彩涂鋼板表面微小點銹原因分析

金鑫焱,任玉苓

(1.寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999; 2.汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點實驗室(寶鋼),上海 201999;3.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋廠,上海 200941)

彩色涂層鋼板(簡稱彩涂板)是以金屬帶鋼為基板,在其表面涂覆各種高分子材料或黏貼各種塑料薄膜制成的產(chǎn)品。由于彩涂板具有優(yōu)異的耐蝕性、加工成形方便、外觀美麗等優(yōu)點,已被廣泛應用于建筑、家電、交通等行業(yè)。目前國內(nèi)彩涂板整體產(chǎn)能已超過5 000萬t,近年來新增產(chǎn)能主要以高端建筑和家電板材定位為主。

防腐是彩涂板的主要功能之一,受涂層種類、鍍層種類以及使用環(huán)境等諸多因素影響。正常環(huán)境條件下,按照國標GB/T 12754《彩色涂層鋼板及鋼帶》生產(chǎn)的彩涂鋼板戶外使用超過20年也不會出現(xiàn)表面涂層脫落和紅銹現(xiàn)象。為了保證彩涂板的服役壽命,彩涂板表面質(zhì)量控制非常關鍵,若存在表面缺陷,不僅會影響外觀,還會影響耐蝕性[1-2],縮短服役壽命。

彩涂板表面的常見缺陷有表面劃傷、漏涂、色差、輥印、條紋、縮孔、氣泡、針孔、剝落等[3]。為了獲得良好的彩涂板表面質(zhì)量,對來料以及脫脂、化學預處理、輥涂、烘烤、冷卻等工藝均有較高的要求。鞠辰等[4]發(fā)現(xiàn)鍍鋁鋅彩涂板“漏涂”缺陷由鍍鋁基板的“露鐵”缺陷引起;李林等[5]也發(fā)現(xiàn)一種鍍鋁鋅彩涂板“爆孔”缺陷與鍍鋁鋅彩涂基板表面特征及表面質(zhì)量有關,通過減少鍍鋁鋅板表面疏松孔洞缺陷等可以改善;杜蓉等[6]揭示了一種彩涂板“麻點”缺陷的原因是稀釋劑與面漆不匹配,導致面漆消光粉中添加的超細SiO2固化時分散不均,SiO2嵌入和蹦落造成;溫乃盟等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)家電用彩涂板卷取后產(chǎn)生的“壓斑”缺陷的產(chǎn)生及其形貌與彩涂板上/下表面光澤度的差異等有關,光澤度差值越大、環(huán)境溫度越高,越容易產(chǎn)生,并且指出可以通過調(diào)整漆膜涂層配方降低其玻璃化溫度,來消除或減輕壓斑缺陷;陸華等[9]研究發(fā)現(xiàn),在不均勻的快速冷卻下,漆膜局部附著力喪失是一種彩涂板“非典型氣泡”缺陷的成因。

文獻中關于彩涂板表面缺陷的分析研究,重點關注產(chǎn)品制造過程的影響,而對產(chǎn)品交付后、服役過程中產(chǎn)生的異常質(zhì)量問題研究較少。本文針對寶鋼彩涂板在加工安裝后短期內(nèi)即發(fā)生的一種微小點銹的異常缺陷進行了原因分析,并提出了改進措施。

1 試驗材料及方法

表面有微小點銹缺陷的彩涂板取自用戶使用現(xiàn)場,用戶在開卷過程中發(fā)現(xiàn)彩涂鋼板表面存在疑似點銹的缺陷,宏觀照片如圖1所示。在缺陷樣板上,可以觀察到多個微小點缺陷,尺寸均小于1 mm。在白灰色的彩涂板表面,點缺陷顏色發(fā)黃,疑似點銹。

標記點缺陷位置后,使用超聲波酒精清洗3 min,然后使用Zeiss EVO 25掃描電鏡進行表面形貌觀察及能譜分析。將試樣浸泡在丁酮溶液中,并使用蘸有丁酮溶液的棉花擦拭試樣表面,將點缺陷表面的漆膜去除,然后在掃描電鏡下觀察漆膜去除后的基板表面形貌并進行能譜分析。精心制備點缺陷的截面后,在Leica DM2500顯微鏡下觀察截面金相。

