許明文， 孫朝勇， 高士偉， 李 健， 劉小華， 姚 瑩

(酒鋼宏興股份有限公司a.碳鋼薄板廠， b.鋼鐵研究院， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 前 言

熱鍍鋁鋅板不僅具備優(yōu)異的耐腐蝕性[1]與耐熱性[2]，而且還具有較好的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性[3，4]、良好的耐應(yīng)力腐蝕性[5]以及優(yōu)良的防熱輻射與熱反射性[6，7]，綜合性能優(yōu)異[8-10]，已廣泛應(yīng)用于液晶模組背板、影音設(shè)備等高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。

黑線缺陷是帶鋼鍍層表面連續(xù)的或間斷的黑色條狀印記，這種缺陷不僅影響表面外觀，而且對(duì)后續(xù)的加工使用等環(huán)節(jié)具有嚴(yán)重的不良影響，尤其是在高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域，表面存在這種缺陷的產(chǎn)品是不可接受的。 為此，對(duì)某鋼廠生產(chǎn)的0.8 mm 以下薄規(guī)格鍍鋁鋅板邊部黑線缺陷進(jìn)行了原因分析并提出了改進(jìn)措施，為連續(xù)熱鍍鋁鋅生產(chǎn)高表面質(zhì)量的鍍鋁鋅產(chǎn)品提供理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

以國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的熱浸鍍鋁鋅鋼板為研究對(duì)象，生產(chǎn)工藝主要路線為:煉鋼→精煉→薄板坯連鑄→薄板坯熱軋→酸洗冷軋聯(lián)合機(jī)組→開(kāi)卷→焊接→清洗→退火→鋅鍋熱鍍鋁鋅→表面光整→無(wú)鉻耐指紋鈍化→卷取→包裝。 缺陷材料來(lái)源于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其規(guī)格為厚度0.8 mm、寬度1 120 mm，基板化學(xué)成分見(jiàn)表1。鍍液成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:Al 55.0%，Zn 43.4%，Si 1.6%，鍍層質(zhì)量為單面40 g/m2。

表1 鋼鐵基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 Chemical composition of steel substrate (mass fraction) %

1.2 樣品的制備及表征

將鍍鋁鋅鋼板黑線缺陷樣板與正常樣板切割成25 mm×25 mm 的樣品，缺陷樣與正常樣各加工5 塊。

將黑線缺陷樣品與正常樣品進(jìn)行鍍層鹽酸腐蝕試驗(yàn)，鹽酸濃度為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在酸洗之前用透明膠帶將樣品表面覆蓋一半，另一半進(jìn)行酸洗去鍍層，以便觀察與黑線部位對(duì)應(yīng)位置處的鋼鐵基板是否有缺陷。

將黑線缺陷樣品與正常樣品進(jìn)行超聲波清洗，清洗溶液為酒精，清洗時(shí)間為180 s，清洗干凈后，利用ZEISS Merlin Compact 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡及其附帶的OXFORD X-max N 型能譜分析儀(EDS)對(duì)樣品表面進(jìn)行微觀形貌觀察和微區(qū)元素的定點(diǎn)定性及定量分析。

采用金相專用冷鑲嵌料進(jìn)行鑲樣，經(jīng)粗、細(xì)砂紙研磨后在金相磨拋機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光，利用掃描電鏡及其附帶的EDS 能譜分析儀對(duì)樣品截面進(jìn)行微觀形貌觀察和微區(qū)元素的定點(diǎn)定性及定量分析。 采用CR-400型色差儀對(duì)黑線部位與正常部位進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量黑線部位與正常部位是否存在明顯的顏色變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

