閆秉昊，王孝建，丁志龍，魏寶民

(上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

20世紀(jì)70年代，美國伯利恒鋼鐵公司研發(fā)出成分為55Al-43.3Zn-1.6Si的合金鍍層，其商品名為Galvalume，即鋁鋅合金鍍層[1]。由于具備優(yōu)異的耐蝕性(為純鋅層的2-6倍)、耐熱性、耐候性、抗高溫氧化、加工性、美觀等性能，熱鍍鋁鋅合金鍍層類鋼鐵產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家電、電氣柜、建筑等領(lǐng)域[2-4]。

在熱鍍鋁鋅產(chǎn)品應(yīng)用過程中，最典型的用戶加工工藝就是折彎、沖壓等成形工藝，由于Al的加入導(dǎo)致了鋁鋅鍍層相比純鋅鍍層韌性較差，在成形的過程中容易出現(xiàn)脫鋅的現(xiàn)象。脫鋅導(dǎo)致產(chǎn)品綜合性能不滿足要求，嚴(yán)重影響用戶使用，給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，也在很大程度上制約了相關(guān)產(chǎn)品的推廣。本文針對熱鍍鋁鋅產(chǎn)品在用戶加工過程中出現(xiàn)的脫鋅缺陷進(jìn)行了詳細(xì)分析，對缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行歸類，同時(shí)針對不同類型的脫鋅缺陷制定了相關(guān)的預(yù)防舉措，顯著降低了脫鋅類缺陷的發(fā)生率，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為用戶處加工脫鋅的熱鍍鋁鋅鋼板試樣，采用Zeiss EVO M15掃描電鏡及其自帶能譜儀(EDS)、Zeiss Axio scope A1金相顯微鏡對脫鋅的熱鍍鋁鋅鋼板進(jìn)行成因分析并提出預(yù)防措施。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 第一類脫鋅缺陷

第一類脫鋅缺陷宏觀形貌如圖1所示，折彎位置目視存在明顯裂痕，裂痕嚴(yán)重位置鋅層已脫落。脫鋅缺陷位置微觀低倍形貌見如2所示，從圖中可以看出，折彎裂痕已貫穿整個(gè)鍍層并深入鋼基體，深度約為170 μm。此外，圖2顯示了脫鋅缺陷的基體金相組織，整體表現(xiàn)為晶粒尺寸的不均勻，靠近上下表面的位置存在明顯粗晶，晶粒度為6.0級，組織為鐵素體+少量游離滲碳體，中部位置晶粒度級別為7.0級，組織為鐵素體+珠光體+少量游離滲碳體，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了明顯的珠光體偏聚現(xiàn)象，如圖3所示。

折彎裂痕處鍍層及合金層截面形貌如圖4所示。從圖中可知，鍍層厚度約23 μm(80 g左右)，合金層厚度約為1 μm，合金層有微裂紋，鍍層和合金層厚度正常，無增厚，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。折彎裂痕處合金層能譜如圖5所示，所含元素主要為Al、Si、Fe、Zn，未檢出O元素和過量的C元素，表明基板和鍍層之間沒有出現(xiàn)氧化和碳化等異?，F(xiàn)象。

通過對脫鋅缺陷的分析，明確了脫鋅缺陷的鍍層處于正常水平，導(dǎo)致脫鋅缺陷的原因是基板組織異常。

圖1 第一類脫鋅缺陷宏觀形貌

圖2 第一類脫鋅缺陷微觀低倍形貌

圖3 第一類脫鋅缺陷微觀高倍形貌

2.2 第二類脫鋅缺陷

第二類脫鋅缺陷宏觀形貌如圖6所示，折彎位置目視存在嚴(yán)重的鋅層起皮剝落。脫鋅缺陷的微觀形貌如圖7所示，從圖中可以看出，脫鋅面和脫鋅背面的鍍層存在明顯差異，脫鋅面鍍層由于折彎存在明顯裂紋，呈斷裂狀，脫鋅背面鍍層連續(xù)無斷裂，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)脫鋅面鍍層厚度較脫鋅背面明顯增厚。進(jìn)一步觀察脫鋅面鍍層和脫鋅背面的鍍層，如圖8和9所示。從圖中可以看出，脫鋅面鍍層厚度約為53.71 μm(200 g左右)，脫鋅背面鍍層厚度約為20.4 μm(75 g左右)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，該產(chǎn)品鍍層設(shè)計(jì)為75 g/75 g，兩面的鍍層厚度實(shí)際均應(yīng)為75 g左右，而脫鋅面鍍層的厚度實(shí)際明顯超標(biāo)，其厚度約為正常要求厚度的3倍左右。

