白會(huì)平 周元貴 周小舟 雷澤紅 謝 芬 楊 芃

(1.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司冷軋廠 湖北 武漢：430083)

相比于普通鋼板而言，連續(xù)熱鍍鋅產(chǎn)品具有美觀、耐腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、家電、汽車、電子等各個(gè)領(lǐng)域。在鋼帶表面熱鍍一層鋅層后，耐腐蝕性能大幅度提升。熱鍍鋅層屬于典型的陽(yáng)極型覆蓋涂層，對(duì)鋼板的保護(hù)作用有兩種：屏蔽保護(hù)和電化學(xué)保護(hù)[1,2]。鋼板表面鍍鋅層能將鋼板與腐蝕環(huán)境隔離開來(lái)，當(dāng)鍍鋅板表面完好時(shí)，只發(fā)生鋅的腐蝕，由于鋅腐蝕產(chǎn)物對(duì)鋼板表面有較好的保護(hù)作用，所以腐蝕速度會(huì)非常慢，壽命是未鍍鋅鋼板的15-30倍。即使鍍鋅板在加工、安裝、使用過(guò)程中，表面發(fā)生劃傷，或者其他原因造成表面局部破壞，鋼帶從傷口中暴露在環(huán)境之中，在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，由于鍍鋅層的電位比鐵低，是腐蝕電池的陽(yáng)極，因此受到腐蝕，鐵是陰極，只起到傳遞電子的作用，從而受到保護(hù)。

合金化熱鍍鋅(GA)板是當(dāng)前熱鍍鋅鋼板研究中最活躍的領(lǐng)域之一[3,4]。合金化鍍鋅板就是以純鋅熱鍍鋅鋼板為基板，進(jìn)行合金化處理而得到。GA板生產(chǎn)工藝是把經(jīng)過(guò)表面處理的鋼板退火后，在鋅池中浸鍍幾秒鐘，經(jīng)鋅鍋鍍鋅并由氣刀控制鋅層的厚度，然后到鋅鍋上方的合金化爐經(jīng)擴(kuò)散退火處理，通過(guò)Fe和Zn的互相擴(kuò)散，使鋅層轉(zhuǎn)變成Fe-Zn合金層。與普通的熱鍍鋅鋼板相比，合金化鍍鋅板具有更好的耐腐蝕性、耐熱性、涂著性、焊接性和成形性，因此廣泛應(yīng)用于汽車車身制造領(lǐng)域。

金屬鍍層的腐蝕行為取決于鍍層的織構(gòu)、形貌和化學(xué)成分[5-7]。本文采用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)研究了影響GA鋼板腐蝕行為的關(guān)鍵因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料是兩種合金化熱鍍鋅鋼板，均在武鋼有限各分廠完成。其完整工藝流程為：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→連鑄→板坯檢查及清理→板坯加熱→熱連軋→層流冷卻→除鱗→酸洗連軋→熱鍍鋅→合金化(ZF)→光整→包裝。二者除基板材料不同外，其鍍鋅工序的機(jī)組速度、鋅液組成、鋅液溫度以及合金化溫度等工藝參數(shù)完全相同，分別命名為1號(hào)和2號(hào)樣板，其鋅層重量均控制在50/50g/m2，實(shí)際測(cè)得1號(hào)和2號(hào)樣板鋅層厚度分別為50.8g/m2和50.9g/m2，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 合金化鍍鋅板化學(xué)成分(wt%)

鹽霧試驗(yàn)采用SUGA鹽霧試驗(yàn)箱，試驗(yàn)條件如下：NaCl溶液濃度為5%；試樣擺放角度為30°；鹽霧箱溫度按35±2℃控制；噴咀壓力為0.5MPa。試樣大小為75mm×150mm，試樣表面平整，無(wú)擦劃傷；試樣表面用酒精棉球進(jìn)行擦洗，保證試樣表面潔凈無(wú)油污；試樣邊部用專用透明膠帶進(jìn)行封邊處理。鹽霧試驗(yàn)需要平行試樣3塊，鹽霧時(shí)間為72h。

采用Quanta 400掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)GA鋼板的表面和截面微觀形貌進(jìn)行觀察；將GA鋼板表面輕微的拋光，采用光學(xué)顯微鏡觀察鍍層中的裂紋分布。

采用Dektak XT光學(xué)表面輪廓儀檢測(cè)合金化鍍鋅板表面粗糙度。采用輝光放電光譜儀(GDOES)分析Fe、Zn、Al元素在鍍鋅板表面的分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽霧實(shí)驗(yàn)

本次鹽霧實(shí)驗(yàn)霧粒沉降量為1.5mL/80cm2·h，72小時(shí)鹽霧實(shí)驗(yàn)后的照片如圖1所示。從圖1中可以看出：(1)1號(hào)樣品的銹蝕面積遠(yuǎn)小于2號(hào)樣品。(2)1號(hào)樣品表面以白銹(即氧化鋅)為主，邊部含有少量紅銹，表明鍍鋅層還比較完整，鍍鋅層的陽(yáng)極保護(hù)作用使腐蝕大多發(fā)生在鍍鋅層，鋼板腐蝕比較輕微。(3)2號(hào)樣品在噴霧72小時(shí)后，表面出現(xiàn)大量紅銹，表明表面鍍鋅層已經(jīng)大面積破壞，鋅層的陽(yáng)極保護(hù)作用失效，發(fā)生了鋼板腐蝕。鹽霧試驗(yàn)表明1號(hào)合金化熱鍍鋅板相較于2號(hào)樣板具有較高的耐中性鹽水腐蝕性能。

