連續(xù)熱鍍鋅鋼板具有優(yōu)良的耐腐蝕性、焊接性、成形性和涂裝性等,在汽車、家電、建筑等行業(yè)中應用廣泛。當連續(xù)熱鍍鋅鋼板用作汽車外板時,對其表面質量要求較高,不允許出現(xiàn)夾雜、劃傷、鋅渣等缺陷。當連續(xù)熱鍍鋅鋼板用作家電板時,如裸用的計算機機箱、洗碗機等,對其色差類缺陷要求較高。熱浸鍍是一個復雜的過程,容易產生鋅渣、鋅灰、鋅花不均、鋅層腐蝕等缺陷。筆者采用一系列理化檢驗方法對兩類熱鍍鋅生產過程中出現(xiàn)的點劃傷缺陷進行分析,查明了缺陷產生的原因,并提出相應的解決措施,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

兩類點劃傷缺陷的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：第一類點劃傷缺陷的形貌為上表面無規(guī)律出現(xiàn),缺陷的長度約為20~40 mm,寬度約為0.3 mm,細線中陸續(xù)出現(xiàn)數(shù)個點狀缺陷；第二類點劃傷缺陷的形貌為上表面間斷出現(xiàn)的牛毛狀點狀缺陷,缺陷的長度約為2 mm,寬度約為0.5 mm,尾部存在黑點特征,主要分布于帶鋼寬度的1/4和3/4位置,偶爾出現(xiàn)在帶鋼中部。 

圖  1  兩類點劃傷缺陷的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

兩類缺陷對應材料的化學成分分析結果如表1所示。 

1.3   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

1.3.1   第一類點劃傷缺陷

第一類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌如圖2所示。由圖2可知：缺陷處平整程度較輕,說明該處的鍍層較薄,導致鍍層未被有效平整；缺陷內部鋅層結晶形成的褶皺形貌清晰可見,較平的區(qū)域內發(fā)現(xiàn)數(shù)個尺寸約為20 μm的漏鍍點,且沿劃傷長度方向分布；漏鍍點內部發(fā)現(xiàn)大量絲狀物。 

圖  2  第一類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌

使用能譜儀對絲狀物進行分析,分析位置如圖2c)所示,分析結果如表2所示,可見絲狀物含有較高含量的O、Al、Fe等元素,符合漏鍍的特征。 

將鍍層表面進行部分溶鋅處理,處理后鍍層表面的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知；經過少量溶鋅后,正常區(qū)域處的鋅層仍然保留較多,但缺陷處的鋅層基本已被溶解完畢,即缺陷處的鍍層偏薄,表面漏鍍處下方可見大量的白色顆粒狀物質,其形貌與抑制層有所不同；抑制層是帶鋼入鋅鍋后首先形成的相,在鋅浴中加入約0.2%（質量分數(shù),下同）的Al,Al和Fe的親和力高于Zn和Fe,帶鋼會優(yōu)先與Al反應形成一層數(shù)百納米厚度的Fe2Al5相,稱為抑制層,其目的是提高鍍層結合力；缺陷周圍正常處抑制層的顆粒較稀疏,顆粒的形態(tài)呈現(xiàn)橢圓形,顆粒與顆粒之間的界限明顯,而缺陷處發(fā)現(xiàn)灘狀顆粒物較密集,呈長條形；在抑制層部分位置發(fā)現(xiàn)典型的ζ相,這是鋅鐵之間發(fā)生擴散后形成的相,說明該處的抑制層無法抑制鋅鐵的擴散；合金化熱鍍鋅外板中的典型表面相結構與缺陷中發(fā)現(xiàn)的類似,說明該缺陷中形成了鋅鐵合金相。 

圖  3  部分溶鋅處理后鍍層表面的SEM形貌

在垂直于缺陷處進行切割,制備截面金相試樣,試樣的SEM形貌如圖4所示,在鍍層和基板的界面處發(fā)現(xiàn)典型的ζ相,說明該缺陷與鋅鐵合金相的形成有關。 

圖  4  缺陷處橫截面SEM形貌

使用能譜儀對白色顆粒狀物質和ζ相進行分析,分析位置如圖3c),3e）所示,分析結果如表3所示,發(fā)現(xiàn)白色顆粒狀物質和ζ相含有較高含量的Al、Zn元素,而抑制層中含有較高的Al元素,基本不含有Zn元素。 

1.3.2   第二類點劃傷缺陷

第二類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：缺陷處的鍍層明顯偏薄,且局部存在漏鍍,漏鍍的邊緣發(fā)現(xiàn)大量異物,沒有發(fā)現(xiàn)上述鋅鐵合金相的特征,該缺陷可能與鍍鋅前板面存在異物有關。 

