黃才根 儲雙杰 胡廣魁

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

熱鍍鋅能有效改善鋼材的耐腐蝕性能，因此熱鍍鋅高強鋼被廣泛應用于汽車行業(yè)[1-2]。生產中發(fā)現，寶鋼的熱鍍鋅高強鋼板材的頭、尾部鍍層有脫落現象，對熱鍍鋅機組的產量和成本控制有較大的負面影響。本文對高強鋼板鍍鋅層脫落的原因進行了系統(tǒng)分析，提出了解決這一問題的措施。

1 試驗材料與方法

1.1 鍍層脫落的鋼板

折彎時發(fā)生鍍鋅層脫落的1 000和800 MPa級高強鋼板如圖1所示。圖1表明，鋼板經不同程度折彎變形后鋅層幾乎完全脫落，1 000 MPa級鋼板不僅彎曲變形的部位鍍鋅層脫落，相鄰未變形區(qū)也發(fā)生了鋅層脫落。800 MPa級鋼板鋅層脫落后的表面較光滑，而且僅彎曲變形區(qū)發(fā)生鍍鋅層脫落。

圖1 鋅層脫落的1 000（a）和800 MPa（b）級鋼板Fig.1 1 000 （a）and 800 MPa（b）grade steel sheets separating zinc coating

1.2 測試方法

采用ZEISS EVO MA25型掃描電子顯微鏡和能譜儀對鍍鋅層脫落的鋼板表面和截面形貌及成分進行檢測分析；采用Zeiss Axio Imager A2m型多功能光學顯微鏡對鍍鋅層脫落鋼板的截面形貌進行觀察分析。

2 結果與分析

2.1 1 000 MPa級鋼板

2.1.1 鍍鋅層脫落區(qū)的表面形貌和成分

采用導電膠將鋅層脫落區(qū)鋅層剝離，檢驗鋼板的表面形貌和成分。圖2（a）為鋼板鋅層脫落區(qū)的表面微觀形貌，表面光滑；圖2（b）為背散射電子圖，鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的表面有疏松。能譜分析表明（圖2（c，d）及表1），鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的表面除含有少量Mn、Al外，還含有較多的Fe和少量的O，說明該區(qū)域除形成Fe2Al5抑制層外還形成了還原鐵層。

圖2 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)表面的二次電子圖（a）、背散射電子圖（b）和能譜分析（c，d）Fig.2 Secondary electron image（a），backscattered electron image（b）and energy spectrum analysis（c，d）of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表1 圖2（c）中位置1處的能譜分析結果（質量分數）Table 2 EDS analysis result of position 1 in Fig.2（c）（mass fraction）%

2.1.2 鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌

鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌如圖3所示。圖3表明，鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的上、下表面均有還原鐵層，使鍍層與基體明顯分離，這就是鋼板鍍鋅層脫落的原因。

圖3 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)域截面的上（a）和下（b）部的電子背散射圖Fig.3 Electron back scattered images of upper（a）and lower（b）portions of cross-section of area separate from zinc coating on the steel sheet

2.1.3 鍍鋅層脫落區(qū)表面抑制層形貌

熱浸鍍鋅過程中，鋼板與鋅液中的Al首先形成均勻致密的Fe2Al5抑制層，這是確保熱鍍鋅鋼板鍍層不脫落的關鍵[3]。抑制層越均勻致密，鍍鋅層與鋼板的結合力越大，越不易脫落。圖4為鋼板脫鋅區(qū)鍍層與基體間的抑制層形貌，比較均勻，能確保鍍層不脫落，也說明鋼板鍍鋅層脫落是還原鐵層剝落所致。

圖4 鋼板鋅層脫落區(qū)表面抑制層的二次電子圖Fig.4 Secondary electron images of the inhibition layer of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

2.2 800 MPa級鋼板

2.2.1 鋅層脫落區(qū)的表面形貌和成分

圖5及表2為800 MPa級鋼板鍍鋅層脫落區(qū)表面的微觀形貌和能譜分析。結果表明，鋼板鋅層脫落區(qū)的表面有分層現象。如圖5（c）所示，樣品位置1和2處的成分有很大差異，位置1含有Al、Mn、Fe和Zn，說明此處為鍍鋅層與鋼板發(fā)生反應而形成的抑制層；而位置2處僅有Mn和Fe，說明抑制層不連續(xù)，還存在還原鐵層區(qū)域。

圖5 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)域表面的微觀形貌（a，b）和能譜分析（c，d）Fig.5 Micrographs （a，b）and energy spectrum analysis （c，d）of the surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表2 圖5（c）中不同位置處的能譜分析結果（質量分數）Table 2 EDS analysis results of different positions in Fig.5（c）（mass fraction） %

2.2.2 鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層及還原鐵層形貌

圖6（a）為鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層形貌，均勻而致密。鋅層脫落區(qū)的抑制層與正常區(qū)域的抑制層的形貌無明顯差異。圖6（b）為還原鐵層形貌，呈疏松狀，說明是折彎變形過程中還原鐵層與鋼板的結合力不足而發(fā)生剝落，進而導致鍍鋅層脫落。

圖6 鍍鋅層溶解后鋼板表面的抑制層（a）和還原鐵層（b）的微觀形貌Fig.6 Micrographs of the inhibition layer（a）and reduced iron layer（b）on the steel sheet after zinc coating being dissolved

