雙相鋼熱鍍鋅表面漏鍍?nèi)毕莘治黾皩Σ?/h1>
2013-06-17 11:35:52李研崔陽徐海衛(wèi)王勇圍鮑成人周紀(jì)名周建
電鍍與涂飾 2013年5期
李研 *，崔陽，徐海衛(wèi)，王勇圍，鮑成人，周紀(jì)名，周建
（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，北京 100043）
近年來，隨著高檔熱鍍鋅鋼板在汽車和家電行業(yè)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，人們對熱鍍鋅鋼板表面質(zhì)量的要求越來越高[1-2]。先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板因其強(qiáng)度和塑性配合優(yōu)于傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼，加工硬化指數(shù)高，兼具良好的成形性，受到了汽車企業(yè)的密切關(guān)注[3-4]。雙相鋼作為一種最有發(fā)展前景的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，在汽車行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。作為一種高強(qiáng)鋼，其硅、錳等合金元素含量較高，這樣的成分特點(diǎn)決定了其鍍鋅過程中可能產(chǎn)生與鋁鎮(zhèn)靜鋼、IF 鋼(即無間隙原子鋼)不同的問題。
本文重點(diǎn)研究了DP590 高強(qiáng)鋼熱鍍鋅過程中產(chǎn)生的漏鍍?nèi)毕荩瑢Υ祟惾毕莓a(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了解決該問題的對策。
1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
本實(shí)驗(yàn)選材為某熱鍍鋅生產(chǎn)線生產(chǎn)的DP590 鍍鋅板，DP590 成分為：C 0.079%，Si 0.04%，Mn 1.9%，P 0.012%，S 0.004%，N 0.005%，余量為Zn。該鍍鋅線采用美鋼聯(lián)法，生產(chǎn)過程中，鋅鍋溫度控制在461.5 oC，帶鋼入鋅鍋溫度為 459 oC，鋅鍋內(nèi)鋁含量控制為0.21%。熱鍍鋅后采用0.3%的光整延伸率進(jìn)行光整。生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)帶鋼表面存在密集聚集的黑點(diǎn)缺陷，如圖1所示。
圖1 DP590 熱鍍鋅帶鋼表面的黑點(diǎn)狀缺陷 Figure 1 Black point defects on surface of galvanized DP590 strip steel
在存在缺陷的鍍鋅板上截取10 mm × 30 mm 的試樣，在掃描電子顯微鏡下觀測缺陷形貌，并采用能譜分析測試缺陷部位的成分。
2 結(jié)果與討論
2.1 DP590 鍍鋅板漏鍍?nèi)毕莸男蚊蔡攸c(diǎn)
在掃描電鏡下采用較低放大倍數(shù)(×50)觀察鍍鋅板漏鍍?nèi)毕?，形貌如圖2所示。從圖中可見，鍍鋅板漏鍍?nèi)毕菪蚊卜謨煞N類型，一種為不規(guī)則形狀，尺寸較大，在60 ～ 70 μm；另一種缺陷形貌為圓點(diǎn)，數(shù)量較多，尺寸較第一種缺陷小很多。
圖2 帶有表面缺陷的DP590 鍍鋅板的表面形貌照片 Figure 2 Photo showing the surface morphology of galvanized DP590 sheet with surface defects
將兩種缺陷進(jìn)一步放大進(jìn)行觀察，如圖3所示。從圖中可見，兩類缺陷的形貌均為凹坑。不規(guī)則形狀缺陷凹坑邊緣不存在斜坡，缺陷邊緣截面垂直于基板表面，另外在鋅層晶界處存在微裂紋；而圓點(diǎn)形缺陷形狀為規(guī)則的圓形，缺陷從鍍層表面到基板存在斜坡，鍍層表面圓形直徑約為23.6 μm，靠近基體圓形直徑為18.5 μm 左右，在斜坡上可以觀察到鋅層晶粒截面。