2 試驗結(jié)果及討論

同一塊樣板上4個不同尺寸點銹缺陷的漆膜表面背散射電子像如圖2所示,其中尺寸最大的直徑約600 μm,尺寸最小的直徑約170 μm。在背散射電子像下,漆膜整體較暗,點缺陷周圍正常位置的漆膜表面較光滑、完整、無裂紋。點缺陷位置的漆膜基本完整,漆膜未見明顯的鼓泡,但漆膜中存在大量無序的裂紋,局部還存在尺寸較小的壓印。圖2(a)和(b)顯示點缺陷的邊緣發(fā)亮,推測為邊緣電荷積累引起的背散射電子像亮度增加;而圖2(c)和(d)則顯示在點缺陷的內(nèi)部存在較大面積的白色物體,推測為點缺陷位置殘留有原子序數(shù)較大的金屬或金屬氧化物。根據(jù)缺陷位置漆膜的表面形貌推測,判斷缺陷位置可能有外來的異物壓入,部分點缺陷表面異物已脫落,部分點缺陷表面異物保留較完整。

圖2 4個微小點銹缺陷典型漆膜形貌

兩個典型點缺陷(點缺陷2和4)的能譜分析結(jié)果對比如圖3、表1及圖4、表2所示。正常漆膜含有C、O、Al、Si、Ti等元素,而點缺陷位置除上述漆膜成分外,還含有較高的Fe及少量的Zn,同時O含量也略高于正常位置。對比表1和表2中譜圖1的Fe含量,點缺陷4表面檢測到的Fe含量接近40%,明顯高于點缺陷2表面檢測到的Fe含量,這是因為點缺陷4表面的異物保留的較完整,而點缺陷2表面的異物僅少量殘留;另外,點缺陷4表面的C含量明顯低于點缺陷2表面及周圍漆膜的C含量,可見點缺陷4表面檢測到的O并非主要來自漆膜,而是來自缺陷位置表面殘留的異物。以上分析結(jié)果表明,點銹缺陷表面確實存在氧化鐵銹蝕。

圖3 點銹缺陷2漆膜表面能譜分析結(jié)果

表1 點缺陷2漆膜表面能譜半定量分析結(jié)果

圖4 點缺陷4漆膜表面能譜分析結(jié)果

表2 點缺陷4漆膜表面能譜半定量分析結(jié)果

點缺陷2表面元素面分布的分析結(jié)果如圖5所示,其中C和Ti元素比周圍正常位置略低,而O和Fe元素則高于正常位置,結(jié)合能譜點分析的結(jié)果,判斷點缺陷位置的漆膜表面存在少量的氧化鐵。局部還發(fā)現(xiàn)少量Zn,推測該位置可能因漆膜破損比較嚴重,局部露出了下方基板表面的鋅層。

圖5 漆膜表面元素面分布

經(jīng)過丁酮處理后的漆膜表面形貌如圖6所示。在本文所使用的丁酮處理條件下(時間較短,棉花擦拭),正常位置的漆膜仍保持完整,僅點缺陷位置的漆膜被溶解掉,露出下方的彩涂基板表面。局部放大后的二次電子像和背散射電子像顯示,點缺陷位置表面微觀上比較均勻,除少量殘留的漆膜外,表面呈現(xiàn)同一種形貌。能譜分析結(jié)果如圖7及表3所示,進一步證實點缺陷位置漆膜去除后露出的是鋅層表面,主要成分是Zn,且O和Fe含量均較低。這說明漆膜去除后,缺陷位置并無氧化鐵,也無明顯的鋅的腐蝕產(chǎn)物。元素面分布結(jié)果如圖8所示,進一步說明點缺陷下方的鋅層較完整,未發(fā)生鋅層的腐蝕,且未露出鋼基體。由此可見,漆膜表面點缺陷位置發(fā)現(xiàn)的含氧化鐵的物質(zhì)并非是漆膜下方的基板腐蝕形成的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 丁酮處理后典型基板表面形貌

