熱鍍鋁鋅硅鍍層表面黑點缺陷原因分析

閆秉昊，王孝建，丁志龍，魏寶民

(上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

鋼鐵產品是現(xiàn)階段應用范圍最為廣泛的金屬材料，然而，在使用過程中,其與外界環(huán)境接觸發(fā)生電化學腐蝕導致材料失效的情況比比皆是。多年來，人們研究開發(fā)了多種鋼鐵材料的防腐方法，其中就包括美國伯利恒公司在20世紀70年代開發(fā)的熱鍍鋁鋅硅合金鍍層。熱鍍鋁鋅硅鍍層產品是將成分為55%Al、43%Zn、1.6%Si的鍍液在600 ℃左右通過熱浸鍍的方法覆于鋼鐵表面，因其具有高耐蝕、良加工、易涂裝、美觀等特性，被廣泛應用于建筑、家電、車輛等行業(yè)[1-2]。

在熱浸鍍鋁鋅硅鍍層產品的實際生產中，表面類缺陷[3-4]是影響產品質量的主要因素，其中又以表面黑點缺陷最為典型。由于黑點缺陷肉眼極易分辨，會直接影響鍍層的美觀；嚴重的黑點類缺陷還會降低鍍層的耐蝕性，導致材料降級、報廢，造成不可逆轉的經濟損失。本文針對熱鍍鋁鋅硅產品在生產和加工過程中常見的黑點缺陷進行了微觀分析，明確了缺陷產生的原因，并提出了相關的預防舉措。

1 試驗材料及方法

試驗所選擇的材料為梅鋼工業(yè)化生產的帶有黑點缺陷的DC51D+AZ熱鍍鋁鋅硅鋼板試樣，首先通過宏觀形貌將黑點缺陷分成三類，用ZEISS EVO M15掃描電鏡及其自帶能譜儀(EDS)對三類黑點缺陷的成因進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 第一類黑點缺陷

黑點缺陷宏觀形貌如圖1所示，黑點缺陷分布于帶鋼邊部，數(shù)量較多且集中在寬度10-15 cm的范圍內，上下表面位置對應，單個黑點尺寸約為5-15 mm，目視較正常位置發(fā)亮。黑點缺陷微觀低倍形貌如圖2所示，缺陷位置與正常位置存在明顯界線。進一步將圖2中缺陷位置和正常位置放大，黑點缺陷微觀高倍形貌如圖3所示，正常位置呈現(xiàn)典型鍍鋁鋅硅鍍層形貌，鋅花枝晶分布均勻，缺陷位置未觀察到枝晶，可發(fā)現(xiàn)數(shù)條沿軋制方向近似平行的豎線，類似摩擦痕跡。

對缺陷位置1和正常位置2進行能譜分析，結果見表1。缺陷位置與正常位置相比，C、O元素含量偏低，Al、Fe、Zn含量一致。由于鍍鋁鋅硅產品常在用戶處被加工為成品后裸用，對耐蝕性能的要求較高，因此，在出鋅鍋后，往往要在鍍層表面輥涂一層后處理膜層，以提高材料耐蝕性。后處理膜層主要元素為C、O，因此在做能譜分析時，正常位置C、O檢出含量較高，缺陷位置C、O元素很低，表明缺陷位置表面的后處理膜層已經被破壞。此外，由于缺陷位置元素仍以Al、Zn為主，F(xiàn)e含量與正常位置一致，都很低，說明缺陷位置表面還是鍍層。根據上述分析，可以判斷黑點產生原因為摩擦損傷，摩擦導致帶鋼表面后處理膜層被破壞，鍍層部分被破壞，但未摩至鐵基板表面。

進一步對缺陷位置和正常位置鍍層截面進行觀察，如圖4所示，正常位置處鍍層厚度25-26 μm，缺陷位置鍍層厚度為33 μm，缺陷位置較正常位置厚度明顯偏高，因此可以推斷黑點缺陷是由于局部鍍層過厚導致。在帶鋼卷取包裝后的運輸和搬運過程，一旦帶鋼出現(xiàn)震動等情況，就會導致內部相對短距離的滑動，由于鍍層局部過厚位置鍍層間接觸更緊密，此位置較正常位置受力更大，容易出現(xiàn)摩擦黑點。

圖1 第一類黑點缺陷宏觀形貌

2.2 第二類黑點缺陷

第二類黑點缺陷宏觀形貌如圖5所示，黑點在帶鋼位置分布不固定，上下表面均存在，或多或少，部分位置幾個黑點沿軋制方向密集分布，呈短線狀，單個黑點尺寸約0.5 mm，黑點缺陷位置發(fā)暗。黑點缺陷微觀高倍形貌如圖6所示，缺陷呈現(xiàn)類彗星狀形貌，頭部為弧形，此位置還可發(fā)現(xiàn)鍍層開裂，形成小坑。將缺陷進一步放大，可發(fā)現(xiàn)坑狀區(qū)域四周被鍍層圍繞，且存在大量絮狀物質堆積，如圖7所示。

