基板表面锈蚀对合金化热镀锌镀层的影响

基板表面锈蚀对合金化热镀锌镀层的影响

赵卫红

河钢邯钢冷轧厂 河北省邯郸市 056003

摘要：近年来，随着合金化镀锌钢板在汽车和家电领域的广泛应用,人们对其质量越来越重视。基于此，本文详细探讨了基板表面锈蚀对合金化热镀锌镀层的影响。

关键词：基板锈蚀；合金化热镀锌；影响

一、合金化热镀锌钢板(GA板)

合金化热镀锌板(GA板)是将出锌锅后的GI板经气刀吹扫后送入450～550℃的合金化退火炉中进行扩散退火处理,得到Fe含量为7～15％的Zn-Fe合金镀层的过程。因合金化热镀锌钢板镀层由Zn-Fe合金组成,所以其镀层具有优良的耐蚀性、涂装性、焊接性及较高的表面强度,成为近年来发展最快的钢材品种之一。

1、耐蚀性。经扩散退火处理后的Zn-Fe合金镀层,在其表面形成一层较厚且致密不溶解于水的非活性氧化膜,能有效阻止镀层表面氧化的进一步进行,提高镀层耐蚀性。镀锌钢板在大气中以电化学方式腐蚀,Zn-Fe合金镀层电极电位介于铁与纯锌层间,因此,合金化处理后的Zn-Fe合金镀层耐蚀性要比纯锌镀层好。

2、涂漆性。合金化热镀锌板被用作外板和一些覆盖件时,镀层表面经常要进行涂漆处理,因此,镀层的涂装性能是合金化热镀锌板的重要性能指标之一。

镀层涂漆性能受镀层表面状态影响。GA板镀层表面由不同Fe含量的Zn-Fe合金组成,晶粒组织的大小和形貌对镀层表面状态有很大影响。有研究发现,合金化热镀锌钢板表面粗糙度对镀层的涂装性、涂装后的反光性、象清晰度和鲜映性,以及镀层的冲压成型性等有着很大影响。表面粗糙度越大,漆膜附着力越强。

3、焊接性。合金化热镀锌钢板在拼接中要大量焊接,其焊接性直接影响焊接电极使用寿命,焊接性是镀锌钢板的一个重要性能。

合金化镀层板在拼装焊接时,镀层中的Zn-Fe合金相可有效抑制金属Zn与电极间的反应,从而提高电极使用寿命。焊接中,焊接电极的尖端会形成一个凸起，既避免在镀层表面产生空洞,又能使电极维持较高焊接电流密度,提高电极寿命。

二、试验材料及方法

试验所用的NbTi-IF钢基板成分为：w_C≤0.003％、w_Si≤0.030％、w_Mn为0.100～0.200％、w_P≤0.012％、w_S≤0.010％、w_Nb≤0.016％、w_Ti≤0.025％。模拟试样外观如图1(a)所示，尺寸为220mm*120mm，厚度0.8mm。在热镀锌模拟试验前，将试样脱脂、冲洗并吹干处理，在室内放置一周后试样表面出现轻微的局部锈蚀现象，锈蚀局部放大后如图1(b)所示。图1(c)为合金化热镀锌完成后的试样外观，其中镀锌面积为150mm*120mm，试样上部70mm*120mm的面积为退火后的基板表面。

图1 镀锌前后模拟试样外观

使用上述局部锈蚀试样，在第四代IWATANI热镀锌模拟器(HDPS)上进行热镀锌模拟试验。热镀锌模拟器由冷却室、红外加热炉、感应加热器、气刀、锌锅等部分组成，模拟试样由丝杆带动，可沿竖直方向在各部分间高速移动，具备连续退火、纯锌热镀锌、合金化热镀锌功能。具体过程及相关参数为：

①退火。试样在红外加热炉内以5K/s的升温速率加热至800℃，并保温100s，退火气氛为N₂+5％H₂，露点为-30℃。

②冷却。退火后钢板在冷却室内由N₂+H₂的混合气体冷却至试样入锌锅温度470℃。

③镀锌。试样高速浸入锌锅，并在锌锅内保持3s完成热镀锌，锌锅温度为465℃，锌锅Al含量为0.125％。

④镀层厚度控制。试样出锌锅后经气刀，获得约10µm的镀层厚度。

⑤调节感应加热器的功率及试样经过感应加热器的速度，使试样经过感应加热器后温度达到480℃，并进入红外加热炉，在480℃保温20s，最后冷却至室温，获得Fe含量约10％的GA镀层。

