黃才根 王 健 王 華

(1.寶山鋼鐵股份有限公司 冷軋廠，上海 201900； 2.寶武鋼鐵集團(tuán) 中央研究院，上海 201900；3.上海大學(xué) 分析測試中心，上海 200444)

熱浸鍍是將鋼板或零件浸入熔融金屬液以獲得金屬鍍層的工藝。近年來，熱浸鍍材料的優(yōu)良性能更為明顯，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)還可減少鋼材銹蝕造成的損失。隨著對零件耐蝕性要求的不斷提高，普通熱鍍鋅工藝已難以滿足各行業(yè)的需求，熱浸鍍鋁鋅硅層工藝應(yīng)運(yùn)而生[1- 2]。熱浸鍍的鋁鋅硅層兼具熱鍍鋁和熱鍍鋅層的優(yōu)點(diǎn)，耐蝕性、抗高溫氧化性能和觀賞性優(yōu)異，因而被廣泛應(yīng)用于家電及建筑等行業(yè)[3- 4]。

以往對熱浸鍍鋁鋅硅鍍層的研究主要集中在鍍層的耐蝕性及其機(jī)制[5- 6]，以及添加其他元素改善鍍層組織和性能等方面[7- 9]。生產(chǎn)中，熱浸鍍鋁鋅硅層的難度較普通鍍鋅大。由于鋁鋅硅鍍層含鋁量高，而鋁的熔點(diǎn)高，易氧化，表面張力大，熱浸鍍易產(chǎn)生漏鍍、黏附性差[10]等質(zhì)量問題。在熱浸鍍工藝參數(shù)中，浸鍍時(shí)間是影響鋁鋅硅鍍層鋅花尺寸和鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵因素，只有合理控制浸鍍時(shí)間才能獲得合格的鋅花尺寸和質(zhì)量良好的鍍層。本文采用熱浸鍍模擬試驗(yàn)機(jī)對低碳鋼板進(jìn)行了不同時(shí)間的熱浸鍍鋁鋅硅試驗(yàn)，研究結(jié)果可為實(shí)際生產(chǎn)中低碳鋼熱浸鍍鋁鋅硅鍍層的浸鍍時(shí)間等工藝參數(shù)的制定提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 熱浸鍍鋁鋅硅

試驗(yàn)用低碳鋼板尺寸為220 mm×100 mm×0.8 mm，在HDPS- EU AV型熱鍍鋅模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱浸鍍鋁鋅硅試驗(yàn)。鋼板經(jīng)脫脂、漂洗、烘干后，采用紅外線加熱器加熱至750 ℃，然后以10 ℃/s的速率冷卻至浸鍍溫度595 ℃進(jìn)行浸鍍，隨后以23 ℃/s的速率冷卻至室溫。保護(hù)氣氛為95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)N2+5%H2，露點(diǎn)為-30 ℃。浸鍍時(shí)間分別為1.2、3.2和5.2 s。鍍液主要成分為55.0%Al+43.4%Zn+1.6%Si。試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2 測試分析

采用劃線法[11]測量并統(tǒng)計(jì)鋼板熱浸鍍不同時(shí)間產(chǎn)生的鋁鋅硅鍍層的鋅花尺寸。用線切割加工15 mm×15 mm試片并制備金相試樣；采用添加緩蝕劑的10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鹽酸水溶液將鋼板表面鍍層溶解，保留合金層。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析鍍層表面和截面形貌及合金層組織，并用能譜儀分析其成分。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 鍍層表面鋅花形貌及元素分布

鋅花是鍍鋁鋅板上可見的或明或暗扇形花紋。放大可見每個(gè)扇形花紋都有兩條直邊和一條弧形邊。多數(shù)情況下，每個(gè)鋅花都由 6 個(gè)左右的小扇形花紋構(gòu)成。鋅花的形貌主要與α- Al 枝晶有關(guān)，單個(gè)鋅花中扇形花紋的直邊即為α- Al一次枝晶，扇形花紋內(nèi)有二次或三次枝晶。在凝固過程中，相鄰鋅花的枝晶生長取向有一定差異[12- 13]，使相鄰鋅花在同一個(gè)方向上的反光率產(chǎn)生較大差異，從而形成了獨(dú)特的立體形貌[14]。 圖1為熱浸鍍1.2 s的鋼板鍍層表面鋅花的微觀形貌，可見鋅花由一次、二次和三次枝晶構(gòu)成。表2為鋅花成分，可見一次枝晶(A點(diǎn))由富鋁相組成，而枝晶間隙(B點(diǎn))則由富鋅相組成，富鋅相處于富鋁相的間隙。