通過對脫鋅缺陷的分析，脫鋅的主要原因是鍍層厚度異常增加，實(shí)際相比設(shè)計(jì)明顯超標(biāo)。

圖4 第一類脫鋅缺陷折彎裂痕處鍍層及合金層截面形貌

圖5 第一類脫鋅缺陷折彎裂痕處合金層能譜(位置1)

圖6 第二類脫鋅缺陷宏觀形貌

圖7 第二類脫鋅缺陷微觀形貌

圖8 第二類脫鋅缺陷脫鋅面鍍層

圖9 第二類脫鋅缺陷脫鋅背面鍍層

2.3 第三類脫鋅缺陷

第三類脫鋅缺陷有兩種類型，第1種宏觀形貌如圖10所示，從圖中可以看出，鋼板在用戶處180°折彎后折彎位置發(fā)生了明顯的鋅層剝落，同時(shí)在鋅層折彎脫落位置旁邊的鍍層表面發(fā)現(xiàn)有零星的黑點(diǎn)。對黑點(diǎn)進(jìn)行了形貌觀察及能譜分析，如圖11和圖13所示，黑點(diǎn)位置形貌表現(xiàn)出了明顯的鍍層缺失，表明此位置鍍層未鍍上，同時(shí)觀察到了明顯的軋制紋路，在軋制紋路上方存在較多顆粒狀物質(zhì)，顆粒物的主要成分為O、Fe，說明顆粒物為氧化鐵物質(zhì)，進(jìn)一步表明基板表面存在明顯的氧化。對折彎位置旁邊鍍層進(jìn)行截面分析，如圖12和圖14所示。從圖12中可以看出，在鍍層和基板之間位置存在厚度為0.6-0.8 μm的一層黑色物質(zhì)，黑色物質(zhì)的主要成分為O、Fe、Al、Zn，其中O含量高達(dá)9 %，說明在鍍層和基板之間存在一層較薄的氧化層。

圖10 第三類第1種脫鋅缺陷宏觀形貌

圖11 第三類第1種脫鋅缺陷黑點(diǎn)微觀形貌

圖12 第三類第1種脫鋅缺陷截面形貌

圖13 第三類第1種脫鋅缺陷黑點(diǎn)能譜(位置2)

圖14 第三類第1種脫鋅缺陷截面能譜(位置3)

第2種宏觀形貌如圖15所示，鋼板折彎位置發(fā)生了明顯掉鋅皮，鋅皮掉落位置鋼板表面呈現(xiàn)棕黑色，目視呈現(xiàn)燒焦?fàn)顟B(tài)。對鋅皮脫落位置的鋼板表面進(jìn)行形貌觀察和能譜分析，結(jié)果如圖17和圖19所示。從圖17中可以看出，表面存在發(fā)白和發(fā)黑兩種形貌，發(fā)黑位置主要成分為C、O、Al、Fe，其中C元素高達(dá)20 %，說明基板表面存在明顯的C殘留。進(jìn)一步對脫鋅位置進(jìn)行截面觀察和能譜分析，結(jié)果如圖18和圖20所示。鍍層發(fā)生明顯脫落，在基板于鍍層之間檢測到富C層，C含量約為6.9 %，進(jìn)一步說明了折彎鋅皮脫落是由于基板表面殘C導(dǎo)致的。

圖15 第三類第2種脫鋅缺陷宏觀形貌

圖16 第三類第2種脫鋅缺陷表面形貌

圖17 第三類第2種脫鋅缺陷截面形貌

圖18 第三類第2種脫鋅缺陷表面能譜(位置4)

