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        鍍鋅制管表面黑變?nèi)毕輽C理及控制策略

        2023-10-15 05:39:38供稿黃友坡王中輝門均磊
        金屬世界 2023年5期
        關(guān)鍵詞:壓下率鍍鋅板鍍鋅

        供稿|黃友坡,王中輝,門均磊

        內(nèi)容導(dǎo)讀 鍍鋅產(chǎn)品廣泛應(yīng)于畜牧、光伏及健身器材制管行業(yè),但制管后表面黑線問題制約著產(chǎn)品的應(yīng)用與推廣。采用X 射線光電子能譜儀對正常區(qū)域與黑變區(qū)域鋅層進行檢測,發(fā)現(xiàn)鍍鋅產(chǎn)品的制管黑線缺陷屬于摩擦類黑變而非腐蝕類黑變。鍍鋅前采用平整機大壓下工藝改善熱軋基板輪廓起伏,改善摩擦條件;基于摩擦實驗研究鈍化膜潤滑性對摩擦磨損的影響,改良鈍化液降低摩擦系數(shù);將改善基板狀態(tài)與改良鈍化液相結(jié)合,最終實現(xiàn)控制鍍鋅制管表面黑變?nèi)毕荨?/p>

        熱基鍍鋅是熱軋基板經(jīng)過酸洗、平整、還原氣氛感應(yīng)加熱處理后進行熱浸鍍鋅和三價鉻酸鹽鈍化處理,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、電器柜、畜牧、汽車結(jié)構(gòu)件等行業(yè),但其在制管使用過程容易發(fā)生黑變?nèi)毕?,不僅影響外觀質(zhì)量,還對其使用性能造成不良影響,給生產(chǎn)廠家和使用客戶帶來巨大損失,成為行業(yè)亟需解決的重要質(zhì)量問題。鋅層黑變一般情況下是指表面出現(xiàn)一層連續(xù)略帶黑色的薄膜,視覺上為呈現(xiàn)灰暗的區(qū)域。從國內(nèi)外關(guān)于鋅層黑變產(chǎn)生原因的相關(guān)研究結(jié)果來看,鋅層黑變產(chǎn)生的主要原因有2 大類:一是腐蝕類黑變,二是摩擦類黑變。

        對于腐蝕類黑變而言,黑變部位與正常部位的差異在于產(chǎn)生了一些鋅的腐蝕產(chǎn)物。游先政[1]對含鉛鍍鋅板產(chǎn)生黑變的原因進行了分析,提出了鍍層中“雜質(zhì)元素”是產(chǎn)生黑變的主要原因,鈍化產(chǎn)生的不均勻相在表面形成電位差,使富集相表面的陽極反應(yīng)活性化,最終導(dǎo)致表面形成了黑變膜類的腐蝕產(chǎn)物。楊芃[2]等人針對涂油無鉻鈍化熱鍍鋅鋼板進行分條加工出現(xiàn)的摩擦條紋缺陷設(shè)計實驗進行分析,發(fā)現(xiàn)該缺陷是由于鋅層尖峰被毛氈磨損下來,形成鋅粉與油的混合物,油在其中起顯色和富集作用從而產(chǎn)生缺陷。亢業(yè)峰[3]針對某廠出口三價鉻熱鍍鋅產(chǎn)品輥壓成形制方管時表面出現(xiàn)“發(fā)黑”情況研究分析,方管表面“發(fā)黑”是由于輥壓過程中鋼板與輥壓機摩擦產(chǎn)生的縱向輥印形成的色差帶。

        本文通過適當(dāng)?shù)谋碚魇侄魏驮囼灧椒ㄑ芯繜峄灞砻鏍顟B(tài)對鋅層性能的影響;通過摩擦磨損實驗研究鈍化膜潤滑性對摩擦磨損的影響,最終確定黑變成因,并采用有效的控制策略控制鍍鋅制管表面黑變?nèi)毕荨?/p>

        缺陷研究

        為了研究熱基鍍鋅板在成型后的黑變?nèi)毕莸奈镔|(zhì)組成,借助激光共聚焦等進行微觀組織觀察(圖1),確定微觀形貌和輪廓;對選取的試樣分別進行X 射線光電子能譜儀測試分析,激發(fā)源為Al Kα 射線(1486.6 eV),以樣品表面污染碳的Cls 結(jié)合能(284.8 eV)定標(biāo)并校正荷電效應(yīng),先對樣品進行快速掃描,得到樣品各元素的總譜圖,然后對O、Zn 和Mn 等元素進行高分辨掃描,獲得各元素電子的結(jié)合能信息,其結(jié)果如圖2 所示。鋅層黑變區(qū)域與正常區(qū)域均存在Zn、ZnO、微量Si,樣品黑色區(qū)域ZnO 略多于白色處,這一結(jié)果符合摩擦導(dǎo)致暴露新鮮純Zn 在空氣中,發(fā)生輕微氧化的效果,Si 元素的存在說明該區(qū)域有三價鉻鈍化膜,其它元素?zé)o明顯差異。黑變?nèi)毕菖c正常區(qū)域有明顯邊界,黑變區(qū)域斜向摩擦痕顯著,摩擦痕方向與板材成形時的運行方向呈斜向。通過以上綜合分析,確定鍍鋅產(chǎn)品的制管黑線缺陷屬于摩擦類黑變而非腐蝕類黑變。

