鋅鋁鎂鍍層黑變?nèi)毕莘治?/h1>
2022-12-01 11:51:08宓小川強少明
寶鋼技術(shù) 2022年5期
陳 圣,胡 瑩,宓小川,強少明
(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)
工業(yè)生產(chǎn)中使用熱鍍鋅工藝對鋼材進行防腐,已經(jīng)有約200年的歷史[1]。最近幾十年,日本和歐洲的學者和企業(yè),相繼開發(fā)了多種成分比例不盡相同的鋅鋁鎂合金鍍層體系[2],并實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)的熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅等鍍層體系,同等厚度的鋅鋁鎂鍍層表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐蝕性[3]和更高的硬度。適當成分比例的鋅鋁鎂鍍層,具有一定程度切邊腐蝕的自愈性[2,4],大大增強了其在實際生產(chǎn)應用中的競爭力。此外,鋅鋁鎂鍍層的焊接、磷化、涂漆、成形[5]性能,與現(xiàn)有工藝均能較好兼容,被廣泛認為是目前鋼材耐蝕鍍層綜合性能的最佳選擇。
在生產(chǎn)上,鋅鋁鎂鍍層鋼板仍可采用連續(xù)熱浸鍍機組生產(chǎn)。目前除了日歐外,國內(nèi)也已經(jīng)有了眾多產(chǎn)線進行生產(chǎn)[6-8]。在生產(chǎn)過程中,由于新的合金元素(鎂)的添加,以及生產(chǎn)工藝的調(diào)整,難免出現(xiàn)一些新的產(chǎn)品缺陷。為了尋找對策以克服缺陷,首要任務便是對缺陷進行微觀分析,辨識其形貌、成分、結(jié)構(gòu)上的異常,然后才能有的放矢,結(jié)合生產(chǎn)工藝流程排查,最終確定解決方案。本文聚焦于鋅鋁鎂鍍層上出現(xiàn)的一種黑變?nèi)毕?采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線光電子能譜(XPS)等方法,對缺陷進行微觀分析。
1 試驗設(shè)備及方法
本文所分析缺陷,出現(xiàn)在國內(nèi)某鋼廠大生產(chǎn)的Zn-1.5%Al-1.5%Mg鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品。產(chǎn)品剛生產(chǎn)完畢涂油卷取,直至兩周以后的目視檢查,均未發(fā)現(xiàn)表面存在明顯異常。3周后的檢查中,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品表面存在較為顯著的黑變斑跡。分析過程中所使用X射線衍射儀為Bruker公司生產(chǎn)的D8 Discover X射線衍射儀,試驗中使用Cu靶X射線源。SEM分析使用日本電子生產(chǎn)的JSM-6490LV型掃描電鏡,加速電壓20 kV。對缺陷的XPS分析是在Ulvac-PHI生產(chǎn)的Quantera SXM系統(tǒng)完成的,配備有單色的Al Kα射線源,并可以使用Ar離子對樣品進行離子濺射,分析面積約為0.5 mm × 0.5 mm。
2 試驗結(jié)果及討論
2.1 缺陷宏觀形貌觀察
宏觀觀察,本文所討論的黑變?nèi)毕莅l(fā)生于鋼板的邊部,黑變斑跡大多呈舌狀,由邊部向中心方向延伸20 cm左右,如圖1所示。
圖1 缺陷宏觀照片及發(fā)生位置示意
2.2 X射線衍射試驗
首先,為了確認缺陷部位與正常部位相比較其鍍層晶體學結(jié)構(gòu)、取向是否發(fā)生變化,對缺陷區(qū)域和正常區(qū)域各自取樣,采用XRD技術(shù)分別進行相分析。對比結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)二者的相結(jié)構(gòu)和取向存在明顯差異,如圖2所示。這說明黑變?nèi)毕莶⒎清儗颖举|(zhì)上有所改變,可能僅僅源自鍍層表層變化。
圖2 正常部位與缺陷部位XRD譜線對比結(jié)果
2.3 表面掃描電鏡形貌觀察及能譜成分定性分析