圖19 第三類第2種脫鋅缺陷截面能譜(位置5)

表1 三類脫鋅缺陷能譜結(jié)果(質(zhì)量百分含量，%)

3 預(yù)防措施

針對第一類脫鋅缺陷開展調(diào)查，對鋼材的全流程制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其熔煉成分、熱軋工藝、冷軋工藝等均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，包括出廠放行相關(guān)性能：屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率也均能夠滿足放行標(biāo)準(zhǔn)，但是仍然出現(xiàn)了折彎開裂的嚴(yán)重后果，因而懷疑是工藝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。從金相組織發(fā)現(xiàn)有明顯的珠光體聚集，這種組織顯然是異常的，這種異常的組織主要與熱軋冷卻過程密切相關(guān)。對于熱軋冷卻過程，如果卷取溫度過高，會導(dǎo)致精軋后的奧氏體組織在冷卻過程中析出大量的固溶碳，形成珠光體偏聚的組織[5]。解決方案是降低熱軋卷取溫度，加快精軋后的奧氏體的冷卻速率，使固溶碳能夠充分彌散的分布在晶粒之中而不析出聚集。對原工藝進(jìn)行了調(diào)整，熱軋卷取溫度降低50 ℃后，基板形成了晶粒大小均勻且無珠光體偏聚的組織，后續(xù)在用戶處加工再未發(fā)生過此類脫鋅現(xiàn)象。

針對第三類脫鋅缺陷開展調(diào)查，主要是帶鋼表面氧化或殘?zhí)肌ｅ儗又阅軌蚺c基板緊密結(jié)合，主要是由于鍍層中的Al和基板的Fe發(fā)生反應(yīng)生成了冶金結(jié)合的金屬間化合物層，如果帶鋼表面不清潔，如有氧化膜或者殘?zhí)紝?，會阻礙鍍液與基板的反應(yīng)，大幅降低鍍層與基板的結(jié)合力。導(dǎo)致氧化或殘?zhí)嫉闹饕ば蚨问峭嘶馉t。退火爐直燃段、均熱段、冷卻段均會對帶鋼表面狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響，因此要綜合調(diào)控。直燃段主要影響因素為爐內(nèi)氣氛、爐溫、燒嘴狀態(tài)，冷卻段主要影響因素是氧含量、氫含量、露點(diǎn)、爐溫。本類缺陷經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)：氧化的主要原因是由于直燃段燒嘴狀態(tài)異常導(dǎo)致燃?xì)馀c氧氣比例異常進(jìn)而引起帶鋼嚴(yán)重氧化，同時(shí)在均熱段由于爐溫過低導(dǎo)致還原反應(yīng)無法有效進(jìn)行，解決方案是定期對燒嘴進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)更換，同時(shí)適當(dāng)升高均熱段溫度；殘?zhí)嫉闹饕蚴怯捎谥比级螤t內(nèi)氣氛異常波動，苯含量異常升高，導(dǎo)致燃?xì)獠煌耆紵鼵顆粒殘留在基板表面，解決方案是增加燃?xì)鈿夥毡O(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控燃?xì)鈿夥?，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)處理。

4 結(jié)論

通過對鍍鋁鋅產(chǎn)品鍍層折彎脫鋅缺陷分析，明確了三類脫鋅缺陷的產(chǎn)生原因：基板組織異常、鍍層厚度異常增加、基板表面氧化或殘?zhí)肌Ｈ惷撲\缺陷一度成為高質(zhì)量鍍鋁鋅產(chǎn)品的主要制約瓶頸，限制了產(chǎn)品在用戶處的推廣。對于鍍鋁鋅脫鋅缺陷需要全工序統(tǒng)籌考慮，首先要滿足正常的基板組織狀態(tài)，保證基板板形良好，其次做到基板表面清潔，無氧化、無殘?zhí)?、無油污，最后要設(shè)定合理的鍍層工藝，保證產(chǎn)品具備均勻的鍍層厚度，在上述條件均滿足的狀態(tài)下，鍍鋁鋅脫鋅缺陷發(fā)生頻率會大幅降低，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提升。