摘 要:采用紅外光譜分析、掃描電鏡及能譜分析等方法,對(duì)熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均勻 的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:鋅花尺寸不均勻是鋼基板鐵元素的溶解差異引起的;浸鍍時(shí),正常鋼 基板表層溶解了足夠量的鐵元素,過(guò)飽和的鐵元素限制了鋁枝晶的形核速率,同時(shí)促進(jìn)了硅元素的 分配,共晶析出的硅針少,外覆層凝固時(shí)鋁枝晶的形核數(shù)量少,長(zhǎng)大成正常的大鋅花;表面帶有羧酸 鐵的基板,板面浸潤(rùn)性差,鐵元素的溶解量少,鋁枝晶的形核不受限制,生成了小鋅花。

關(guān)鍵詞:熱鍍鋁鋅;鋼板;鋅花;鐵元素;羧酸鐵

中圖分類(lèi)號(hào):TB31;TG174.443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0068-04

熱鍍鋁鋅鋼板具有良好的耐腐蝕性和光熱反射 能力,在建筑、家電等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。熱鍍鋁鋅 鋼板表面有鋅花,可以作為裝飾直接用于空調(diào)、冰 箱、洗衣機(jī)的背板。熱鍍鋁鋅鋼板的鋅花尺寸(直 徑)變化范圍很廣,通常從小于0.5mm(肉眼不可 見(jiàn))到5mm,在實(shí)際生產(chǎn)中,經(jīng)常有鋅花尺寸不均 勻的情況發(fā)生,嚴(yán)重影響了熱鍍鋁鋅鋼板的美觀程 度和實(shí)際使用。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花 產(chǎn)生的原因做了大量研究。PHELAN 等[2]研究發(fā) 現(xiàn),帶鋼浸入鍍液時(shí),在基板與鍍液間形成了界面 層,通過(guò)該界面層,鐵元素?cái)U(kuò)散進(jìn)入鍍液,鋁元素?cái)U(kuò) 散進(jìn) 入 基 板,經(jīng) 過(guò) 短 暫 的 孕 育 期,θ-FeAl3 或 αAlFeSi相在基板上形成,再經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間稍長(zhǎng)的孕 育期,η-Fe2Al5 相在基板與FeAl3/α-AlFeSi之間形 成。KRAJEWSKI [3]研究發(fā)現(xiàn)鈦元素可以通過(guò)異質(zhì) 形核作用來(lái)影響鍍層鋅花的尺寸。

某鋼廠生產(chǎn)的熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均 勻,筆者進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),對(duì)軋硬態(tài)基板表面 鍍層的內(nèi)、外層及界面進(jìn)行分析,研究了鋅花尺寸不 均勻的原因,以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

用砂紙將軋硬態(tài)鋼板表面局部區(qū)域打磨成尺寸為10cm×10cm(長(zhǎng)×寬)的正方形(見(jiàn)圖1),并做 好長(zhǎng)度位置的定位標(biāo)識(shí),方便浸鍍后取樣。浸鍍工 藝的參數(shù)為:鋅鍋溫度為600 ℃,鋼板入鍋溫度為 600℃,浸鍍時(shí)間為3s,鋼板厚度為0.4mm,材料 為DX51D+AZ鋼,鍍液的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

將砂紙打磨后的軋硬態(tài)鋼板進(jìn)行浸鍍處理,然 后進(jìn)行宏觀觀察及微觀分析。取焊接前后鋅花尺寸 差異大的鋼板(見(jiàn)圖2),其中大鋅花的尺寸約為5 mm,小鋅花的尺寸約為1mm,將鍍層外層用硝酸 乙醇 溶 液 溶 解 后,用 JSM-6460LV 型 掃 描 電 鏡 (SEM)進(jìn)行分析;在鋼板鍍層截面取樣,進(jìn)行SEM 和能譜(EDS)分析。