        圖1 缺陷形貌:(a)宏觀形貌;(b)微觀形貌

        圖2 缺陷分析:(a)缺陷選點位置圖;(b)能譜分析1;(c)能譜分析2

        基板粗糙度控制

        鋅層中鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%鍍層定義為純鋅層,5%~23%定義為合金層,23%~98%定義為擴散層。由鐵鋅相圖可知,在熱鍍鋅溫度460~470 ℃ 的范圍內(nèi)時,產(chǎn)生4 個相層[4]。鋅液中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.16%~0.25%時,鋼基和鐵鋅合金之間形成薄且均質(zhì)的中間抑制層Fe2A15。

        當(dāng)基板表面粗糙度較大時,影響基板界面鋁元素的分布?;灞砻娴耐拱计鸱绊懟迮c鋅液的反應(yīng),并影響熱鍍鋅反應(yīng)初期生成的Fe2A15抑制層晶粒大小。即在熱鍍鋅反應(yīng)初期,鋅液中的Al 易吸附在基板的凸起部位,與基板反應(yīng)生成Fe2A15抑制層晶粒迅速長大,顆粒尺寸較粗大,有少量間隙,容易出現(xiàn)抑制層缺失和斷裂,抑制層的缺失或斷裂容易在熱鍍純鋅鍍層中形成硬而脆的Γ 相,破壞鋅層組織均勻性和粘附性。當(dāng)受到外界的壓縮應(yīng)力時,在鋼基體-鍍層界面上就會引起界面剪切應(yīng)力,以鍍層剝離的形式而大量釋放出來[5]。因此,脆性Γ 相最易在棱角上形成,該合金層抗粉化性能差,鍍鋅板在成型過程中容易出現(xiàn)鋅粉脫落現(xiàn)象,使鋼板與模具的接觸摩擦狀態(tài)發(fā)生變化,從而對摩擦行為也有潛在影響,在成形過程中可能會導(dǎo)致接觸面摩擦惡化,加劇磨損。

        基板表面粗糙度是由輪廓算數(shù)平均偏差Ra值及輪廓最大高度Rz值表示[6]。熱軋基板表面及軋輥表面粗糙度隨著軋制公里數(shù)的增加而增加,酸洗后基板板面存在微觀凹凸起伏,表面Ra、Rz值均較冷軋基板的大。適當(dāng)?shù)钠秸麎合侣士梢允蛊秸伇砻娲植诙扔行У膫鬟f到帶鋼表面上,并能通過平整壓下率的不同來控制帶鋼表面粗糙度的大小[7]。大平整壓下率,基板粗糙度Ra與Rz值均減小,如圖3。

        圖3 平整壓下率對熱基板粗糙度的影響

        鍍鋅前采用平整機大壓下工藝控制熱軋基板輪廓,常規(guī)平整壓下率為1.0%,大平整壓下率為2.5%。

        針對熱基鍍鋅板,進一步驗證鍍鋅前采用平整大壓下工藝能夠?qū)彳埢遢喞鸱M行改善,通過掃描電子顯微鏡線掃描鋅層截面結(jié)構(gòu),采用常規(guī)平整壓下率1.0%,視野內(nèi)基板輪廓起伏較大,輪廓最大6.7 μm,凹坑部位鍍層較厚且平整度較差,基板表面的凹坑在鍍鋅時無法形成致密的抑制層Fe2Al5,如圖4;平整壓下率2.5%,視野內(nèi)基板平直,基本無輪廓起伏,截面線掃描元素?zé)o明顯異常,如圖5。試驗結(jié)果可以得出,加大平整機壓下率,基板平直度明顯改善,F(xiàn)e2Al5抑制層完好。對于制管用鍍鋅板,鍍鋅前采用增大平整機壓下率的方法可以改善基板平直度,提高鋅層組織均勻性和粘附性,降低鋅粉脫落,利于改善鍍鋅板與制管輥壓模具的接觸摩擦狀態(tài)。

        圖4 1.0%平整壓下率鍍鋅截面微觀界面形貌(a)及沿箭頭方向的元素線掃描(b)