黑線缺陷宏觀形貌如圖1 所示。 從圖1 可知，缺陷分布于帶鋼兩側(cè)，距帶鋼邊部10 ～40 mm 范圍內(nèi)，平行于帶鋼軋制方向，上下表面均有，但上表面居多。 上表面黑線出現(xiàn)在光整工序之前，下表面黑線出現(xiàn)在光整工序之后。 采用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸水溶液對(duì)缺陷樣板進(jìn)行腐蝕去掉鍍層，發(fā)現(xiàn)基板上表面有線狀缺陷且與黑線部位明顯對(duì)應(yīng)(見(jiàn)圖2)，基板下表面無(wú)線狀缺陷。

圖1 黑線宏觀形貌Fig.1 Micro-morphology photos of the lower surface

圖2 腐蝕去掉鍍層后的鋼鐵基板表面宏觀形貌Fig.2 Micro-morphology photos of steel substrate surface after removing coating by corrosion

采用CR-400 型色差儀對(duì)黑線部位與正常部位進(jìn)行了檢測(cè)，ΔE平均值為3.5，由于黑線寬度比較窄，實(shí)際ΔE值應(yīng)該大于3.5。 可見(jiàn)黑線部位與正常部位存在明顯的顏色變化。

2.2 微觀形貌

2.2.1 表面微觀形貌

缺陷部位與正常部位的表面微觀形貌如圖3 所示。 從圖3 可以看出，缺陷部位與正常部位均呈現(xiàn)典型的光整表面鋅花形貌特征，兩者的微觀組織無(wú)明顯差異，但缺陷部位較正常部位明顯發(fā)黑。 進(jìn)一步對(duì)樣品進(jìn)行EDS 能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。 從表2 可知，缺陷部位的C、O 含量較高，而該材料所使用的無(wú)鉻耐指紋鈍化液的特征元素是C、O，說(shuō)明缺陷部位的鈍化膜較厚。

圖3 缺陷部位與正常部位表面微觀形貌Fig.3 Surface micro-morphology of defect part and normal part

表2 缺陷部位與正常部位的元素含量Table 2 The element content of defect part and normal part

2.2.2 腐蝕去掉鍍層后的鋼鐵基板表面微觀形貌

圖4 為未鍍的鋼鐵基板與腐蝕去掉鍍層后的鋼鐵基板表面微觀形貌。 由圖4a、4b 可以看出未鍍的鋼鐵基板表面為典型的冷軋平整后帶鋼表面的微觀形貌，基板表面無(wú)缺陷。 由圖4c、4d 可以看出鍍后去鍍層的基板上表面存在線狀缺陷，其下表面比較平整且能夠觀察到明顯的冷軋平整后帶鋼表面的微觀形貌。 進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行EDS 能譜檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鍍后去鍍層基板上表面及下表面的元素含量Table 3 The element content of defect on the upper and lower surfaces of the substrate after removing the coating

從表3 可知，鍍后去鍍層的基板上表面線狀缺陷部位除了鋼鐵基本元素Fe、C 之外，無(wú)其他雜質(zhì)元素，表現(xiàn)為鋼鐵基板表面劃傷的典型特征。

2.2.3 黑線缺陷截面微觀形貌

圖5 為黑線缺陷截面微觀形貌。 從黑線缺陷上表面截面的微觀形貌(圖5a、5b)可知，基板凹凸不平，有明顯的基板劃傷印記，鍍層組織大部分為富Al 相，與正常鍍層組織形貌相比，有明顯差異，且鍍層中夾帶鋼鐵基板組織，表明基板劃傷是在鋅鍋中發(fā)生的。 由于黑線缺陷是斷續(xù)出現(xiàn)的，如果沉沒(méi)輥的輥面存在缺陷，那么黑線缺陷應(yīng)是連續(xù)的，因此排除沉沒(méi)輥輥面缺陷導(dǎo)致的基板劃傷。 另外，由于鋅鍋沉沒(méi)輥為被動(dòng)輥，處于鋅液面以下，沉沒(méi)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)全靠帶鋼與輥面摩擦產(chǎn)生的力矩[11]。 當(dāng)沉沒(méi)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大于帶鋼與沉沒(méi)輥面的摩擦力時(shí)，帶鋼與沉沒(méi)輥發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)致使帶鋼表面被輥面劃傷。

