熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機理及材料表面缺陷控制研究

陳志軍，王亮亮

（河鋼集團邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015）

熱鍍鋅對鋼鐵具有良好的防護性能，可以有效的起到防腐蝕、延長鋼鐵構(gòu)件使用壽命的功能，且基本不需要后續(xù)維護，因此這種熱鍍鋅工藝的應(yīng)用越來越廣泛。熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝就是將鋼件表面進行清洗脫脂、活化后浸入熔融的液態(tài)鋅液中，通過溶解、化學(xué)反應(yīng)以及擴散等激勵，使得鋼件與鍍層金屬在鋼鐵表面形成冶金結(jié)合的鍍層。在鋅鍍層完好的前提下，鋅層對鋼鐵基體起到良好的物理阻隔防護作用，在外界環(huán)境的影響下鋅層逐漸被腐蝕和破壞，當(dāng)鍍鋅層全部腐蝕完畢后，才開始腐蝕鋼鐵基體。與油漆防護以及鍍銅防護方法相比，鍍鋅層可以提供多達三重的防腐蝕保護[1]。現(xiàn)如今熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到汽車、建筑、航空、電力等多個行業(yè)當(dāng)中。然而鍍鋅層在施工過程中由于操作不當(dāng)會其他因素的影響，容易產(chǎn)生一系列的表面缺陷，不僅影響外觀，而且還會大大降低鍍層的耐腐蝕性能和對鋼鐵基體的保護作用。針對高強鋼中由于鋅鍍層中元素的影響造成的一系列問題，相關(guān)科研人員向后提出了控制露點、預(yù)氧化后熱鍍鋅和預(yù)鍍后熱鍍鋅等控制方案。然而由于不同材料表面缺陷類型的產(chǎn)生原因和影響因素不同，因此使用傳統(tǒng)的表面缺陷控制方法的針對性較低，得出的控制效果欠佳。為了解決上述問題，結(jié)合熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機理、材料表面缺陷的影響因素提出對應(yīng)的缺陷控制方法。

1 分析熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機理

熱鍍鋅復(fù)相鋼試制工藝流程包括除油、鐵水預(yù)脫硫、冶煉、連鑄、熱連軋、熱軋卷取、酸洗、添加助鍍劑、熱浸鍍鋅、鍍鋅后處理、光整、拉矯等多個步驟。具體的設(shè)備安裝情況以及工藝流程如圖1所示。

圖1 熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)設(shè)備布置與工藝流程圖

首先將待鍍構(gòu)件表面的油漬和油脂等去除。鋼鐵表面與空氣直接接觸時，會發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生鐵銹并附著在表面，而酸洗的目的就是去除附著在基體表面的鐵銹，酸洗過程中產(chǎn)生的一系列化學(xué)反應(yīng)為：

從上式中可以看出，經(jīng)過對鐵銹的酸洗處理會發(fā)出氫氣氣體，在合金中發(fā)生氫脆。為了防止氫脆對鋼鐵基體表面產(chǎn)生缺陷，在酸洗過程中還會加入酸洗溶劑抑制劑。助鍍劑的作用在促進基體表面保護性薄膜的形成，提高度層的質(zhì)量，在一定程度上減少缺陷的產(chǎn)生[2]。將鋼件基體的處理結(jié)果浸入到配置并熔好的鋅浴中進行鍍鋅。在實際的鍍層過程中需要嚴格控制鋅液的溫度和成分，及時清除鋅液中實時產(chǎn)生的雜質(zhì)。熱軋溫度制度的制定依據(jù)CCT曲線，熱軋的加熱溫度和終軋溫度需要考慮NbC粒子的析出情況，配合熱軋單相奧氏體區(qū)軋制工藝，得到適合沖壓成形的均勻組織。

2 熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷控制方法

在熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷控制之前，首先需要檢測目標(biāo)構(gòu)件是否存在表面缺陷的問題。缺陷檢測的方法采用圖像分析與構(gòu)件材質(zhì)分析相結(jié)合的方式。將無表面缺陷的材料剔除，針對存在表面缺陷的材料進行分析與控制。