另外抽取6塊鋅花尺寸不均勻的鍍鋁鋅鋼板, 編號(hào)為1# ~6# 試樣。采用 Nicolet6700型傅里葉 變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)1# ~6# 試樣表面的殘留 物進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼板表面狀態(tài)的影響

浸鍍后軋硬態(tài)鋼板表面的宏觀形貌如圖3所示, 可見(jiàn)砂紙打磨后,鋼板表面的鋅花尺寸明顯變大。打磨區(qū)域和未打磨區(qū)域的浸鍍工藝完全相同,說(shuō)明軋硬 態(tài)鋼板的表面狀態(tài)對(duì)鋅花尺寸有影響,打磨后鋼板表 面狀態(tài)發(fā)生變化,導(dǎo)致鋅花的尺寸發(fā)生變化。

2.2 FTIR分析

對(duì)1# ~6# 試樣的表面殘留物進(jìn)行FTIR分析, 結(jié)果如表2所示。對(duì)試樣的鋅花尺寸進(jìn)行評(píng)級(jí),板 面任一位置長(zhǎng)度為100mm方向上的鋅花個(gè)數(shù)分別 為85,65,40,30,20時(shí),鋅花尺寸等級(jí)依次對(duì)應(yīng)1~ 5級(jí)。由表2可見(jiàn):1# ,5# 試樣的羧酸鹽紅外吸收 峰值(I1560)為2~3mm,鋅花尺寸等級(jí)為2.5級(jí),鋅 花尺寸小;其余試樣的I1560 均為0.5mm,鋅花尺寸 等級(jí)為3.5~4.5級(jí),鋅花尺寸大。冷軋過(guò)程中,過(guò) 熱的乳化液與鋼基板發(fā)生強(qiáng)烈共價(jià)反應(yīng),導(dǎo)致鋼板 表面產(chǎn)生羧酸鹽,且羧酸鹽很難被電解。打磨鋼板 表面可以將羧酸鹽刮除,導(dǎo)致打磨后鋼板表面的鋅 花尺寸發(fā)生改變。

2.3 SEM 和EDS分析

將鋅花尺寸不同的試樣外覆層中的富鋅相和富 鋁相溶解,然后對(duì)試樣的中間合金層表面進(jìn)行SEM 分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:小鋅花試樣中 間合金層表面殘留的硅針數(shù)量多,大鋅花試樣中間 合金層表面殘留的硅針數(shù)量少;進(jìn)一步放大觀察,發(fā) 現(xiàn)小鋅花試樣的合金層有大量溝槽,而大鋅花試樣 的合金層無(wú)明顯溝槽。

圖5是小鋅花試樣鍍層截面的SEM 形貌,可 見(jiàn)小鋅花試樣的中間合金層有鋅相(箭頭所指位 置),說(shuō)明溝槽是合金層中鋅相溶解后產(chǎn)生的。

對(duì)鋅花尺寸不同的試樣鍍層截面進(jìn)行 EDS分 析,可知小鋅花試樣外覆層與合金層界面處鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%,大鋅花試樣外覆層與合金層 界面處鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%。

3 綜合分析

熱鍍鋁鋅工藝使用的鍍液熔點(diǎn)高(590℃以上), 在鍍液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%的硅元素,可以防止 鍍液與鋼基板之間發(fā)生迅速且強(qiáng)烈的放熱反應(yīng),促進(jìn) 薄而連續(xù)的合金層形成,避免鍍液與鋼基板之間過(guò)度 反應(yīng)[4]。鍍層結(jié)晶凝固時(shí),先形成富鋁相,鐵、硅等溶 質(zhì)元素被富鋁相的枝晶隔離在未凝固的液相L中。 隨著溫度進(jìn)一步降低,鐵、硅元素不斷擴(kuò)散進(jìn)入未凝 固的液相L,促進(jìn)二元共晶反應(yīng)(L→富鋁相+硅針), 富鋁相的枝晶持續(xù)生長(zhǎng),而硅針則在枝晶間沉淀,最 后約在380℃的環(huán)境下發(fā)生三元共晶反應(yīng)(L→富鋁 相+富鋅相+硅針),并完成凝固過(guò)程[5]。