2.2.3 脫落的鍍鋅層形貌和成分

圖7（a，b）為脫落的鍍鋅層內表面（鋅層與鋼板接觸面）形貌，可見鋅層與鋼板間的界面具有準解理開裂特征，且鋅層表面有還原鐵層，說明還原鐵層與鋼板之間的結合力不大。圖7（b）表明，還原鐵層脆性較大，在鍍鋅層脫落前就已開裂和剝離。鍍鋅層內表面的能譜分析結果（圖7（c，d）及表3）顯示，鋅層與鋼板結合的表面Fe和Al含量均較高，此處可能發(fā)生了Fe與Al的反應，并因Fe含量較高而形成了還原鐵層。

圖7 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)內表面的微觀形貌（a，b）和能譜分析（c，d）Fig.7 Micrographs（a，b）and energy spectrum analysis（c，d）of the inner surface of area separate from zinc coating on the steel sheet

表3 圖7（c）中不同位置處的能譜分析結果（質量分數）Table 3 EDS analysis results of different positions in Fig.7（c）（mass fraction） %

2.2.4 鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌

圖8（a）為鋼板鍍鋅層脫落區(qū)的截面形貌，鍍層與基體之間有微小的裂縫和還原鐵層，鋼板表面組織明顯比內部粗大。圖8（b）表明鍍層與鋼板明顯剝離，還原鐵層黏附在鍍鋅層上，鋼板表面組織明顯比內部粗大。鋼板與鍍層之間未發(fā)現異物殘留，這進一步說明鋼板鍍鋅層脫落是還原鐵層剝落所致。

圖8 鋼板鍍鋅層脫落區(qū)截面的微觀形貌Fig.8 Micrographs of the cross-section of area separate from zinc coating on the steel sheet

3 熱鍍鋅生產工藝

寶鋼的熱鍍鋅工藝流程為預熱→火焰加熱→輻射管加熱→緩冷→快冷→鍍鋅，其最大的特點是采用天然氣火焰加熱到300～700℃?；鹧婕訜釥t包含5個區(qū)域，1～3區(qū)為燒嘴混合形式，4～5區(qū)為預混形式。采用空氣與燃氣比例不同的火焰加熱能使鋼板表面發(fā)生不同程度的預氧化。

高強鋼板通常含有Si、Mn等元素，這些元素在熱鍍鋅過程中易富集于鋼板表面而發(fā)生氧化[4-7]，從而使鋅液與鋼板隔離，影響鍍鋅的正常進行。通常，在H2體積分數低于5% 、露點低于－30℃、氧含量低于100×10－6的氣氛中，Si、Mn會優(yōu)先發(fā)生氧化（圖9），生成硅酸錳（MnSiO2）、氧化錳（MnO）、二氧化硅（SiO2）等氧化物，影響鋅液與鋼板的接觸，導致漏鍍甚至鋅層脫落[8]。

圖9 某些合金元素的選擇性氧化原理圖Fig.9 Schematic diagrams of selective oxidation of some alloy elements

為避免合金元素在鋼板表面發(fā)生富集氧化，可通過控制加熱氣氛的成分使鋼板表面形成預氧化層，從而使合金元素在鋼板表面以下的部位發(fā)生氧化，即內氧化，同時也使鋼板表面形成氧化鐵層。預氧化的鋼板進入含有氫氣的還原性氣氛退火爐中，氫氣能使鋼板表面的氧化鐵層還原形成還原鐵層，隨后進入鋅鍋。熱鍍鋅時鋼板表面的還原鐵層首先與鋅液中的Al發(fā)生反應生成致密均勻的抑制層，有利于改善鋅層與基體的附著性。但如果預氧化層過厚，還原后易形成過厚的還原鐵層，過厚的還原鐵層易脫落，導致鍍鋅層脫落。檢查發(fā)現，鍍鋅層脫落的1 000和800 MPa級鋼板是采用空氣與燃氣的比例為0.98的火焰加熱的，鋼板頭部加熱段火焰的空氣與燃氣比例變化較大，最大值可達1.01，這是造成鋼板頭部預氧化過度從而導致鍍鋅層脫落的原因。

根據以上分析結果，采用空氣與燃氣比例不同的火焰加熱鋼板進行預氧化試驗，結果如表4所示。

表4 火焰加熱爐空氣與燃氣比例對熱鍍鋅高強鋼板鋅層脫落的影響Table 4 Effect of the ratios of air to gas in flame heating furnace on separation of zinc coating on high-strength hot-dip galvanized steel sheet

上述結果表明，火焰加熱爐的空氣與燃氣比例對熱鍍鋅高強鋼板的鋅層脫落有很大影響。采用空氣與燃氣比例不大于0.92的火焰加熱的鋼板鍍鋅層脫落，主要是非還原鐵剝離所致；采用空氣與燃氣比例為0.92～0.98的火焰加熱的鋼板鍍鋅層不脫落；采用空氣與燃氣比例不小于1.00的火焰加熱的鋼板鍍鋅層脫落，主要是還原鐵層剝離即火焰加熱預氧化過度所致。

4 結論

（1）1 000和800 MPa級熱鍍鋅高強鋼板的鋅層脫落是抑制層下面的還原鐵層剝落所致。還原鐵層的形成是火焰加熱爐空氣與燃氣比例不當，導致鋼板表面氧化鐵過多，隨后退火還原形成過厚的還原鐵層，雖然表層的還原鐵層與鋅液反應形成致密的抑制層，但下部的還原鐵層結構疏松，折彎變形時極易剝離導致鋅層脫落。

（2）鋼板的預氧化程度明顯影響鍍鋅層與基體的結合力和鍍層的表面質量，生產中需根據鋼種將火焰加熱爐的空氣與燃氣比例控制在0.94～0.98。