圖2 第一類黑點缺陷微觀低倍形貌

圖3 第一類黑點缺陷微觀高倍形貌：(1)缺陷位置；(2)正常位置

對缺陷位置3和4進行能譜分析，結果見表1。由缺陷位置3能譜可知，絮狀物質主要含Zn、Fe、O，Al含量為0，是鋅灰的主要特征元素，因此可明確絮狀物質為鋅灰。由缺陷位置4能譜可知，此位置Fe含量明顯升高，說明在坑狀區(qū)位置處鍍層和基體難以結合，導致該區(qū)域漏鍍進而露鐵。進一步，對缺陷進行截面形貌及元素分析，如圖8和表1所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)缺陷位置鍍層不連續(xù)，出現(xiàn)孔洞，孔洞內部存在大量Zn、O含量較高的絮狀鋅灰。此種缺陷在薄鍍層鋼板表面更容易發(fā)現(xiàn)，鋅灰掉落導致掉落位置鍍層與基板結合不良，嚴重時會引起露鍍。帶鋼出鋅鍋后經氣刀吹掃凝固，會形成上述形貌。

圖4 第一類黑點缺陷截面形貌

圖5 第二類黑點缺陷宏觀形貌

圖6 第二類黑點缺陷微觀低倍形貌

2.3 第三類黑點缺陷

第三類黑點缺陷宏觀形貌如圖9所示，黑點在帶鋼位置分布固定，較為密集，且只在帶鋼上表面出現(xiàn)。黑點大部分呈現(xiàn)長條狀，長條方向與軋制方向一致，單個尺寸5-15 mm，黑點缺陷位置發(fā)暗無光澤。黑點缺陷微觀低倍形貌如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)缺陷位置形貌與正常位置有明顯區(qū)別。進一步放大缺陷位置，如圖11所示，缺陷位置有異物附著于鍍層表面。對異物進行能譜分析，如表1所示，異物主要元素為C、O、Ca、Si，此異物用手可以摳除。經排查，發(fā)現(xiàn)與帶鋼上表面接觸的輥系上黏附有相同的異物，對輥系進行清潔后此類缺陷消失。

圖7 第二類黑點缺陷微觀高倍形貌

圖8 第二類黑點缺陷截面形貌

圖9 第三類黑點缺陷宏觀形貌

3 預防措施

針對第一類缺陷，導致鍍層局部厚度增加的主要原因有兩方面，一是前工序來料板型，二是氣刀控制精度。來料板型較差，如存在C翹等，會導致氣刀吹掃時板寬方向與帶鋼間的距離和壓力差別較大，導致部分位置鍍層增厚，部分位置鍍層減薄。氣刀控制精度較差，往往也會導致鍍層實際厚度與設定厚度之間存在偏差。在實際生產過程中，上表面中部鍍層常較設定值偏高，邊部鍍層較設定值偏低，而在焊縫過氣刀的過程中，由于氣刀擋板打開，帶鋼頭尾邊部鍍層又會出現(xiàn)明顯增厚。因此，在生產過程中，需要針對不同鋼種、寬度、厚度的鋼板，通過精細調節(jié)并固化氣刀壓力、距離、角度等參數(shù)，盡可能減少鍍層局部增厚，同時也需要確保來料板型的精度，避免出現(xiàn)嚴重的C翹等不良板型。

圖10 第三類黑點缺陷微觀低倍形貌

圖11 第三類黑點缺陷微觀高倍形貌

針對第二類缺陷，鋅灰的產生主要是由于鍍液在高溫下不斷蒸發(fā)，鋅蒸汽在爐鼻子位置遇冷而凝結在內壁；生產運行過程的振動等均會導致鋅灰從內壁掉落至鋼板表面，形成黑點缺陷。控制鋅灰的主要措施有以下3方面：首先是控制爐鼻子位置溫度和鋅鍋溫度的穩(wěn)定性，需要合理安排生產計劃，如果溫度波動降低，可以減少由于溫度下降而造成的鋅蒸汽冷凝；其次是安排合理的加鋅錠計劃，實踐表明，60%-70%的鋅灰產生是由于加鋅錠時鋅液面波動過大造成的，因此，每次加鋅錠時，應該少量多次加入，嚴格控制液面的波動；最后，需要定期清理爐鼻子，尤其是在生產高表面質量要求的鋼板前，必須保證爐鼻子的清潔。

表1 三類缺陷能譜結果(質量分數(shù)，%)

針對第三類缺陷，需要保證帶鋼生產和加工通道的清潔性。具體措施是，安排合理的定修和檢修計劃，在定修和檢修的過程中，及時對帶鋼通道輥面進行清潔，保證輥面無異物。同時，安排合理的換輥計劃，對已達到使用期限的輥子及時更換，避免由于輥面磨損帶入異物到帶鋼表面。

4 結論

通過對熱鍍鋁鋅硅產品鍍層表面黑點缺陷分析，明確了三類黑點缺陷的產生原因：鍍層局部過厚摩擦黑斑、爐鼻鋅灰掉落導致露鐵黑點、輥面異物壓入黑點缺陷。上述三種缺陷成為熱鍍鋁鋅硅高表面質量產品的主要制約瓶頸，重點需要對生產工藝尤其是鋅鍋前后段工序的工藝進行精細優(yōu)化，才能有效消除黑點缺陷，提高板面質量。