軋硬態(tài)鋼板表面殘留有羧酸鐵,使鋼板的浸潤(rùn)性 變差,進(jìn)而影響了鋼基板與鍍液之間的反應(yīng),導(dǎo)致鐵元 素的溶解量減少,無(wú)法形成致密的鐵-鋁抑制層。SEM 分析結(jié)果表明:小鋅花試樣沒(méi)有形成致密的抑制層,導(dǎo)致鋅元素滲透;大鋅花試樣的鐵元素溶解量多,除了形 成抑制層外,還引起鋼基板表層鐵元素的過(guò)飽和,鐵元 素在富鋁相固溶體中的溶解度有限,在富鋁相固溶體 結(jié)晶時(shí),過(guò)飽和的鐵元素會(huì)被排出,限制了鋁固溶體的 形核速率,導(dǎo)致形核數(shù)量減少,形成大鋅花。

液相中的鐵、硅元素有很強(qiáng)的親和力,鐵元素在 液相中的過(guò)飽和將促進(jìn)硅元素溶質(zhì)分配,從而引起 液相中硅元素含量增加。對(duì)于被羧酸鐵覆蓋的鋼 板,鐵元素的溶解受到阻礙,溶解量不足,無(wú)法形成 過(guò)飽和。先結(jié)晶的富鋁相中包含較少的硅元素,導(dǎo) 致最后凝固部分的硅元素含量多,形成更多的硅針, 因此小鋅花比大鋅花的硅針數(shù)量多,這個(gè)結(jié)果與相 關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致[4]。

鋼板的浸潤(rùn)性能影響了鋼基板鐵元素的溶解 量,進(jìn)而影響了熱鍍鋁鋅鋼板鍍層的化學(xué)成分。表 面帶有鋅灰的鋼板,固相與固相之間擴(kuò)散速率慢,鋼 基板鐵元素的溶解量少,浸鍍后形成小鋅花;鋼板沒(méi) 有鋅灰覆蓋的正常部位,鋼基板鐵元素的溶解量充 足,浸鍍后形成大鋅花。鐵元素溶解差異引起鋅花 尺寸不同的機(jī)理如圖6所示。大鋅花試樣的浸潤(rùn)性 好,鐵元素溶解量大,在結(jié)晶之前的熔體中,過(guò)飽和 的鐵元素促進(jìn)了硅元素的溶解,結(jié)晶后共晶硅少,微 觀下呈現(xiàn)的硅針數(shù)量少,三元共晶反應(yīng)后,富鋅相占 比多;小鋅花試樣的浸潤(rùn)性差,鐵元素溶解量小,在 結(jié)晶之前的熔體中,欠飽和的鐵元素不利于硅元素 溶解,結(jié)晶后共晶硅多,微觀下呈現(xiàn)的硅針數(shù)量多, 三元共晶反應(yīng)后,富鋅相占比少,成分過(guò)冷導(dǎo)致鍍層 凝固結(jié)晶形成小鋅花。

4 結(jié)論與建議

鋼板在熱鍍鋁鋅的過(guò)程中,鐵元素溶解量差異 導(dǎo)致凝固后鍍層的硅針數(shù)量、合金層與外覆層界面 的富鋅相數(shù)量不均勻,以及影響鋼基板與合金層界 面之間鐵-鋁抑制層的形成,最終導(dǎo)致鋼板表面鋅花 尺寸不均勻。

避免軋硬態(tài)鋼板表面羧酸鐵的形成,可以改善 鋼板表面熱浸鍍時(shí)的浸潤(rùn)性,解決鋼板表面鋅花尺 寸不均勻的問(wèn)題。

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