厚度的鍍鋅板提高了2～4倍，以其優(yōu)異的耐蝕性，主要應(yīng)用于電氣柜、建筑輕鋼龍骨、屋面板、鋼板倉、結(jié)構(gòu)用支管和支架等［5-6］。隨著市場對鋁鋅硅鍍層產(chǎn)品不同環(huán)境下使用要求的提高，相比于鍍鋅板30 %～45 %和鋁硅鍍層板80 %以上的熱反射性能，鋁鋅硅鍍層板因70 %～75 %的優(yōu)異的熱反射性能，介于鍍鋅板和鋁硅鍍層板之間［7］，并且相比于鋁硅鍍層板，工藝簡單、生產(chǎn)成本低，逐漸替代鋁板和鋁硅鍍層板，應(yīng)用于一些使用溫度較高的環(huán)境中，比如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件［8］。

由于純鋅鍍層熔點(diǎn)低，一般情況要求在室溫條件下使用，極限使用溫度為230 ℃，而鍍鋁鋅硅板可以在不超過300 ℃的環(huán)境中長期使用［9-10］。為了研究鍍鋁鋅硅板在不同溫度環(huán)境中鍍層的耐熱性能，將鍍鋁鋅硅板在200～500 ℃保溫不同時間后，觀察鍍層微觀組織變化規(guī)律，研究鍍層耐熱性能，確定鍍層極限使用溫度，保證鍍鋁鋅硅板使用安全性。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用0.8 mm厚鍍鋁鋅硅板DC53D+AZ，鍍層重量150 g/m2，樣板取長條狀，有鉻耐指紋表面處理，單面鍍層厚度約25 μm，利用Gleeble試驗(yàn)機(jī)分別將樣板加熱到200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃，每個溫度試驗(yàn)4塊樣板，分別保溫5 h、24 h、50 h、100 h，保溫結(jié)束后取出自然冷卻，觀察鍍層表面顏色及形貌變化，截取20 mm×20 mm金相樣，經(jīng)過預(yù)磨和機(jī)械拋光后在掃描電鏡下觀察截面鍍層組織演變和元素成分變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀變化

在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃ 4種溫度下各保溫5 h、24 h、50 h、100 h后，試樣外觀見圖1，結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)后表面外觀變化Tab.1 The change of surface appearance after test

圖1 不同溫度下保溫不同時間后試樣外觀Fig.1 Appearance of samples after heating at different temperature for different time

從外觀顏色及形貌來看，加熱溫度在200 ℃時，表面外觀無明顯變化；加熱溫度達(dá)到300 ℃時，鈍化膜受熱發(fā)生黃變，表面產(chǎn)生色差，隨著保溫時間增加，在保溫50 h之后，表面黃變減輕，外觀顏色恢復(fù)正常。在溫度升高至500 ℃時，表面發(fā)生黑變，鈍化膜高溫碳化，且鍍層開裂形成裂紋；保溫5 h時，表面粗糙有手感，存在少量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié)，隨著保溫時間的增加，黏結(jié)的顆粒增多；保溫50 h時，表面存在明顯裂紋，鍍層聚集成網(wǎng)格狀，可能是由于試樣面積較大，鍍層成分凝聚的顆粒匯集成網(wǎng)格狀；保溫100 h時，鍍層發(fā)黑鼓泡，有大量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié)，鍍層表面形成孔洞狀［11］。

由于鍍鋁鋅硅板表面采用有鉻耐指紋鈍化，屬于有機(jī)/無機(jī)雜化鈍化方式，試樣表面存在有機(jī)聚合物成分，容易在高溫環(huán)境中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化分解反應(yīng)，所以造成鈍化膜破損，表面發(fā)生黃變的現(xiàn)象［12］。試樣在加熱溫度300 ℃，保溫5 h時，已經(jīng)交聯(lián)聚合的鈍化膜中的有機(jī)成分發(fā)生氧化分解反應(yīng)，鈍化膜受熱發(fā)生黃變，表面產(chǎn)生色差，所以在此時試樣表面變黃［13］；保溫時間增加至50 h時，試樣表面由之前的發(fā)黃轉(zhuǎn)變?yōu)樵镜慕饘偕?，此過程是由于表面鈍化膜在持續(xù)高溫環(huán)境中一直進(jìn)行著氧化分解反應(yīng)，在保溫50 h時，鈍化膜幾乎完全氧化分解，黃邊色差減輕，恢復(fù)為原本的金屬色。在繼續(xù)提高加熱溫度和保溫時間的過程中，由于表面沒有鈍化膜，外觀顏色一直保持原本的金屬色，此現(xiàn)象與楊家云等［14］對于有機(jī)/無機(jī)鈍化膜高溫下表面狀態(tài)變化結(jié)論一致。