圖7 丁酮處理后表面能譜分析結(jié)果

表3 丁酮處理后試樣能譜半定量分析結(jié)果

點銹缺陷的典型截面金相如圖9所示。缺陷位置下方的鋼基體和鍍層均比較完整,未觀察到鋼基體或鋅層的銹蝕。而點缺陷位置的漆膜已被破壞,部分氧化鐵顆粒已接近鍍層表面。上述截面特征與使用丁酮去除漆膜后的基板表面形貌特征一致,可證實缺陷位置漆膜表面的點銹并非是基板銹蝕引起的,而是由漆膜表面外來的異物壓入引起。

圖9 點銹缺陷典型截面金相

根據(jù)以上微觀分析結(jié)果,本文所分析的彩涂板表面的微小點銹缺陷確實是鐵的銹蝕,但并非是涂層或者鍍層耐蝕性差引起的鋼基體腐蝕,而是漆膜表面外來的異物壓入形成的銹蝕。壓入物可能是細小的鐵屑,在保存一段時間后鐵屑發(fā)生了銹蝕,在白灰彩涂板表面顯示出較明顯的顏色差異,從而被發(fā)現(xiàn)。壓入物也可能本身就是氧化鐵屑,由于尺寸較小,不易被發(fā)現(xiàn),但在保存一段時間后,銹蝕進一步加重,表現(xiàn)出顏色的差異,從而被發(fā)現(xiàn)。

進一步調(diào)查漆膜表面異物(鐵屑或氧化鐵屑)的來源,可能是彩涂板生產(chǎn)制造過程中的烘烤環(huán)節(jié)。檢查了烘烤爐并收集了可疑雜質(zhì)(外觀如圖10所示),對其進行了微觀形貌觀察和能譜分析,結(jié)果如圖11及表4。形貌顯示呈碎屑狀的異物有較明顯的劃傷痕跡,懷疑為運行的帶鋼因位置波動與爐內(nèi)風箱產(chǎn)生擦傷產(chǎn)生的鐵屑;也有部分碎屑,可能為爐內(nèi)鐵屑氧化而成。爐內(nèi)殘存的鐵屑在后續(xù)彩涂鋼板生產(chǎn)中,進入到未完全固化的漆膜內(nèi)部,并隨固化之后的涂層及彩涂鋼板產(chǎn)出。

表4 烘烤爐雜質(zhì)能譜半定量分析結(jié)果

圖10 彩涂機組烘烤爐內(nèi)雜質(zhì)取樣

圖11 烘烤爐雜質(zhì)表面能譜分析結(jié)果

由于此類彩涂板表面的微小點銹缺陷尺寸較小,因此在機組在線質(zhì)量檢查時容易被忽略,因此還需要從源頭進行控制,即需要對烘烤爐進行定期的清潔,形成相應的烘烤爐清潔規(guī)范,避免烘烤爐內(nèi)雜質(zhì)長時間積累。另外,還需要關注爐內(nèi)帶鋼位置的異常波動,減少帶鋼被擦傷,也可減少爐內(nèi)雜質(zhì)的有效手段。采取上述管控措施后,消除了彩涂板表面微小點銹缺陷。

3 結(jié)論

(1)針對彩涂板表面的微小點銹缺陷進行了漆膜表面、漆膜剝離后的基板表面及截面金相分析,發(fā)現(xiàn)缺陷表面存在鐵的銹蝕,但漆膜未出現(xiàn)鼓泡,漆膜下方鍍層完整,鍍層下方鋼基體未發(fā)生銹蝕,可排除基體銹蝕的可能性。

(2)根據(jù)點缺陷位置漆膜中的壓痕、裂紋及局部氧化鐵嵌入漆膜的特征,可確定該銹蝕缺陷為漆膜表面的鐵屑或氧化鐵屑進入引起,需要關注彩涂板制造過程的烘烤環(huán)節(jié)。

(3)爐內(nèi)定期清潔非常重要,可以避免雜質(zhì)進入未固化的涂層內(nèi)部。

(4)解決爐內(nèi)帶鋼位置異常波動,減少帶鋼被擦傷是治理該問題的主要措施。