圖5 黑線缺陷截面微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of black line defect cross section

從缺陷下表面截面的微觀形貌(如圖5c、5d 所示)可以看出，從鍍層組織形貌來(lái)看，鍍層組織正常，由內(nèi)外兩層組織構(gòu)成:內(nèi)層為金屬間化合物層，其厚度較薄，約1 μm；外層為合金層，由粗大的α-Al 相平行于基體表面生長(zhǎng)，富Zn 相以及彌散分布的條狀高Si 相夾于α-Al 之間。 從鍍層厚度來(lái)看，鍍層的厚度厚薄不均。由于下表面黑線缺陷產(chǎn)生于光整工序之后，因此帶鋼下表面黑線缺陷主要是由于帶鋼在光整工序過(guò)程中，上下表面在光整輥軋制力作用下，與上下光整輥對(duì)稱形成作用力與反作用力，如圖6 所示，上表面劃傷凹陷部位受到的光整軋制力作用小，而與之對(duì)應(yīng)的下表面受到的光整軋制力作用大，下表面鍍層產(chǎn)生“凹陷微變形”致使鈍化膜較厚，造成與周?chē)渌恢脤?duì)光的反射不同形成了視覺(jué)上的黑線缺陷。

圖6 光整軋制力示意Fig.6 Finishing rolling force diagram

3 改進(jìn)措施

(1)針對(duì)0.8 mm 以下薄規(guī)格小鋅花鍍鋁鋅鋅鍋輥系打滑問(wèn)題，一方面從設(shè)備方面制定措施持續(xù)對(duì)鋅鍋輥系結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，另一方面一旦發(fā)現(xiàn)鋅鍋輥系打滑應(yīng)及時(shí)對(duì)帶鋼速率、鋅鍋張力、自動(dòng)刮刀壓力、鋅鍋輥系位置進(jìn)行調(diào)整，減輕打滑現(xiàn)象。

(2)鋅鍋沉沒(méi)輥輥梁下方增加導(dǎo)向輪，提高刮刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。 對(duì)刮刀執(zhí)行部件直角部位加裝焊接加強(qiáng)筋，提高執(zhí)行部件的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)優(yōu)化輥系裝配標(biāo)準(zhǔn)，確保鋅鍋輥系的裝配精度，保證鋅鍋輥系轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)以及鋅鍋輥面自動(dòng)刮刀的刮渣效果。

(4)對(duì)鋅鍋輥役內(nèi)薄厚規(guī)格的排產(chǎn)、輥役量等進(jìn)行規(guī)范和優(yōu)化，先生產(chǎn)厚規(guī)格磨合鋅鍋輥系，確保沉沒(méi)輥、穩(wěn)定輥在整個(gè)輥役期間轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，減少沉沒(méi)輥堵轉(zhuǎn)的幾率。

(5)引進(jìn)薄規(guī)格鍍鋁鋅板生產(chǎn)專用的鋅鍋輥系及刮刀，如鋅鍋輥系陶瓷套，減少鋅鍋輥系轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力，提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，徹底解決薄規(guī)格鋅鍋輥系堵轉(zhuǎn)的問(wèn)題，提高輥系刮刀精度及刮渣效果。

4 結(jié) 論

(1)帶鋼上表面黑線缺陷主要是由于基板表面劃傷所致，下表面黑線缺陷主要是由于下表面鍍層受到的光整軋制力作用大所致。

(2)上、下表面黑線缺陷處的鈍化膜較厚，與周?chē)渌恢脤?duì)光的反射不同，肉眼呈現(xiàn)黑色。

(3)通過(guò)以上改進(jìn)措施，近期生產(chǎn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)黑線缺陷以及客戶質(zhì)量異議反饋。