        圖5 2.5%平整壓下率鍍鋅截面微觀形貌(a)及沿箭頭方向的元素線掃描(b)

        降低鈍化膜摩擦系數(shù)

        為了更好地保護材料,尤其是在材料運輸、儲存過程中保證材料不被大氣腐蝕產(chǎn)生白銹等,工業(yè)上常采用輥涂法在熱鍍鋅基板表面涂覆一層鈍化膜。鈍化劑的種類較多,主要分為六價鉻鈍化劑、環(huán)保鈍化劑以及環(huán)保耐指紋鈍化劑等。馬源[8]等人對高耐蝕型耐指紋熱鍍鋁鋅鋼板沖壓后耐蝕性差并出現(xiàn)黑斑缺陷研究發(fā)現(xiàn),沖壓后試樣與模具發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損,表面殘余耐指紋膜厚度減少超過2/3,鋅層厚度降低,經(jīng)過磨削的涂層及鋁鋅層碎屑堆積在零件表面,導(dǎo)致該處光線反射減弱,視覺顯示發(fā)黑。對不同摩擦系數(shù)的鈍化鍍鋅板在相同壓力作用下發(fā)生摩擦后的表面宏觀形貌進行研究分析,發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)直接影響鍍鋅板的黑變情況。熱基鍍鋅板表面經(jīng)光整處理,鍍鋅板表面粗糙度均勻一致,因而鍍鋅后表面摩擦系數(shù)與鈍化膜的潤滑特性有直接的關(guān)系。

        為改善鍍鋅板的成型性能,國內(nèi)外開展了大量研究,采取了多種措施,期中包括涂覆潤滑油、改變鋼板的表面形貌、對鋼板表面進行鈍化處理等[9]。國外多家化學(xué)品供應(yīng)商也通過增加潤滑助劑,開發(fā)出潤滑性能更好的耐指紋處理劑。為進一步研究鈍化膜潤滑性對鍍鋅表面摩擦磨損的影響,采用摩擦磨損試驗機對不同鈍化工藝生產(chǎn)的熱基鍍鋅板進行了測試:用旋轉(zhuǎn)速度為10~100 r/s 的旋轉(zhuǎn)裝置對試驗樣品在不同壓力下進行旋轉(zhuǎn)摩擦,并測量其摩擦系數(shù);旋轉(zhuǎn)裝置半徑為3、6、9 和12 mm,裝置分別對不同的試樣采用10 N 的壓力進行旋轉(zhuǎn)摩擦試驗。結(jié)果如圖6。通過分析可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)鈍化樣品摩擦系數(shù)上升很快,基本呈現(xiàn)直線上升趨勢,幾乎沒有摩擦穩(wěn)定平臺,而采用改良鈍化液工藝的樣品摩擦穩(wěn)定平臺期都較長,均超過200 s,采用改良鈍化液工藝能明顯降低鍍鋅板摩擦系數(shù)。

        圖6 不同鈍化摩擦系數(shù)對比:(a)常規(guī)鈍化;(b)改良鈍化

        改良鈍化液工藝鈍化涂層分子間容易滑動,不易損傷和破壞,可以顯著降低摩擦系數(shù),鈍化涂層能有效把輥壓模具與鋅層表面隔開,防止了固體表面的直接接觸,盡可能減小了滑動過程中的摩擦阻力,減輕了鋼板表面的損傷,從而避免了鋅層的摩擦發(fā)黑。

        效果驗證

        采用大平整結(jié)合改良鈍化液工藝,與常規(guī)產(chǎn)品客戶使用驗證對比,改進后工藝制管表面無發(fā)黑情況,較常規(guī)工藝有明顯改善,制管成品表面質(zhì)量良好。圖7 為客戶使用后照片對比。

        圖7 客戶使用效果對比:(a)常規(guī)工藝;(b)改進后工藝

        結(jié)束語

        熱基鍍鋅基板輪廓度較冷基板大,鍍鋅前采用增大平整壓下率可有效改善基板平直度,從而得到較優(yōu)良的鋅層結(jié)構(gòu),提高鍍層抗粉化性能,利于改善鍍鋅板與制管輥壓模具的接觸摩擦狀態(tài);采用改良鈍化液工藝,進一步降低鍍鋅板表面摩擦系數(shù),盡可能減小了制管輥壓成形過程中的摩擦阻力,減輕了鋼板表面的損傷,從而避免了鋅層的摩擦發(fā)黑。通過客戶批量使用驗證,制管用鍍鋅板生產(chǎn)采用大平整結(jié)合改良鈍化液工藝控制策略,鍍鋅制管黑線缺陷改善效果顯著。

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