為了觀察缺陷部位和正常部位的鍍層表面形貌、成分的區(qū)別,使用掃描電子顯微鏡對二者進行了表面形貌觀察。由于材料表面背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)增加而明顯增加,可以用來定性顯示原子序數(shù)的襯度[10],所以試驗中選用了背散射電子成像來進行觀察對比。隨機大量攝取放大100倍的缺陷部位與正常部位表面的背散射電子像灰度照片,對每張照片進行直方圖正規(guī)化處理,隨后將缺陷部位與正常部位照片進行比較。從大量對比照片中可以看出,缺陷部位攝取的照片,與正常部位相比,在合金相表面普遍存在更多深色區(qū)域,如圖3所示。
圖3 正常部位與缺陷部位表面背散射電子像對比
放大缺陷部位合金相表面的深色區(qū)域,換用二次電子成像,以期獲得更好的圖像分辨率,并使用能量色散譜儀(EDS)對其進行成分定性分析,如圖4所示?？梢钥闯?由上述深色區(qū)域采獲的EDS譜線,與普通的合金相區(qū)域相比,在O元素相對應的位置上多出一個小峰。由此可以猜測,黑變的缺陷在微觀上很可能表現(xiàn)為局部的氧化。
圖4 缺陷部位深色區(qū)域與普通區(qū)域二次電子像形貌差異和能譜成分定性分析結(jié)果
2.4 X射線光電子能譜表面及深度分析
鑒于EDS分析具有較大的信息深度,而XPS分析則是對材料表面元素非常靈敏的技術(shù)手段[11],所以可以用XPS方法來確認黑變?nèi)毕輩^(qū)域表面是否有少量的異常元素污染。經(jīng)過檢測,缺陷部位和正常部位所獲得的表面XPS全譜譜線非常相似,除C、O、Zn、Al和Mg外,均未檢測到其他元素,如圖5所示。由此可見,缺陷部位表面與正常部位類似,并沒有發(fā)現(xiàn)異常元素的污染。于是,對缺陷微觀本質(zhì)的懷疑,仍舊集中于對缺陷部位表層氧化狀況是否異常的確認。
圖5 正常部位與缺陷部位表面XPS全譜對比結(jié)果
由于XPS技術(shù)高度的表面靈敏性,使用離子濺射技術(shù)輔助的XPS分析,可以對厚度在幾納米至幾百納米級別的薄層進行詳細的深度分析,從而對于黑變?nèi)毕莶课槐韺优c正常部位的差異進行表征。使用加速電壓為2 kV的氬離子,輔助XPS進行對Zn元素的深度分析,可以看出無論是缺陷部位還是正常部位,Zn元素都僅僅在最表面上表現(xiàn)出化合物狀態(tài)。在離子濺射0.5 min及以后的整個試驗過程中,Zn元素始終保持金屬態(tài),如圖6所示。
圖6 正常部位與缺陷部位Zn元素XPS深度分析初始濺射LMM俄歇譜線對比
使用加速電壓為4 kV的氬離子,輔助XPS對O、Al、Mg元素進行深度分析,將采獲的譜線按照不同濺射時間排列繪制成圖,以圖中的灰度標識譜線信號的強度,由黑至白對應于信號由弱至強,同時圖中的濺射時間與樣品自表面向下的深度存在對應關(guān)系,較長濺射時間對應于較大深度。
從O信號的深度分析圖上可以看出,缺陷部位的O信號,在縱向(濺射時間方向)上的延伸深度比正常部位深,這意味著缺陷部位表層氧化膜的厚度比起正常部位要厚,如圖7所示。
圖7 正常部位與缺陷部位O 1s譜線深度分析對比
對Al元素的深度分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可以分辨出金屬態(tài)的Al和氧化態(tài)的Al在鍍層表層隨深度的分布情況。圖中左側(cè)的Al信號對應于金屬態(tài)Al,從濺射0.5 min后的鍍層次表面一直延伸到鍍層深處;而右側(cè)對應于氧化態(tài)的Al信號,僅僅出現(xiàn)于試驗初始的一段時間內(nèi),說明了氧化態(tài)的Al僅分布于鍍層表層的一定深度內(nèi)。對比正常區(qū)域和缺陷區(qū)域得到的結(jié)果,可以看出氧化態(tài)的Al在缺陷區(qū)域鍍層表層的分布深度要比正常區(qū)域更深。類似地對Mg元素深度分析,同樣也可看出缺陷區(qū)域鍍層表層氧化態(tài)Mg的深度分布要比正常區(qū)域更深,如圖9所示。
圖8 正常部位與缺陷部位Al 2p譜線深度分析
圖9 正常部位與缺陷部位Mg KLL俄歇譜線深度分析