圖3 DP590 鍍鋅板表面不規(guī)則形狀和圓點(diǎn)狀缺陷 Figure 3 Irregular- and round-shaped defects on surface of galvanized DP590 steel sheet
2.2 DP590 鍍鋅板表面缺陷成分分析
采用掃描電鏡能譜儀分析了兩種不同形狀缺陷位置附近的成分。不規(guī)則形狀缺陷表面附近各部位及其成分如圖4、表1所示。從表1可見，在位置1 和位置4，主要成分為鋅元素，含有少量的鋁元素和鐵元素。而在位置2 和位置3 只含有少量鋅元素，主要成分為鐵元素。除此之外，還存在氧元素和高于基體成分的錳元素。有文獻(xiàn)表明，在800 °C 以下較低溫度下加熱還原時(shí)，硅和錳的富集程度相對較高，形成穩(wěn)定性較好的氧化物，使鋅的浸潤性顯著下降[5]。這可能是造成局部漏鍍的主要原因。
圖4 不規(guī)則缺陷附近成分分析測試部位 Figure 4 Positions for composition analysis near irregular-shaped defect
表1 不規(guī)則缺陷附近各部位成分 Table 1 Compositions at different positions near irregular-shaped defect
對表面圓點(diǎn)狀缺陷附近的成分進(jìn)行了分析，測試部位及測試結(jié)果如圖5和表2所示。從圖中可見，位置1 和位置2 處主要成分為鋅，除此之外還有少量的鐵和鋁，說明在此位置浸潤性相對較好，F(xiàn)e2Al5抑制層已經(jīng)形成，并且合金層已經(jīng)開始生長。位置3 主要成分為鋅，并含有少量的鐵，是鋅層截面的成分；位置4的錳元素含量較高，這可能是造成浸潤性較差，未形成抑制層的原因。
圖5 圓點(diǎn)狀缺陷附近成分分析測試部位 Figure 5 Positions for composition analysis near round-shaped defect
表2 圓點(diǎn)狀缺陷附近各部位成分 Table 2 Compositions at different positions near round-shaped defect
3 缺陷成因及預(yù)防措施
3.1 熱軋氧化鐵皮的控制
氧化鐵皮是金屬在加熱、熱處理或在熱狀態(tài)進(jìn)行加工時(shí)形成的一層附著在金屬表面上的金屬氧化物。由于金屬的成分、表面溫度、加熱和冷卻速度、周圍介質(zhì)含氧量等因素的不同，氧化鐵皮的成分與結(jié)構(gòu)也有異。在DP590 鍍鋅板生產(chǎn)過程中，筆者對熱軋?jiān)线M(jìn)行了跟蹤，熱軋板表面紅銹(氧化鐵皮)現(xiàn)象明顯較低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼等合金元素含量較低的鋼種嚴(yán)重。另外，硅、錳原子的擴(kuò)散速度比鐵原子慢得多，因此，它們的氧化物多靠近基鐵部分，甚至成為氧化鐵皮下的單獨(dú)一層氧化物，給帶鋼酸洗帶來很大困難。通過調(diào)整軋制工藝可以對帶鋼表面的氧化鐵皮進(jìn)行控制。
(1) 采用較低帶鋼終軋溫度及卷曲溫度，將終軋溫度設(shè)定為840 °C，卷曲溫度設(shè)定為640 °C。卷取溫度過高，會造成氧化鐵皮中的富氏體(FeO)轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4，給以后清除帶鋼表面上的氧化鐵皮帶來困難。
(2) 適當(dāng)提高帶鋼軋制速度和冷卻速度，在保證帶鋼卷曲溫度的同時(shí)，減少其在水中的停留時(shí)間。因?yàn)檠趸F皮在水中比在空氣中形成得快，因此，在水蒸氣氣氛中停留的時(shí)間愈長，形成的氧化鐵皮就愈多。
采用較大的軋制速度、較低的終軋溫度和卷曲溫度以及較高的冷卻速度，在一定程度上控制了熱軋工序雙相鋼表面氧化鐵皮的形成，為后續(xù)的酸洗工序創(chuàng)造有利條件。
3.2 提高爐體密封性并合理控制氣氛與露點(diǎn)
