陳志軍，王亮亮

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015）

熱鍍鋅對(duì)鋼鐵具有良好的防護(hù)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(hù)，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(jìn)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(kuò)散等激勵(lì)，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(duì)鋼鐵基體起到良好的物理阻隔防護(hù)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(hù)以及鍍銅防護(hù)方法相比，鍍鋅層可以提供多達(dá)三重的防腐蝕保護(hù)[1]?，F(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(gè)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(huì)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(huì)大大降低鍍層的耐腐蝕性能和對(duì)鋼鐵基體的保護(hù)作用。針對(duì)高強(qiáng)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(diǎn)、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(duì)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(jī)理、材料表面缺陷的影響因素提出對(duì)應(yīng)的缺陷控制方法。

1 分析熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機(jī)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(gè)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(shí)，會(huì)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(duì)鐵銹的酸洗處理會(huì)發(fā)出氫氣氣體，在合金中發(fā)生氫脆。為了防止氫脆對(duì)鋼鐵基體表面產(chǎn)生缺陷，在酸洗過程中還會(huì)加入酸洗溶劑抑制劑。助鍍劑的作用在促進(jìn)基體表面保護(hù)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(jìn)行鍍鋅。在實(shí)際的鍍層過程中需要嚴(yán)格控制鋅液的溫度和成分，及時(shí)清除鋅液中實(shí)時(shí)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(cè)目標(biāo)構(gòu)件是否存在表面缺陷的問題。缺陷檢測(cè)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(duì)存在表面缺陷的材料進(jìn)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(duì)，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)毕荨斄岩约巴蛊鸬热毕蓊愋蚚3]。按照表面缺陷結(jié)構(gòu)的形狀可以將其分為麻點(diǎn)缺陷、亮點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)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(dòng)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(shí)，鐵在鋅液中的飽和溶解度為0.02%，當(dāng)鍍鋅的溫度為450℃時(shí)，若鋅液中的鐵元素含量超過其標(biāo)準(zhǔn)溶解度，那么就會(huì)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?jǐn)?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(shí)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(shí)間的長短、鋅液底部的沉渣打撈狀況等一系列的操作也會(huì)在一定程度上影響材料表面缺陷的產(chǎn)生。

2.4 實(shí)現(xiàn)材料表面缺陷控制

綜上所述，可以針對(duì)不同的表面缺陷類型，針對(duì)其影響因素進(jìn)行針對(duì)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(diǎn)控制和鋅鍋液位差的控制三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)[6]。通過對(duì)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?jǐn)?shù)和濃度。露點(diǎn)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?dú)饣虻獨(dú)涞幕旌蠚怏w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(duì)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(shí)，鋅灰打不充分工件出入鋅液時(shí)，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(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

為了證明提出的材料表面缺陷控制方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。首先準(zhǔn)備相關(guān)的實(shí)驗(yàn)材料和儀器，選擇的鋼鐵基材為鍍鋅高強(qiáng)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(shí)現(xiàn)，分別準(zhǔn)備型號(hào)為DT-100的電子天平、型號(hào)為DT-156的涂鍍層測(cè)厚儀以及型號(hào)為SG2-1.5.1.0的實(shí)驗(yàn)電阻爐等設(shè)備，按照?qǐng)D1表示的工藝流程連接相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)材料在熱鍍鋅復(fù)相鋼工藝的驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量對(duì)比，設(shè)置表面缺陷面積作為此次實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)，通過對(duì)控制前后熱鍍鋅復(fù)相鋼材料表面缺陷面積的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，得出控制性能的測(cè)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(duì)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(duì)熱鍍鋅復(fù)相鋼研發(fā)機(jī)理的分析，在加工工藝的各個(gè)工序中嚴(yán)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(shí)，保證鋅鍍層對(duì)內(nèi)部鋼鐵的保護(hù)作用，使得鋼板總體性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)及用戶的要求。