綜合以上XRD、SEM、EDS和XPS等分析手段得到的結(jié)果,不斷排除、聚焦,最終可以鎖定并表征出,黑變?nèi)毕莸奈⒂^本質(zhì)表現(xiàn)是缺陷區(qū)域Al、Mg元素在鍍層表層更深的氧化。結(jié)合缺陷宏觀形貌,可以認為該缺陷反映了帶鋼鍍層表面大尺度上的不均勻氧化。
3 結(jié)論
國內(nèi)某鋼廠低鋁鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品的大生產(chǎn)過程中,鍍層表面出現(xiàn)一種黑變?nèi)毕?。該缺陷在產(chǎn)品剛生產(chǎn)完畢時并不明顯,在3周后的檢查中才發(fā)現(xiàn)在鋼板的邊部表現(xiàn)出較為顯著的舌狀黑變斑跡。經(jīng)過XRD、SEM、EDS和XPS等手段的相繼分析,最終可以確認這種黑變?nèi)毕莘从沉藥т撳儗颖砻鍭l、Mg元素在大尺度上的不均勻氧化。
猜你喜歡
隱蔽失效適航要求符合性驗證分析民用飛機設(shè)計與研究(2020年4期)2021-01-21 09:15:02 深度理解一元一次方程中學生數(shù)理化·七年級數(shù)學人教版(2020年11期)2020-12-14 06:59:52 深度觀察藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年8期)2019-01-14 01:14:28 深度觀察藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年10期)2019-01-08 02:44:26 電力系統(tǒng)不平衡分析電子制作(2018年18期)2018-11-14 01:48:24 深度觀察藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年12期)2018-08-26 06:03:48 電力系統(tǒng)及其自動化發(fā)展趨勢分析山東工業(yè)技術(shù)(2016年15期)2016-12-01 05:31:22 關(guān)于四色猜想中國科技博覽(2016年2期)2016-04-25 20:32:39 分區(qū)域小學生導刊(2016年34期)2016-04-11 00:49:44 基于嚴重區(qū)域的多PCC點暫降頻次估計電測與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:30:52
陳 圣,胡 瑩,宓小川,強少明
(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)
工業(yè)生產(chǎn)中使用熱鍍鋅工藝對鋼材進行防腐,已經(jīng)有約200年的歷史[1]。最近幾十年,日本和歐洲的學者和企業(yè),相繼開發(fā)了多種成分比例不盡相同的鋅鋁鎂合金鍍層體系[2],并實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。相比傳統(tǒng)的熱鍍鋅或熱鍍鋁鋅等鍍層體系,同等厚度的鋅鋁鎂鍍層表現(xiàn)出更加優(yōu)秀的耐蝕性[3]和更高的硬度。適當成分比例的鋅鋁鎂鍍層,具有一定程度切邊腐蝕的自愈性[2,4],大大增強了其在實際生產(chǎn)應用中的競爭力。此外,鋅鋁鎂鍍層的焊接、磷化、涂漆、成形[5]性能,與現(xiàn)有工藝均能較好兼容,被廣泛認為是目前鋼材耐蝕鍍層綜合性能的最佳選擇。
在生產(chǎn)上,鋅鋁鎂鍍層鋼板仍可采用連續(xù)熱浸鍍機組生產(chǎn)。目前除了日歐外,國內(nèi)也已經(jīng)有了眾多產(chǎn)線進行生產(chǎn)[6-8]。在生產(chǎn)過程中,由于新的合金元素(鎂)的添加,以及生產(chǎn)工藝的調(diào)整,難免出現(xiàn)一些新的產(chǎn)品缺陷。為了尋找對策以克服缺陷,首要任務便是對缺陷進行微觀分析,辨識其形貌、成分、結(jié)構(gòu)上的異常,然后才能有的放矢,結(jié)合生產(chǎn)工藝流程排查,最終確定解決方案。本文聚焦于鋅鋁鎂鍍層上出現(xiàn)的一種黑變?nèi)毕?采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線光電子能譜(XPS)等方法,對缺陷進行微觀分析。