合金元素含量較高的鋼在還原加熱時(shí)，合金元素在帶鋼表面富集，會對鋼板表面的浸潤性造成影響[6]。對爐內(nèi)氣氛及露點(diǎn)的合理控制可以預(yù)防或減輕帶鋼表面合金元素的氧化富集。因此，可以采用以下方法對爐區(qū)露點(diǎn)和氣氛進(jìn)行優(yōu)化：首先，對加熱爐密封性進(jìn)行測試，對加熱爐漏氣位置進(jìn)行了密封；其次，適當(dāng)提高保護(hù)氣體用量及爐壓，提高未能完全密封的漏孔處保護(hù)氣體流速，防止?fàn)t外氧氣滲入爐內(nèi)，使氧含量處于不損害帶鋼可鍍性的水平。采取上述措施后，爐內(nèi)各段氧含量與露點(diǎn)的對比如表3所示。由表3可見，采取爐體密封及適當(dāng)提高爐壓措施后，爐內(nèi)各段的氧含量及露點(diǎn)均有不同程度的下降。
為使?jié)B入爐內(nèi)的氧氣盡可能與氫氣化合為水，適當(dāng)提高保護(hù)氣體中的氫氣含量，使其達(dá)到0.5% ～ 1.0%。氫含量增加，氫分壓增大，氧分壓、水蒸氣分壓都 減小，這對帶鋼表面氧化物的還原更為有利。另外，經(jīng)常采用便攜式露點(diǎn)測試儀對爐區(qū)各位置的露點(diǎn)進(jìn)行校正，確保露點(diǎn)儀測量的準(zhǔn)確性。若發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)儀測量存在異常，應(yīng)及時(shí)對其重新標(biāo)定。
表3 提高爐壓前后密封爐體內(nèi)各工序氧含量和露點(diǎn)變化情況 Table 3 Variation of oxygen contents and dew points at different workshop sections inside furnace before and after increasing pressure
通過以上措施，有效控制了雙向鋼熱軋氧化鐵皮的生成，減輕了加熱爐內(nèi)高強(qiáng)鋼表面合金元素選擇性氧化問題，提高了帶鋼表面的浸潤性，使高強(qiáng)鋼漏鍍?nèi)毕莸玫接行Э刂啤?/p>
4 結(jié)論
(1) DP590 鍍鋅過程中產(chǎn)生漏鍍?nèi)毕?，其形貌呈現(xiàn)不規(guī)則形和圓點(diǎn)形。不規(guī)則缺陷處基板表面合金元素富集嚴(yán)重，鋅液完全沒有浸潤基板；圓點(diǎn)缺陷處抑制層已經(jīng)形成，合金層已經(jīng)開始生長。
(2) 采用較大的軋制速度、較低的終軋溫度和卷曲溫度以及較高的冷卻速度，可以有效控制氧化鐵皮的生成，為酸洗提供有利條件。
(3) 通過提高爐體密封性和適當(dāng)增加保護(hù)氣體壓力和還原性氣體(氫氣)含量，可以有效減輕鍍鋅基板表面合金元素富集和選擇性氧化問題，較好地解決雙相鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的漏鍍問題。
[1]MILITITSKY M,BELANGER P J,WALP M S.Advanced steel products for lightweighting at DaimlerChrysler North America [C]// Galvatech04 Conference Proceedings.2004: 52-61.
[2]TANG N Y,LIU Y H.Minimizing dross generation in galvanizing [C]// Proceedings of 7thInternational Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet.吹田: 大阪大學(xué),2007: 141-146.
[3]SHAW J,WATANABE K.Steel strength and processing effects on impact deformation for a crash energy management component [C]// SAE 2001 World Congress,2001: 2001-01-1053.
[4]水恒勇,金光燦,陳淑英,等.冷軋雙相鋼在退火過程中的組織和織構(gòu)演變[J].機(jī)械工程材料,2012,36 (4): 26-29.
[5]張啟富,劉邦津,黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,2007.
[6]李九嶺.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅[M].3 版.北京: 冶金工業(yè)出版社,2010.