2.1 劃分熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷類型

利用圖像處理與分析方法，提取熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面特征，并通過與缺陷標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)的比對，從而確定材料表面缺陷的類型。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，材料表面缺陷的類型可以分為鋅渣缺陷、鋅灰缺陷、漏鍍?nèi)毕?、龜裂以及凸起等缺陷類型[3]。按照表面缺陷結(jié)構(gòu)的形狀可以將其分為麻點缺陷、亮點缺陷、條狀、羽毛狀花紋缺陷、灰暗、淚痕狀條紋缺陷、有顆粒狀物粘附鍍層粗糙缺陷等。以鋅渣類缺陷為例，這種表面缺陷類型主要指的是嵌在鍍層內(nèi)部尺寸為0.5mm～2.0mm和小于0.5mm的渣粒。結(jié)合熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷的基本特征和分布規(guī)律，得出材料表面缺陷的類型劃分結(jié)果。

2.2 追溯材料表面缺陷的形成原因

為了實現(xiàn)對材料表面缺陷的有效控制，需要了解不同類型缺陷產(chǎn)生的原因。其中鋅渣缺陷可以分為底渣、自由渣和面渣三種類型，其中底渣的形成原因就是六面體晶型的δ相顆粒和鋅液構(gòu)成。自由渣的形成原因是鋅鍋內(nèi)部的鋅渣漂浮在基體上，而面渣代表的是鋅液表面的鋅渣漂浮在基體表面[4]。而鋅灰缺陷和鋅渣缺陷的形成原因不同，主要是由于純鋅、氧化鋅和其他雜質(zhì)的混合物，氧化鋅為高溫下純鋅與爐鼻子內(nèi)水蒸氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)的結(jié)果，鋅灰缺陷形成的原理如下：

根據(jù)鋅灰形成的位置和形貌不同可以分為兩類，其中最常見為鋅蒸汽冷凝形成的鋅灰和鋅液面膜形成的鋅灰。此外漏鍍產(chǎn)生的原因包括鍍件表面有油脂、油漆等臟物、欠酸洗有銹蝕點表面有雜質(zhì)、溶劑沾得不充分溶劑失效老化等，而龜裂紋、凸起狀紋缺陷產(chǎn)生的原因包括鋅液含鐵量或鋁量高、鋅液溫度不均衡，波動大等。

2.3 分析材料表面缺陷的影響因素

從材料表面缺陷形成原因的分析結(jié)果來看，鋅液中的成分、濃度以及熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝的溫度是材料表面缺陷的重要影響因素。鐵是在鍍鋅過程中脫落而產(chǎn)生的[5]。在450℃鍍鋅時，鐵在鋅液中的飽和溶解度為0.02%，當(dāng)鍍鋅的溫度為450℃時，若鋅液中的鐵元素含量超過其標(biāo)準(zhǔn)溶解度，那么就會析出形成鋅渣。而鋁是熱鍍鋅中最常用的添加元素，在熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝中加入的質(zhì)量分數(shù)不高于百分之一，可以起到減少鋅液面的氧化、提高鍍層光亮性的作用，但在實際的操作過程中，往往由于添加的中間合金的質(zhì)量問題以及添加鋁和鋅鋁合金的方法不當(dāng)或過快， 導(dǎo)致鋅液中形成大量的鋁、鐵化合物。熱浸鋅液中鋁元素含量與生成渣量之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鋅液中鋁元素含量與生成渣量的關(guān)系曲線圖