圖1 鍍層表面鋅花的掃描電子顯微鏡形貌

表2 鍍層表面鋅花的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖2為熱浸鍍不同時(shí)間的鋼板鍍層表面鋅花的宏觀形貌。由圖2可知，熱浸鍍時(shí)間從1.2 s延長至5.2 s，鍍層的鋅花形態(tài)無明顯變化，熱浸鍍不同時(shí)間的鋼板鍍層表面鋅花均有或明或暗的扇形區(qū)。其原因是，鋅層表面的晶粒取向不同，導(dǎo)致反光率不同，從而形成明暗區(qū)[15]。

圖2 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)的鋼板的鋅花形貌

采用劃線法統(tǒng)計(jì)鋼板鍍層的鋅花尺寸，得到鋼板鍍層的鋅花尺寸隨浸鍍時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示。從圖3可以看出，隨著浸鍍時(shí)間從1.2 s延長至5.2 s，鋅花尺寸略有減小。其原因在于：在浸鍍溫度、冷卻速率等不變的情況下，隨著浸鍍時(shí)間的延長，鍍層與基體之間的合金層增厚，富鋁枝晶的形核與長大(決定鋅花尺寸)與合金層的相組成有關(guān)。鋅花的最終尺寸不僅與鍍層與基體之間的合金層的相組成有關(guān)，還與其厚度有關(guān)。合金層越厚，富鋁枝晶形核點(diǎn)增多，導(dǎo)致鋅花尺寸減小。根據(jù)點(diǎn)陣匹配原理，若金屬間化合物晶格類型與富鋁枝晶比較匹配，則富鋁枝晶有更多異質(zhì)形核點(diǎn)，從而使鋅花尺寸減小。研究發(fā)現(xiàn)[16]，金屬間合金層中θ- FeAl3相與富鋁枝晶比較匹配，因而隨其含量增加鋅花尺寸減小。這與Hikino等[17]的研究結(jié)果一致。他們的研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱浸鍍時(shí)間的縮短，界面合金層厚度減小，鋅花尺寸增大。Guo等[18]的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)生產(chǎn)帶速從50 m/min提高至80 m/min時(shí)，鋅花尺寸變化不大；隨著帶速進(jìn)一步從80 m/min提高至100 m/min，鋅花尺寸減小。初步認(rèn)為這是帶材與鍍層厚度的差異導(dǎo)致實(shí)際冷速不同所致。Guo等[18]研究的以高帶速(80～100 m/min)生產(chǎn)的卷材和鍍層均較薄。基板較薄會導(dǎo)致浸鍍后的余熱較小，而生產(chǎn)薄鍍層產(chǎn)品則需要較大的氣刀噴射壓力，以增大基板的冷卻速率。這兩個(gè)因素的疊加導(dǎo)致隨著帶鋼速率從80 m/min提高至100 m/min時(shí)，鋅花尺寸從3.0 μm減小到2.4 μm，即隨著浸鍍時(shí)間的縮短，鋅花尺寸減小。

圖3 熱浸鍍時(shí)間對鋅花尺寸的影響

2.2 合金層形態(tài)

熱浸鍍時(shí)鋼板與鍍液的界面反應(yīng)和相變過程均較為復(fù)雜，涉及鋼板被鍍液浸潤、Fe- Al- Zn金屬間化合物的等溫固化、固態(tài)擴(kuò)散相變和鍍液的凝固反應(yīng)等[19]，且反應(yīng)速率非?？?，通常不到1 s。將鋼板浸入55Al- 45Zn鍍液時(shí)，在鋼板- 鍍液界面發(fā)生鐵與鍍液中鋁的反應(yīng)，生成由Fe2Al5和FeAl3構(gòu)成的合金層[20]。該合金層有兩種形態(tài)：一是合金層的Fe2Al5和FeAl3從鋼板上剝落，使鍍液與鋼板直接發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)非?？欤瑑H受Al元素在Al- Zn鍍液中向鋼板表面擴(kuò)散的限制；二是合金層附著在鋼板表面，Al元素通過合金層中未完全凝固的液體擴(kuò)散至鋼板表面并快速發(fā)生反應(yīng)[21]。熱浸鍍55%Al- Zn- Si合金時(shí)，Si元素的作用主要是抑制Al- Zn鍍液與鋼板表面之間的強(qiáng)烈放熱反應(yīng)[22]。