1 試驗設(shè)備及方法
本文所分析缺陷,出現(xiàn)在國內(nèi)某鋼廠大生產(chǎn)的Zn-1.5%Al-1.5%Mg鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品。產(chǎn)品剛生產(chǎn)完畢涂油卷取,直至兩周以后的目視檢查,均未發(fā)現(xiàn)表面存在明顯異常。3周后的檢查中,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品表面存在較為顯著的黑變斑跡。分析過程中所使用X射線衍射儀為Bruker公司生產(chǎn)的D8 Discover X射線衍射儀,試驗中使用Cu靶X射線源。SEM分析使用日本電子生產(chǎn)的JSM-6490LV型掃描電鏡,加速電壓20 kV。對缺陷的XPS分析是在Ulvac-PHI生產(chǎn)的Quantera SXM系統(tǒng)完成的,配備有單色的Al Kα射線源,并可以使用Ar離子對樣品進行離子濺射,分析面積約為0.5 mm × 0.5 mm。
2 試驗結(jié)果及討論
2.1 缺陷宏觀形貌觀察
宏觀觀察,本文所討論的黑變?nèi)毕莅l(fā)生于鋼板的邊部,黑變斑跡大多呈舌狀,由邊部向中心方向延伸20 cm左右,如圖1所示。
圖1 缺陷宏觀照片及發(fā)生位置示意
2.2 X射線衍射試驗
首先,為了確認缺陷部位與正常部位相比較其鍍層晶體學結(jié)構(gòu)、取向是否發(fā)生變化,對缺陷區(qū)域和正常區(qū)域各自取樣,采用XRD技術(shù)分別進行相分析。對比結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)二者的相結(jié)構(gòu)和取向存在明顯差異,如圖2所示。這說明黑變?nèi)毕莶⒎清儗颖举|(zhì)上有所改變,可能僅僅源自鍍層表層變化。
圖2 正常部位與缺陷部位XRD譜線對比結(jié)果
2.3 表面掃描電鏡形貌觀察及能譜成分定性分析
為了觀察缺陷部位和正常部位的鍍層表面形貌、成分的區(qū)別,使用掃描電子顯微鏡對二者進行了表面形貌觀察。由于材料表面背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)增加而明顯增加,可以用來定性顯示原子序數(shù)的襯度[10],所以試驗中選用了背散射電子成像來進行觀察對比。隨機大量攝取放大100倍的缺陷部位與正常部位表面的背散射電子像灰度照片,對每張照片進行直方圖正規(guī)化處理,隨后將缺陷部位與正常部位照片進行比較。從大量對比照片中可以看出,缺陷部位攝取的照片,與正常部位相比,在合金相表面普遍存在更多深色區(qū)域,如圖3所示。
圖3 正常部位與缺陷部位表面背散射電子像對比
放大缺陷部位合金相表面的深色區(qū)域,換用二次電子成像,以期獲得更好的圖像分辨率,并使用能量色散譜儀(EDS)對其進行成分定性分析,如圖4所示?？梢钥闯?由上述深色區(qū)域采獲的EDS譜線,與普通的合金相區(qū)域相比,在O元素相對應的位置上多出一個小峰。由此可以猜測,黑變的缺陷在微觀上很可能表現(xiàn)為局部的氧化。
圖4 缺陷部位深色區(qū)域與普通區(qū)域二次電子像形貌差異和能譜成分定性分析結(jié)果
2.4 X射線光電子能譜表面及深度分析
鑒于EDS分析具有較大的信息深度,而XPS分析則是對材料表面元素非常靈敏的技術(shù)手段[11],所以可以用XPS方法來確認黑變?nèi)毕輩^(qū)域表面是否有少量的異常元素污染。經(jīng)過檢測,缺陷部位和正常部位所獲得的表面XPS全譜譜線非常相似,除C、O、Zn、Al和Mg外,均未檢測到其他元素,如圖5所示。由此可見,缺陷部位表面與正常部位類似,并沒有發(fā)現(xiàn)異常元素的污染。于是,對缺陷微觀本質(zhì)的懷疑,仍舊集中于對缺陷部位表層氧化狀況是否異常的確認。
圖5 正常部位與缺陷部位表面XPS全譜對比結(jié)果