2.2 鍍層截面組織變化

通過掃描電鏡觀察在200～500 ℃加熱溫度，保溫不同時間后鍍層截面組織的演變規(guī)律，如圖2～5所示。用EDS能譜分析試樣截面鍍層和中間層的各元素分布，結(jié)果見表2～5。從截面組織變化來看，在200 ℃時，鍍層組織呈現(xiàn)正常的狀態(tài)，外層以富鋁相枝晶和填充在其中的富鋅相為主，富鋁相輪廓清晰，與基體結(jié)合處是Fe-Al-Si中間層［15］。隨著溫度升高和保溫時間增加，溫度在300 ℃時，鍍層以富鋁相與富鋅相為主，但富鋁相輪廓模糊，呈現(xiàn)逐漸合金化的趨勢。溫度在400 ℃時，鍍層以Zn-Al二元共晶相為主，中間層厚度增加。加熱溫度升高到500 ℃時，鍍層出現(xiàn)厚度減薄、表面高低起伏的狀態(tài)，中間層增厚嚴(yán)重，鍍層破碎出現(xiàn)延伸到基體的裂紋。在500 ℃保溫100 h時，鍍層缺失嚴(yán)重，局部出現(xiàn)漏鍍、坑洞形貌。

表3 不同溫度下保溫24 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.3 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 24 h

表4 不同溫度下保溫50 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.4 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 50 h

表5 不同溫度下保溫100 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.5 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 100 h

圖2 不同溫度下保溫5 h后鍍層截面組織形貌Fig.2 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 5 h

圖3 不同溫度下保溫24 h后鍍層截面組織形貌Fig.3 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 24 h

圖4 不同溫度下保溫50 h后鍍層截面組織形貌Fig.4 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 50 h

2.3 鍍層和中間層Fe、Si元素分布規(guī)律

不同加熱溫度下保溫不同時間，鍍層和中間層Fe、Si元素分布見圖6，從鍍層和中間層中Fe、Si元素分布變化來看，隨著溫度升高和保溫時間增加，基板中的Fe原子向中間層和鍍層擴(kuò)散遷移，F(xiàn)e含量逐漸升高，加速了鍍層合金化，形成了Fe4Al13的Fe-Al化合物和FeZn13的ξ相，鍍層耐蝕性降低［16-17］。

圖6 鍍層和中間層中Fe、Si元素分布Fig.6 Distribution of Fe and Si elements in coating and interlayer section

鋁鋅鍍液中Si含量為1.6 %［18］，在基板與鋅液反應(yīng)時，由于Hume-Rothery規(guī)則，Si原子首先固溶于Fe原子，限制了Al原子的擴(kuò)散，所以Si原子主要集中于中間層，限制了Al/Zn-Fe的劇烈反應(yīng)，避免產(chǎn)生灰色鍍層［19-20］。200 ℃時Si原子在中間層含量達(dá)到7.3 %，比基板中的Si含量高得多，也說明了這一點(diǎn)。

原子體積較小的Si原子獲得熱量后活度增大，也從基板向中間層和鍍層擴(kuò)散遷移。隨著溫度升高和保溫時間增加，分為兩個非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程：（1）基板中的Si原子向中間層擴(kuò)散，擴(kuò)散速度為V；（2）中間層Si原子向鍍層擴(kuò)散，擴(kuò)散速度為v。兩個過程均為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散，根據(jù)菲克定律J=－Ddc/dx，擴(kuò)散通量J與原子濃度梯度dc/dx呈正比。在200～300 ℃，中間層Si含量降低而鍍層中Si含量升高，在此過程中V＜v；在300～400 ℃，隨著中間層Si原子快速地向鍍層擴(kuò)散，原子濃度梯度降低，在此過程中V=v，中間層Si含量基本未發(fā)生變化，在400～500 ℃，基板中Si原子不斷擴(kuò)散導(dǎo)致原子濃度梯度降低，在此過程中V＜v，中間層Si含量快速下降。

而隨著保溫時間繼續(xù)增加，鍍層中Si含量反而呈現(xiàn)下降趨勢，是由于保溫時間的增加導(dǎo)致Si原子向鍍層中擴(kuò)散偏析，固溶于Zn-Al的金屬化合物之間，形成Zn-Al-Si相，400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布見圖7。

圖7 400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布Fig.7 Distribution of Zn-Al-Si phase in the coating at 400 ℃ for 100 h

3 結(jié) 論

（1）隨著環(huán)境溫度的升高和使用時間的增加，F(xiàn)e元素逐漸向中間層和鍍層中擴(kuò)散，在不超過300 ℃環(huán)境中，可以長期使用，鍍層組織無明顯變化，可以保證鍍層的耐腐蝕性能。

（2）在環(huán)境溫度超過300 ℃后，鋁鋅硅合金鍍層中的Fe含量直線上升，形成Al-Zn-Fe金屬化合物，鍍層組織合金化，表面裂紋、鼓泡明顯，導(dǎo)致鍍層失效。

（3）鋁鋅硅合金鍍層板在不超過300 ℃環(huán)境中，耐熱性能介于鍍鋅板和鍍鋁板之間，可以替代鋁板和鋁硅鍍層板，應(yīng)用于如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件。