李積鵬，寧培棟，劉小華，姚 瑩

（1.酒鋼宏興股份有限公司鋼鐵研究院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100； 2.酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

目前，熱浸鍍鋁鋅硅板作為涂鍍產(chǎn)品中最重要、應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品，具有很強的耐蝕性和耐熱性能。其鍍層組織分為兩部分，外層以富鋁相枝晶為骨架，富鋅相分布于間隙，鍍層與基體之間是一層厚度約800 nm的Fe-Al-Si中間層，起到提高鍍層附著性和抑制鋅液和基體劇烈反應(yīng)，避免產(chǎn)生灰色鍍層的作用［1-3］。鍍層組織決定了鍍層性能，富鋁相熔點較高、易鈍化，具有很強的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能；富鋅相電極電位低，作為電化學(xué)反應(yīng)中的陽極起到陰極保護的作用；鋁枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)\的腐蝕產(chǎn)物隔離，避免腐蝕反應(yīng)擴散［4］。綜合了這三個優(yōu)點，鋁鋅硅鍍層的耐蝕性比相同鍍層厚度的鍍鋅板提高了2～4倍，以其優(yōu)異的耐蝕性，主要應(yīng)用于電氣柜、建筑輕鋼龍骨、屋面板、鋼板倉、結(jié)構(gòu)用支管和支架等［5-6］。隨著市場對鋁鋅硅鍍層產(chǎn)品不同環(huán)境下使用要求的提高，相比于鍍鋅板30 %～45 %和鋁硅鍍層板80 %以上的熱反射性能，鋁鋅硅鍍層板因70 %～75 %的優(yōu)異的熱反射性能，介于鍍鋅板和鋁硅鍍層板之間［7］，并且相比于鋁硅鍍層板，工藝簡單、生產(chǎn)成本低，逐漸替代鋁板和鋁硅鍍層板，應(yīng)用于一些使用溫度較高的環(huán)境中，比如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件［8］。

由于純鋅鍍層熔點低，一般情況要求在室溫條件下使用，極限使用溫度為230 ℃，而鍍鋁鋅硅板可以在不超過300 ℃的環(huán)境中長期使用［9-10］。為了研究鍍鋁鋅硅板在不同溫度環(huán)境中鍍層的耐熱性能，將鍍鋁鋅硅板在200～500 ℃保溫不同時間后，觀察鍍層微觀組織變化規(guī)律，研究鍍層耐熱性能，確定鍍層極限使用溫度，保證鍍鋁鋅硅板使用安全性。

1 實 驗

采用0.8 mm厚鍍鋁鋅硅板DC53D+AZ，鍍層重量150 g/m2，樣板取長條狀，有鉻耐指紋表面處理，單面鍍層厚度約25 μm，利用Gleeble試驗機分別將樣板加熱到200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃，每個溫度試驗4塊樣板，分別保溫5 h、24 h、50 h、100 h，保溫結(jié)束后取出自然冷卻，觀察鍍層表面顏色及形貌變化，截取20 mm×20 mm金相樣，經(jīng)過預(yù)磨和機械拋光后在掃描電鏡下觀察截面鍍層組織演變和元素成分變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀變化

在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃ 4種溫度下各保溫5 h、24 h、50 h、100 h后，試樣外觀見圖1，結(jié)果見表1。

表1 實驗后表面外觀變化Tab.1 The change of surface appearance after test

圖1 不同溫度下保溫不同時間后試樣外觀Fig.1 Appearance of samples after heating at different temperature for different time

從外觀顏色及形貌來看，加熱溫度在200 ℃時，表面外觀無明顯變化；加熱溫度達到300 ℃時，鈍化膜受熱發(fā)生黃變，表面產(chǎn)生色差，隨著保溫時間增加，在保溫50 h之后，表面黃變減輕，外觀顏色恢復(fù)正常。在溫度升高至500 ℃時，表面發(fā)生黑變，鈍化膜高溫碳化，且鍍層開裂形成裂紋；保溫5 h時，表面粗糙有手感，存在少量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié)，隨著保溫時間的增加，黏結(jié)的顆粒增多；保溫50 h時，表面存在明顯裂紋，鍍層聚集成網(wǎng)格狀，可能是由于試樣面積較大，鍍層成分凝聚的顆粒匯集成網(wǎng)格狀；保溫100 h時，鍍層發(fā)黑鼓泡，有大量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié)，鍍層表面形成孔洞狀［11］。

由于鍍鋁鋅硅板表面采用有鉻耐指紋鈍化，屬于有機/無機雜化鈍化方式，試樣表面存在有機聚合物成分，容易在高溫環(huán)境中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化分解反應(yīng)，所以造成鈍化膜破損，表面發(fā)生黃變的現(xiàn)象［12］。試樣在加熱溫度300 ℃，保溫5 h時，已經(jīng)交聯(lián)聚合的鈍化膜中的有機成分發(fā)生氧化分解反應(yīng)，鈍化膜受熱發(fā)生黃變，表面產(chǎn)生色差，所以在此時試樣表面變黃［13］；保溫時間增加至50 h時，試樣表面由之前的發(fā)黃轉(zhuǎn)變?yōu)樵镜慕饘偕诉^程是由于表面鈍化膜在持續(xù)高溫環(huán)境中一直進行著氧化分解反應(yīng)，在保溫50 h時，鈍化膜幾乎完全氧化分解，黃邊色差減輕，恢復(fù)為原本的金屬色。在繼續(xù)提高加熱溫度和保溫時間的過程中，由于表面沒有鈍化膜，外觀顏色一直保持原本的金屬色，此現(xiàn)象與楊家云等［14］對于有機/無機鈍化膜高溫下表面狀態(tài)變化結(jié)論一致。