另外在鍍鋅過程中添鋅時間的長短、鋅液底部的沉渣打撈狀況等一系列的操作也會在一定程度上影響材料表面缺陷的產(chǎn)生。

2.4 實現(xiàn)材料表面缺陷控制

綜上所述，可以針對不同的表面缺陷類型，針對其影響因素進行針對性控制，從而降低材料表面缺陷的形成。此次材料表面缺陷的控制方法從鋅液溫度和帶鋼入鋅鍋溫度控制、爐鼻子露點控制和鋅鍋液位差的控制三個方面實現(xiàn)[6]。通過對鋅鍋溫度控制的控制可以直接控制鋅液的蒸發(fā)速率參數(shù)，從而控制鋅液中鐵元素和鋁元素的質(zhì)量分數(shù)和濃度。露點控制是最為直接的控制冷凝鋅灰的措施，具體的控制原理就是將氮氣或氮氫的混合氣體導(dǎo)入到含有水的增濕罐后注入爐鼻子內(nèi)，并在高溫環(huán)境內(nèi)與鋅液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO膜來抑制鋅蒸汽的生成量[7]。此外針對不同的材料缺陷和形成原因制定不同的控制方案，具體的控制方法如表1所示。

表1 熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷與控制方案

灰暗、淚痕狀條紋鋅液溫度偏高 降低鋅液溫度鋅液中鐵含量高 降溫、撈渣并凈化降低鐵含量有顆粒狀物粘附，鍍層粗糙鋅液中含鋁量高 凈化鋅液，減少鋁量工件入出鋅液面時，鋅灰打不充分工件出入鋅液時，打好鋅灰龜裂紋、凸起狀紋鋼基體中元素偏析，表面不平整光滑選用優(yōu)質(zhì)鋼材在鋼材成型過程中出現(xiàn)的裂紋 酸洗后作適當(dāng)銹蝕處理

3 性能測試實驗分析

為了證明提出的材料表面缺陷控制方法的有效性，進行實驗分析。首先準(zhǔn)備相關(guān)的實驗材料和儀器，選擇的鋼鐵基材為鍍鋅高強復(fù)相鋼HC700/980CPD+Z，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為30mm×30mm×2mm。需要準(zhǔn)備的相關(guān)藥品包括乙烯基三甲基硅烷、水性環(huán)氧樹脂、鋅錠、氯化鋅和鹽酸等，其中鋅錠和氯化鋅的濃度分別控制在98.5%和97%以上，而鹽酸選擇濃度在35%～36%區(qū)間內(nèi)的。為了保證熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝的順利實現(xiàn)，分別準(zhǔn)備型號為DT-100的電子天平、型號為DT-156的涂鍍層測厚儀以及型號為SG2-1.5.1.0的實驗電阻爐等設(shè)備，按照圖1表示的工藝流程連接相應(yīng)的實驗儀器設(shè)備。在實驗中選擇一套固定的熱鍍鋅復(fù)相鋼施工工藝，先利用準(zhǔn)備的實驗材料在熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝的驅(qū)動下，得出未應(yīng)用材料表面缺陷控制下的加工材料成品。接著使用相同的實驗材料，按照相同的加工工藝，在控制方法的約束下，得出另一批加工材料成品。使用紅外光譜儀0PFT設(shè)備，觀察材料表面的缺陷情況。由于材料表面缺陷程度屬于一種定性指標(biāo)，為了實現(xiàn)實驗結(jié)果的定量對比，設(shè)置表面缺陷面積作為此次實驗的評價參數(shù)指標(biāo)，通過對控制前后熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷面積的統(tǒng)計與對比，得出控制性能的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 控制方法應(yīng)用前后材料表面缺陷面積對比數(shù)據(jù)表

綜合表2中所有的材料缺陷類型，可以發(fā)現(xiàn)未應(yīng)用控制方法的情況下，熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面的平均缺陷面積為152.1mm2，而應(yīng)用提出的控制方法后，平均缺陷面積降低到48.5mm2，即材料表面缺陷的控制效率為68.1%。

4 結(jié)語

通過對熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機理的分析，在加工工藝的各個工序中嚴格控制操作規(guī)范和相關(guān)參數(shù)，降低材料表面缺陷面積和程度，在美化構(gòu)件表面的同時，保證鋅鍍層對內(nèi)部鋼鐵的保護作用，使得鋼板總體性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求。