圖  5  第二類點劃傷缺陷鍍層表面的SEM形貌

使用能譜儀對異物處進行分析,分析位置如圖5c)所示,分析結果如表4所示,可見異物主要含有O、Cr等元素。 

將表面鍍層完全溶解去除,基板表面的SEM形貌和面掃描結果如圖6所示。由圖6可知：缺陷處基板表面存在明顯的異物壓入特征,壓入物主要含有O、Cr等元素,且Cr元素的含量較高；異物下方的毛化印被破壞,說明異物壓入發(fā)生在軋機之后,該缺陷出現(xiàn)在鍍鋅入口到鋅鍋段。 

圖  6  基板表面的SEM形貌及面掃描結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知,第一類點劃傷缺陷處有明顯的鋅鐵合金相,其形成原因與鋅灰有關。連續(xù)熱鍍鋅鋅鍋結構如圖7所示,在連續(xù)熱鍍鋅鋅鍋區(qū)域,爐鼻子是連接退火爐與鋅鍋的通道,爐鼻子內部的溫度和濕度分別約為460 ℃,150 Pa,在這種工況環(huán)境下,爐鼻子鋅液面處會發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象,鋅蒸汽彌漫在爐鼻子內部,遇冷發(fā)生凝結,形成鋅灰,伴隨著帶鋼運行、設備振動等,鋅灰逐步掉落到帶鋼表面,形成鋅灰缺陷。 

圖  7  連續(xù)熱鍍鋅鋅鍋結構示意

帶鋼表面存在鋅灰,在高溫的作用下,會迅速發(fā)生鋅鐵之間的擴散反應,在表面生成FeZn7等鋅鐵合金相,與合金化熱鍍鋅中,鋅鐵之間的擴散機制相似,這一過程發(fā)生在帶鋼進入鋅液面之前。在帶鋼進入鋅液后,鋅鍋中因加入了約0.2%（質量分數(shù)）的Al,導致鋅鍋中的Al與Fe更容易結合,首先在基板表面形成Fe2Al5和FeAl3抑制層；缺陷處因存在鋅鐵合金相和部分未反應的氧化鋅,導致表面未能形成抑制層。在氣刀的作用下,出鋅鍋后表面未凝固的鋅液和內部的鋅灰沿帶鋼長度逐漸向下移動,在移動的過程中,形成條狀劃傷缺陷,且部分鋅液發(fā)生凝固,形成點狀缺陷,最終形成多條點坑狀劃傷缺陷,其形成機制如圖8所示。升高爐鼻子露點溫度,使鋅蒸氣在鋅液面發(fā)生氧化反應,在液面形成一層薄氧化膜,抑制鋅蒸氣的繼續(xù)蒸發(fā),可有效防止爐鼻子內產生凝固態(tài)鋅[1-2]。但露點控制不當會使部分水蒸汽凝固在帶鋼表面,形成漏鍍缺陷。因此,在生產實踐中需選擇合適的露點。 

圖  8  點劃傷缺陷形成機制示意

對第二類點劃傷缺陷發(fā)生時進行跟蹤,在退火入口段未發(fā)現(xiàn)類似的缺陷,清洗后出現(xiàn)該類缺陷,說明該缺陷極有可能產生于清洗階段。經過冷軋軋制后,帶鋼表面存在軋制油、鐵粉等臟污,因此在進入連續(xù)退火爐之前,要對表面進行清洗。目前,用于連退機組預清洗工藝的方法主要有：化學清洗法、物理清洗法、電解清洗法、組合清洗法等[3],該機組采用化學清洗和電解清洗的組合方式,其中電解清洗是將帶鋼作為陰極或陽極,在帶鋼表面析出氫氣或氧氣,將附著于帶鋼表面的油膜破壞。機組的電解清洗槽包含了沉沒輥、轉向輥、電解槽、電極板等設備,其中帶鋼兩側存在電極板。在對清洗段檢查的過程中,發(fā)現(xiàn)電解槽陽極板的固定塊缺失,導致陽極板松動[見圖9a）]。陽極板的筋條與帶鋼有接觸磨損,磨損異物造成帶鋼的一側出現(xiàn)點坑狀劃傷,將電解槽陽極板的固定塊重新安裝加固,防止電極板松動[見圖9b）]。 

圖  9  松動及加固后的電極板外觀

3.   結論及建議

第一類點劃傷缺陷的產生與爐鼻子處的鋅灰有關,鋅灰黏附在帶鋼表面,造成表面局部漏鍍以及鋅層的附著性變差,出鋅鍋后,在氣刀的吹掃作用下,局部向下流動,在鋅灰移動的過程中,表面形成點劃傷缺陷。通過合理控制爐鼻子處的露點,可以避免產生該類缺陷。 

第二類點劃傷缺陷與電解清洗段電極板固定塊松動有關,帶鋼在高速經過電極板時,與松動的陽極板筋條發(fā)生碰撞,造成表面劃傷。通過對電極板進行固定,可以避免產生該類缺陷。 

文章來源——材料與測試網