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圖1 DP590 熱鍍鋅帶鋼表面的黑點(diǎn)狀缺陷 Figure 1 Black point defects on surface of galvanized DP590 strip steel
在存在缺陷的鍍鋅板上截取10 mm × 30 mm 的試樣，在掃描電子顯微鏡下觀測缺陷形貌，并采用能譜分析測試缺陷部位的成分。
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2.1 DP590 鍍鋅板漏鍍?nèi)毕莸男蚊蔡攸c(diǎn)
在掃描電鏡下采用較低放大倍數(shù)(×50)觀察鍍鋅板漏鍍?nèi)毕?，形貌如圖2所示。從圖中可見，鍍鋅板漏鍍?nèi)毕菪蚊卜謨煞N類型，一種為不規(guī)則形狀，尺寸較大，在60 ～ 70 μm；另一種缺陷形貌為圓點(diǎn)，數(shù)量較多，尺寸較第一種缺陷小很多。
圖2 帶有表面缺陷的DP590 鍍鋅板的表面形貌照片 Figure 2 Photo showing the surface morphology of galvanized DP590 sheet with surface defects
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圖3 DP590 鍍鋅板表面不規(guī)則形狀和圓點(diǎn)狀缺陷 Figure 3 Irregular- and round-shaped defects on surface of galvanized DP590 steel sheet
2.2 DP590 鍍鋅板表面缺陷成分分析
采用掃描電鏡能譜儀分析了兩種不同形狀缺陷位置附近的成分。不規(guī)則形狀缺陷表面附近各部位及其成分如圖4、表1所示。從表1可見，在位置1 和位置4，主要成分為鋅元素，含有少量的鋁元素和鐵元素。而在位置2 和位置3 只含有少量鋅元素，主要成分為鐵元素。除此之外，還存在氧元素和高于基體成分的錳元素。有文獻(xiàn)表明，在800 °C 以下較低溫度下加熱還原時(shí)，硅和錳的富集程度相對較高，形成穩(wěn)定性較好的氧化物，使鋅的浸潤性顯著下降[5]。這可能是造成局部漏鍍的主要原因。
圖4 不規(guī)則缺陷附近成分分析測試部位 Figure 4 Positions for composition analysis near irregular-shaped defect
表1 不規(guī)則缺陷附近各部位成分 Table 1 Compositions at different positions near irregular-shaped defect
對表面圓點(diǎn)狀缺陷附近的成分進(jìn)行了分析，測試部位及測試結(jié)果如圖5和表2所示。從圖中可見，位置1 和位置2 處主要成分為鋅，除此之外還有少量的鐵和鋁，說明在此位置浸潤性相對較好，F(xiàn)e2Al5抑制層已經(jīng)形成，并且合金層已經(jīng)開始生長。位置3 主要成分為鋅，并含有少量的鐵，是鋅層截面的成分；位置4的錳元素含量較高，這可能是造成浸潤性較差，未形成抑制層的原因。
圖5 圓點(diǎn)狀缺陷附近成分分析測試部位 Figure 5 Positions for composition analysis near round-shaped defect
表2 圓點(diǎn)狀缺陷附近各部位成分 Table 2 Compositions at different positions near round-shaped defect
3 缺陷成因及預(yù)防措施
3.1 熱軋氧化鐵皮的控制
氧化鐵皮是金屬在加熱、熱處理或在熱狀態(tài)進(jìn)行加工時(shí)形成的一層附著在金屬表面上的金屬氧化物。由于金屬的成分、表面溫度、加熱和冷卻速度、周圍介質(zhì)含氧量等因素的不同，氧化鐵皮的成分與結(jié)構(gòu)也有異。在DP590 鍍鋅板生產(chǎn)過程中，筆者對熱軋?jiān)线M(jìn)行了跟蹤，熱軋板表面紅銹(氧化鐵皮)現(xiàn)象明顯較低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼等合金元素含量較低的鋼種嚴(yán)重。另外，硅、錳原子的擴(kuò)散速度比鐵原子慢得多，因此，它們的氧化物多靠近基鐵部分，甚至成為氧化鐵皮下的單獨(dú)一層氧化物，給帶鋼酸洗帶來很大困難。通過調(diào)整軋制工藝可以對帶鋼表面的氧化鐵皮進(jìn)行控制。
(1) 采用較低帶鋼終軋溫度及卷曲溫度，將終軋溫度設(shè)定為840 °C，卷曲溫度設(shè)定為640 °C。卷取溫度過高，會造成氧化鐵皮中的富氏體(FeO)轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3O4，給以后清除帶鋼表面上的氧化鐵皮帶來困難。
(2) 適當(dāng)提高帶鋼軋制速度和冷卻速度，在保證帶鋼卷曲溫度的同時(shí)，減少其在水中的停留時(shí)間。因?yàn)檠趸F皮在水中比在空氣中形成得快，因此，在水蒸氣氣氛中停留的時(shí)間愈長，形成的氧化鐵皮就愈多。