用数码相机记录试样镀锌前后相同位置外观。分别在锈蚀轧硬板、连退后钢板、GA钢板表面取样，在带能谱(EDS)的S4200扫描电镜(SEM)下观察退火前及还原退火后锈蚀位置形貌，观察锈蚀位置镀层表面形貌，使用添加缓蚀剂的盐酸将锌层溶掉后观察基板表面形貌，并与正常位置对比；在DM6000光学显微镜下观察锈蚀位置镀层截面金相，并与正常位置对比。

三、试验结果与讨论

1、基板表面的锈蚀及其还原后的形貌。分析结果显示，锈蚀位置Fe元素和O元素的原子比接近2：3，判断锈蚀产物为Fe₂0₃。

经还原退火后，锈蚀位置的Fe₂0₃被还原成Fe，局部放大后，可见锈蚀还原产物的晶界，其平均晶粒尺寸约为0.7µm，最小可达0.2µm，最大不超过2µm。正常位置结晶后的平均晶粒尺寸约17µm，最小及最大晶粒尺寸分别约8µm和40µm。相比之下，锈蚀还原产物的晶粒尺寸不到基板再结晶晶粒尺寸的5％。

2、GA镀层及溶锌后的基板形貌。在轧硬板锈蚀较为集中的位置，合金化热镀锌镀层表面可见明显白色，表明基板表面轻微锈蚀对GA镀层外观有显著影响。

锈蚀、正常位置的镀层均以 相为主，但形貌上有所不同，前者镀层表面平且光滑， 相轮廓不清晰，后者的 相轮廓清晰，且彼此间空隙较多。锈蚀位置镀层平均铁含量为10.7％，比正常位置镀层平均铁含量略高，这说明锈蚀位置的镀层合金化程度较高。另外，两个位置的镀层厚度也存在差异，锈蚀位置镀层略厚，约12µm，局部最厚位置可达15µm，而正常位置镀层厚度均匀，约10µm。

此外，在锈蚀位置已观察不到锈蚀的还原产物，仅在局部可观察到一些小颗粒。同时，这些颗粒的O含量高，应为还原退火时未被充分还原的Fe₂0₃，这些Fe₂0₃颗粒在镀层合金化过程中并未完全消耗掉。另外，锈蚀位置溶锌后的基板表面特征与正常位置基本相同，均为锌铁扩散后留下的比较均匀的界面特征。

3、讨论。以上结果表明，基板表面轻微局部锈蚀会对GA镀层产生明显影响，主要表现为锈蚀位置的GA镀层比周围镀层白，在镀层表面表现为白色斑迹缺陷。与正常位置相比，锈蚀位置镀层主要具有以下特征：Fe含量略高、镀层略厚、镀层表面较平。正是由于镀层表面比周围平，所以反射光线的能力较强，从而使锈蚀位置的镀层看起来比周围镀层白。

需注意的是，若不是锈蚀位置溶掉锌层后的基板表面残留一些Fe₂0₃颗粒，很难发现基板表面差异。当出现这一类斑迹缺陷时，微观分析往往较难从溶锌后的基板表面上找到缺陷成因。若锈蚀较严重，锈蚀还原产物厚度较大时，到锌铁扩散结束可能还会有部分锈蚀的还原产物残留，此时也可判断缺陷成因。

这种基板表面锈蚀引起的白色斑迹缺陷主要是对GA镀层的外观有影响，对镀层结合力基本无影响。当这种外观差异较明显时，对表面质量要求苛刻的用户而言是一种不能接受的外观缺陷。是否对其它方面有影响，还取决于基板表面锈蚀的严重程度，只有当基板表面锈蚀轻微时，形成的斑迹缺陷才不会影响冲压和涂装，若锈蚀较严重，形成的明显斑迹缺陷会影响涂装效果。因此，在GA镀层生产时，需避免基板表面出现锈蚀，可选择合适的轧制乳化液、对轧硬板进行必要的包装、缩短轧硬板在库时间、控制环境湿度等。在热镀锌机组上，加强入口段的清洗能力，使用磨粒刷辊等也能减轻基板表面锈蚀对GA镀层的影响。

参考文献：

[1]顾明元.影响合金化热镀锌钢板成形性的因素[J].钢铁研究学报,2015(03).

[2]陈光南.塑性变形导致的镀锌板基体表面粗糙化现象[J].塑性工程学报,2015(06).