圖1 合金化鍍鋅板72小時(shí)鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鍍鋅層在腐蝕環(huán)境下會(huì)形成一層多孔的鋅的氧化物薄膜，形成的機(jī)制是鋅的溶解或者再沉淀。多孔薄膜會(huì)引起鋅通過(guò)高孔隙率區(qū)域的擇優(yōu)腐蝕。鋅的腐蝕遵循直線規(guī)律，鋅溶解后，鋅的氫氧化物會(huì)在鋼板表面沉淀，形成第二種阻擋層。雖然鋅的腐蝕速度隨腐蝕環(huán)境的不同而異，但在相同的條件下，鋅的腐蝕速度相對(duì)于鋼來(lái)說(shuō)要慢得多。由此可見(jiàn)，鍍鋅鋼板的壽命由腐蝕環(huán)境和表面鍍層所決定，與鋼基本身成分及合金化鍍層的鍍層組分、均勻致密度及孔隙率息息相關(guān)。隨著鹽霧時(shí)間的延長(zhǎng)，一旦鍍鋅層消耗殆盡，鋼板紅銹產(chǎn)生會(huì)取決于鋼板本身成分，1號(hào)樣品鋼基中含有較高的Cr元素，Cr元素是典型鈍化元素，可提升鋼板本身耐鹽水腐蝕性能。

2.2 表面和截面形貌

采用掃描電鏡觀察GA板的表面形貌，如圖2所示。從圖2中可以看出：(1)合金化鍍層中均存在δ相和ζ相。δ相(FeZn6.67-11)由Γ1相(FeZn4、Fe11Zn40或Fe5Zn21)與液態(tài)鋅在約672℃時(shí)包晶反應(yīng)生成，六方晶格，δ相呈柱狀；ζ相(FeZn13、FeZn15)由δ相與液態(tài)鋅在530℃時(shí)包晶反應(yīng)生成，單斜晶格，ζ相一般存在于鍍層最外面，呈粒狀。(2)合金化鍍層中δ相和ζ相兩者含量比不相同，1號(hào)樣品中δ相比例略高于2號(hào)樣品。(3)在合金化鍍層中均存在裂紋。裂紋形成是熱鍍鋅層的合金化過(guò)程中不可避免的，所以將鍍層表面用OPS輕微拋光，采用光學(xué)顯微鏡觀察GA鍍層中裂紋分布，如圖3所示。

圖2 合金化鍍鋅板表面形貌

圖3 合金化鍍鋅板鍍層表面裂紋分布

圖3的裂紋分布結(jié)果表明1號(hào)樣品裂紋數(shù)量明顯低于2號(hào)樣品，而且1號(hào)樣品中裂紋之間的間距更寬。

進(jìn)一步采用光學(xué)顯微鏡觀察GA板的截面形貌，如圖4所示。從圖4中可看出，1號(hào)樣品的GA鍍層更連續(xù)、更致密，2號(hào)樣品的GA鍍層中存在少許疏松空洞。鋼板表面GA鍍層能將鋼板與腐蝕環(huán)境隔離開來(lái)，鍍層越致密均勻，鍍層的屏障作用更強(qiáng)，更有利于提升鋼板的耐腐蝕性能；鍍層的裂紋是腐蝕離子如氯離子滲透到基體中的腐蝕路徑，裂紋越少，腐蝕通道越少，更有利于提升鋼板的耐腐蝕性能。

圖4 合金化鍍鋅板截面形貌

2.3 表面粗糙度分析

表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。Ra，表面粗糙度的一種計(jì)量單位，它是輪廓上各點(diǎn)高度在測(cè)量長(zhǎng)度范圍內(nèi)的算術(shù)平均值。表面粗糙度越小，表面越光滑。GA鍍層的三維形貌圖如圖5所示。1號(hào)樣品的粗糙度Ra為0.58μm，2號(hào)樣品Ra為0.70μm。表面粗糙度越高，與腐蝕介質(zhì)實(shí)際接觸面積越大，腐蝕離子越容易滲透到基體。

圖5 合金化鍍鋅板的3D形貌

2.4 輝光光譜分析

GA鍍層中Fe、Zn、Al元素隨深度變化圖如圖6所示。從圖6中可以看到，Zn、Fe分布基本相同，而鍍層中Al含量有差異。1號(hào)樣品中鋁含量(放大50倍)為16%，2號(hào)樣品中Al含量(放大50倍)為12.6%。眾所周知，Al的保護(hù)作用優(yōu)于鋅，因此鍍層中Al含量越高，有利于提升鍍層的耐腐蝕性能。

圖6 合金化鍍鋅板的輝光光譜圖

3 結(jié)論

在所有涂鍍涂層產(chǎn)品中，耐鹽水腐蝕性能取決于表面涂鍍層厚度及涂鍍層本身特性及鋼基。1號(hào)合金化鍍鋅板相比于2號(hào)樣具有更好的耐鹽水腐蝕性能。這與合金化鍍層中相組成、Al含量、裂紋分布以及合金化鍍鋅板表面粗糙度有關(guān)。合金化鍍層中Al含量越高，耐蝕性能越好；合金化鍍層中裂紋分布越少，耐蝕性能越好；合金化鍍鋅板表面粗糙度越小，耐蝕性能越好。