由于XPS技術(shù)高度的表面靈敏性,使用離子濺射技術(shù)輔助的XPS分析,可以對厚度在幾納米至幾百納米級別的薄層進行詳細的深度分析,從而對于黑變?nèi)毕莶课槐韺优c正常部位的差異進行表征。使用加速電壓為2 kV的氬離子,輔助XPS進行對Zn元素的深度分析,可以看出無論是缺陷部位還是正常部位,Zn元素都僅僅在最表面上表現(xiàn)出化合物狀態(tài)。在離子濺射0.5 min及以后的整個試驗過程中,Zn元素始終保持金屬態(tài),如圖6所示。
圖6 正常部位與缺陷部位Zn元素XPS深度分析初始濺射LMM俄歇譜線對比
使用加速電壓為4 kV的氬離子,輔助XPS對O、Al、Mg元素進行深度分析,將采獲的譜線按照不同濺射時間排列繪制成圖,以圖中的灰度標識譜線信號的強度,由黑至白對應于信號由弱至強,同時圖中的濺射時間與樣品自表面向下的深度存在對應關(guān)系,較長濺射時間對應于較大深度。
從O信號的深度分析圖上可以看出,缺陷部位的O信號,在縱向(濺射時間方向)上的延伸深度比正常部位深,這意味著缺陷部位表層氧化膜的厚度比起正常部位要厚,如圖7所示。
圖7 正常部位與缺陷部位O 1s譜線深度分析對比
對Al元素的深度分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可以分辨出金屬態(tài)的Al和氧化態(tài)的Al在鍍層表層隨深度的分布情況。圖中左側(cè)的Al信號對應于金屬態(tài)Al,從濺射0.5 min后的鍍層次表面一直延伸到鍍層深處;而右側(cè)對應于氧化態(tài)的Al信號,僅僅出現(xiàn)于試驗初始的一段時間內(nèi),說明了氧化態(tài)的Al僅分布于鍍層表層的一定深度內(nèi)。對比正常區(qū)域和缺陷區(qū)域得到的結(jié)果,可以看出氧化態(tài)的Al在缺陷區(qū)域鍍層表層的分布深度要比正常區(qū)域更深。類似地對Mg元素深度分析,同樣也可看出缺陷區(qū)域鍍層表層氧化態(tài)Mg的深度分布要比正常區(qū)域更深,如圖9所示。
圖8 正常部位與缺陷部位Al 2p譜線深度分析
圖9 正常部位與缺陷部位Mg KLL俄歇譜線深度分析
綜合以上XRD、SEM、EDS和XPS等分析手段得到的結(jié)果,不斷排除、聚焦,最終可以鎖定并表征出,黑變?nèi)毕莸奈⒂^本質(zhì)表現(xiàn)是缺陷區(qū)域Al、Mg元素在鍍層表層更深的氧化。結(jié)合缺陷宏觀形貌,可以認為該缺陷反映了帶鋼鍍層表面大尺度上的不均勻氧化。
3 結(jié)論
國內(nèi)某鋼廠低鋁鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品的大生產(chǎn)過程中,鍍層表面出現(xiàn)一種黑變?nèi)毕?。該缺陷在產(chǎn)品剛生產(chǎn)完畢時并不明顯,在3周后的檢查中才發(fā)現(xiàn)在鋼板的邊部表現(xiàn)出較為顯著的舌狀黑變斑跡。經(jīng)過XRD、SEM、EDS和XPS等手段的相繼分析,最終可以確認這種黑變?nèi)毕莘从沉藥т撳儗颖砻鍭l、Mg元素在大尺度上的不均勻氧化。
猜你喜歡
民用飛機設(shè)計與研究(2020年4期)2021-01-21 09:15:02
中學生數(shù)理化·七年級數(shù)學人教版(2020年11期)2020-12-14 06:59:52
藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年8期)2019-01-14 01:14:28
藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年10期)2019-01-08 02:44:26
電子制作(2018年18期)2018-11-14 01:48:24
藝術(shù)品鑒證.中國藝術(shù)金融(2018年12期)2018-08-26 06:03:48
山東工業(yè)技術(shù)(2016年15期)2016-12-01 05:31:22
中國科技博覽(2016年2期)2016-04-25 20:32:39
小學生導刊(2016年34期)2016-04-11 00:49:44
電測與儀表(2015年5期)2015-04-09 11:30:52