圖4為浸鍍不同時(shí)間產(chǎn)生的鍍層的截面形貌。從圖4可以看出，鍍層截面明顯分為外層、合金層和基板3部分。熱浸鍍1.2 s生成的鍍層較薄，難以分辨中間的合金層，且合金層不連續(xù)，有斷裂、脫落跡象。其原因可能是浸鍍時(shí)間較短，即鍍液與鋼板反應(yīng)時(shí)間較短，導(dǎo)致形成的合金層較薄。熱浸3.2 s生成的鍍層厚度增大，合金層界限明顯。浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層明顯增厚，鍍層也更致密，且α- Al枝晶截面增大，但鍍層厚度變化不大。其原因是，隨著擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行，形成的合金層相當(dāng)于保護(hù)膜，阻礙了基板與鍍液的接觸，減緩了鍍液對基板的浸潤，所以鍍層厚度變化不明顯[23]。

圖4 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)產(chǎn)生的鍍層的截面形態(tài)

對圖4(b)所示鍍層截面進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，鍍層中淺灰色(A)為富鋅相，深灰色(B)為富鋁相。由于測試前試樣暴露于空氣中，發(fā)生了少量電化學(xué)腐蝕[24]，在富鋅相與富鋁相中檢測到了氧元素。鍍液中的Si元素在鍍層中含量較少未檢測到，其主要分布于合金層中。

表3 熱浸鍍3.2 s產(chǎn)生的鍍層成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

參照GB/T 18592—2001《金屬覆蓋層 鋼鐵制品熱浸鍍鋁 技術(shù)條件》[25]測定了鋼板熱浸鍍層中合金層厚度隨浸鍍時(shí)間的變化，如圖5所示。可見在冷卻速率、 浸鍍溫度等工藝參數(shù)不變的條件下，隨著浸鍍時(shí)間的增加，鋼板中的Fe與鍍液中的Al、Zn元素相互擴(kuò)散時(shí)間增加，鍍層的合金層增厚。

圖5 鍍層中合金層厚度隨熱浸鍍時(shí)間的變化

鍍層中合金層形貌如圖6所示?？梢姾辖饘又杏写罅堪咨突疑辖鹣郲26]。熱浸鍍1.2和3.2 s生成的鍍層，其合金層中有較多的白色合金相；熱浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層中白色合金相較少。表4為合金層中白色和灰色合金相的成分。由表4可知，各相成分沒有太大差別，均為含Al、Zn、Si和Fe的合金[27]，底層灰色合金相含鐵量較高，白色合金相中含鋁量較高，可能是腐蝕后的鍍層殘留物。

圖6 熱浸鍍1.2(a)、3.2(b)和5.2 s(c)生成的鍍層中合金層形貌

表4 鍍層合金層中各相成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3 結(jié)論

(1)隨著熱浸鍍時(shí)間從1.2 s增加至5.2 s，鋼板中Fe原子通過合金層擴(kuò)散的時(shí)間延長，合金層增厚，鋅花尺寸減小，熱浸鍍時(shí)間對鋅花尺寸有顯著影響。

(2)熱浸鍍1.2 s生成的鍍層較薄，其合金層不連續(xù)；熱浸鍍3.2 s生成的鍍層厚度增大，合金層與鋼板的界限明顯；熱浸鍍5.2 s生成的鍍層中合金層明顯增厚，鍍層更致密，質(zhì)量較好。

(3)熱浸鍍的鋁鋅硅鍍層中合金層有大量白色和灰色合金相，熱浸鍍1.2和3.2 s生成的鍍層中的合金層有較多的白色合金相，而浸鍍5.2 s生成的鍍層合金層中的白色合金相較少。