2.2 鍍層截面組織變化

通過掃描電鏡觀察在200～500 ℃加熱溫度，保溫不同時間后鍍層截面組織的演變規(guī)律，如圖2～5所示。用EDS能譜分析試樣截面鍍層和中間層的各元素分布，結(jié)果見表2～5。從截面組織變化來看，在200 ℃時，鍍層組織呈現(xiàn)正常的狀態(tài)，外層以富鋁相枝晶和填充在其中的富鋅相為主，富鋁相輪廓清晰，與基體結(jié)合處是Fe-Al-Si中間層［15］。隨著溫度升高和保溫時間增加，溫度在300 ℃時，鍍層以富鋁相與富鋅相為主，但富鋁相輪廓模糊，呈現(xiàn)逐漸合金化的趨勢。溫度在400 ℃時，鍍層以Zn-Al二元共晶相為主，中間層厚度增加。加熱溫度升高到500 ℃時，鍍層出現(xiàn)厚度減薄、表面高低起伏的狀態(tài)，中間層增厚嚴重，鍍層破碎出現(xiàn)延伸到基體的裂紋。在500 ℃保溫100 h時，鍍層缺失嚴重，局部出現(xiàn)漏鍍、坑洞形貌。

表3 不同溫度下保溫24 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.3 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 24 h

表4 不同溫度下保溫50 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.4 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 50 h

表5 不同溫度下保溫100 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.5 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 100 h

圖2 不同溫度下保溫5 h后鍍層截面組織形貌Fig.2 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 5 h

圖3 不同溫度下保溫24 h后鍍層截面組織形貌Fig.3 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 24 h

圖4 不同溫度下保溫50 h后鍍層截面組織形貌Fig.4 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 50 h

2.3 鍍層和中間層Fe、Si元素分布規(guī)律

不同加熱溫度下保溫不同時間，鍍層和中間層Fe、Si元素分布見圖6，從鍍層和中間層中Fe、Si元素分布變化來看，隨著溫度升高和保溫時間增加，基板中的Fe原子向中間層和鍍層擴散遷移，F(xiàn)e含量逐漸升高，加速了鍍層合金化，形成了Fe4Al13的Fe-Al化合物和FeZn13的ξ相，鍍層耐蝕性降低［16-17］。

圖6 鍍層和中間層中Fe、Si元素分布Fig.6 Distribution of Fe and Si elements in coating and interlayer section

鋁鋅鍍液中Si含量為1.6 %［18］，在基板與鋅液反應(yīng)時，由于Hume-Rothery規(guī)則，Si原子首先固溶于Fe原子，限制了Al原子的擴散，所以Si原子主要集中于中間層，限制了Al/Zn-Fe的劇烈反應(yīng)，避免產(chǎn)生灰色鍍層［19-20］。200 ℃時Si原子在中間層含量達到7.3 %，比基板中的Si含量高得多，也說明了這一點。

原子體積較小的Si原子獲得熱量后活度增大，也從基板向中間層和鍍層擴散遷移。隨著溫度升高和保溫時間增加，分為兩個非穩(wěn)態(tài)擴散過程：（1）基板中的Si原子向中間層擴散，擴散速度為V；（2）中間層Si原子向鍍層擴散，擴散速度為v。兩個過程均為非穩(wěn)態(tài)擴散，根據(jù)菲克定律J=－Ddc/dx，擴散通量J與原子濃度梯度dc/dx呈正比。在200～300 ℃，中間層Si含量降低而鍍層中Si含量升高，在此過程中V＜v；在300～400 ℃，隨著中間層Si原子快速地向鍍層擴散，原子濃度梯度降低，在此過程中V=v，中間層Si含量基本未發(fā)生變化，在400～500 ℃，基板中Si原子不斷擴散導(dǎo)致原子濃度梯度降低，在此過程中V＜v，中間層Si含量快速下降。

而隨著保溫時間繼續(xù)增加，鍍層中Si含量反而呈現(xiàn)下降趨勢，是由于保溫時間的增加導(dǎo)致Si原子向鍍層中擴散偏析，固溶于Zn-Al的金屬化合物之間，形成Zn-Al-Si相，400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布見圖7。

圖7 400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布Fig.7 Distribution of Zn-Al-Si phase in the coating at 400 ℃ for 100 h

3 結(jié) 論

（1）隨著環(huán)境溫度的升高和使用時間的增加，F(xiàn)e元素逐漸向中間層和鍍層中擴散，在不超過300 ℃環(huán)境中，可以長期使用，鍍層組織無明顯變化，可以保證鍍層的耐腐蝕性能。

（2）在環(huán)境溫度超過300 ℃后，鋁鋅硅合金鍍層中的Fe含量直線上升，形成Al-Zn-Fe金屬化合物，鍍層組織合金化，表面裂紋、鼓泡明顯，導(dǎo)致鍍層失效。

（3）鋁鋅硅合金鍍層板在不超過300 ℃環(huán)境中，耐熱性能介于鍍鋅板和鍍鋁板之間，可以替代鋁板和鋁硅鍍層板，應(yīng)用于如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件。