采用較大的軋制速度、較低的終軋溫度和卷曲溫度以及較高的冷卻速度，在一定程度上控制了熱軋工序雙相鋼表面氧化鐵皮的形成，為后續(xù)的酸洗工序創(chuàng)造有利條件。
3.2 提高爐體密封性并合理控制氣氛與露點(diǎn)
合金元素含量較高的鋼在還原加熱時(shí)，合金元素在帶鋼表面富集，會對鋼板表面的浸潤性造成影響[6]。對爐內(nèi)氣氛及露點(diǎn)的合理控制可以預(yù)防或減輕帶鋼表面合金元素的氧化富集。因此，可以采用以下方法對爐區(qū)露點(diǎn)和氣氛進(jìn)行優(yōu)化：首先，對加熱爐密封性進(jìn)行測試，對加熱爐漏氣位置進(jìn)行了密封；其次，適當(dāng)提高保護(hù)氣體用量及爐壓，提高未能完全密封的漏孔處保護(hù)氣體流速，防止?fàn)t外氧氣滲入爐內(nèi)，使氧含量處于不損害帶鋼可鍍性的水平。采取上述措施后，爐內(nèi)各段氧含量與露點(diǎn)的對比如表3所示。由表3可見，采取爐體密封及適當(dāng)提高爐壓措施后，爐內(nèi)各段的氧含量及露點(diǎn)均有不同程度的下降。
為使?jié)B入爐內(nèi)的氧氣盡可能與氫氣化合為水，適當(dāng)提高保護(hù)氣體中的氫氣含量，使其達(dá)到0.5% ～ 1.0%。氫含量增加，氫分壓增大，氧分壓、水蒸氣分壓都 減小，這對帶鋼表面氧化物的還原更為有利。另外，經(jīng)常采用便攜式露點(diǎn)測試儀對爐區(qū)各位置的露點(diǎn)進(jìn)行校正，確保露點(diǎn)儀測量的準(zhǔn)確性。若發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)儀測量存在異常，應(yīng)及時(shí)對其重新標(biāo)定。
表3 提高爐壓前后密封爐體內(nèi)各工序氧含量和露點(diǎn)變化情況 Table 3 Variation of oxygen contents and dew points at different workshop sections inside furnace before and after increasing pressure
通過以上措施，有效控制了雙向鋼熱軋氧化鐵皮的生成，減輕了加熱爐內(nèi)高強(qiáng)鋼表面合金元素選擇性氧化問題，提高了帶鋼表面的浸潤性，使高強(qiáng)鋼漏鍍?nèi)毕莸玫接行Э刂啤?/p>
4 結(jié)論
(1) DP590 鍍鋅過程中產(chǎn)生漏鍍?nèi)毕?，其形貌呈現(xiàn)不規(guī)則形和圓點(diǎn)形。不規(guī)則缺陷處基板表面合金元素富集嚴(yán)重，鋅液完全沒有浸潤基板；圓點(diǎn)缺陷處抑制層已經(jīng)形成，合金層已經(jīng)開始生長。
(2) 采用較大的軋制速度、較低的終軋溫度和卷曲溫度以及較高的冷卻速度，可以有效控制氧化鐵皮的生成，為酸洗提供有利條件。
(3) 通過提高爐體密封性和適當(dāng)增加保護(hù)氣體壓力和還原性氣體(氫氣)含量，可以有效減輕鍍鋅基板表面合金元素富集和選擇性氧化問題，較好地解決雙相鋼生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的漏鍍問題。
[1]MILITITSKY M,BELANGER P J,WALP M S.Advanced steel products for lightweighting at DaimlerChrysler North America [C]// Galvatech04 Conference Proceedings.2004: 52-61.
[2]TANG N Y,LIU Y H.Minimizing dross generation in galvanizing [C]// Proceedings of 7thInternational Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet.吹田: 大阪大學(xué),2007: 141-146.
[3]SHAW J,WATANABE K.Steel strength and processing effects on impact deformation for a crash energy management component [C]// SAE 2001 World Congress,2001: 2001-01-1053.
[4]水恒勇,金光燦,陳淑英,等.冷軋雙相鋼在退火過程中的組織和織構(gòu)演變[J].機(jī)械工程材料,2012,36 (4): 26-29.
[5]張啟富,劉邦津,黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅[M].北京: 冶金工業(yè)出版社,2007.
[6]李九嶺.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅[M].3 版.北京: 冶金工業(yè)出版社,2010.
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