李積鵬,寧培棟,劉小華,姚 瑩
(1.酒鋼宏興股份有限公司鋼鐵研究院,甘肅 嘉峪關(guān) 735100; 2.酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)
目前,熱浸鍍鋁鋅硅板作為涂鍍產(chǎn)品中最重要、應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品,具有很強(qiáng)的耐蝕性和耐熱性能。其鍍層組織分為兩部分,外層以富鋁相枝晶為骨架,富鋅相分布于間隙,鍍層與基體之間是一層厚度約800 nm的Fe-Al-Si中間層,起到提高鍍層附著性和抑制鋅液和基體劇烈反應(yīng),避免產(chǎn)生灰色鍍層的作用[1-3]。鍍層組織決定了鍍層性能,富鋁相熔點(diǎn)較高、易鈍化,具有很強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能;富鋅相電極電位低,作為電化學(xué)反應(yīng)中的陽極起到陰極保護(hù)的作用;鋁枝晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)\的腐蝕產(chǎn)物隔離,避免腐蝕反應(yīng)擴(kuò)散[4]。綜合了這三個優(yōu)點(diǎn),鋁鋅硅鍍層的耐蝕性比相同鍍層厚度的鍍鋅板提高了2~4倍,以其優(yōu)異的耐蝕性,主要應(yīng)用于電氣柜、建筑輕鋼龍骨、屋面板、鋼板倉、結(jié)構(gòu)用支管和支架等[5-6]。隨著市場對鋁鋅硅鍍層產(chǎn)品不同環(huán)境下使用要求的提高,相比于鍍鋅板30 %~45 %和鋁硅鍍層板80 %以上的熱反射性能,鋁鋅硅鍍層板因70 %~75 %的優(yōu)異的熱反射性能,介于鍍鋅板和鋁硅鍍層板之間[7],并且相比于鋁硅鍍層板,工藝簡單、生產(chǎn)成本低,逐漸替代鋁板和鋁硅鍍層板,應(yīng)用于一些使用溫度較高的環(huán)境中,比如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件[8]。
由于純鋅鍍層熔點(diǎn)低,一般情況要求在室溫條件下使用,極限使用溫度為230 ℃,而鍍鋁鋅硅板可以在不超過300 ℃的環(huán)境中長期使用[9-10]。為了研究鍍鋁鋅硅板在不同溫度環(huán)境中鍍層的耐熱性能,將鍍鋁鋅硅板在200~500 ℃保溫不同時間后,觀察鍍層微觀組織變化規(guī)律,研究鍍層耐熱性能,確定鍍層極限使用溫度,保證鍍鋁鋅硅板使用安全性。
采用0.8 mm厚鍍鋁鋅硅板DC53D+AZ,鍍層重量150 g/m2,樣板取長條狀,有鉻耐指紋表面處理,單面鍍層厚度約25 μm,利用Gleeble試驗(yàn)機(jī)分別將樣板加熱到200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃,每個溫度試驗(yàn)4塊樣板,分別保溫5 h、24 h、50 h、100 h,保溫結(jié)束后取出自然冷卻,觀察鍍層表面顏色及形貌變化,截取20 mm×20 mm金相樣,經(jīng)過預(yù)磨和機(jī)械拋光后在掃描電鏡下觀察截面鍍層組織演變和元素成分變化規(guī)律。
在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃ 4種溫度下各保溫5 h、24 h、50 h、100 h后,試樣外觀見圖1,結(jié)果見表1。
表1 實(shí)驗(yàn)后表面外觀變化Tab.1 The change of surface appearance after test
圖1 不同溫度下保溫不同時間后試樣外觀Fig.1 Appearance of samples after heating at different temperature for different time
從外觀顏色及形貌來看,加熱溫度在200 ℃時,表面外觀無明顯變化;加熱溫度達(dá)到300 ℃時,鈍化膜受熱發(fā)生黃變,表面產(chǎn)生色差,隨著保溫時間增加,在保溫50 h之后,表面黃變減輕,外觀顏色恢復(fù)正常。在溫度升高至500 ℃時,表面發(fā)生黑變,鈍化膜高溫碳化,且鍍層開裂形成裂紋;保溫5 h時,表面粗糙有手感,存在少量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié),隨著保溫時間的增加,黏結(jié)的顆粒增多;保溫50 h時,表面存在明顯裂紋,鍍層聚集成網(wǎng)格狀,可能是由于試樣面積較大,鍍層成分凝聚的顆粒匯集成網(wǎng)格狀;保溫100 h時,鍍層發(fā)黑鼓泡,有大量鍍層成分凝聚的顆粒黏結(jié),鍍層表面形成孔洞狀[11]。
由于鍍鋁鋅硅板表面采用有鉻耐指紋鈍化,屬于有機(jī)/無機(jī)雜化鈍化方式,試樣表面存在有機(jī)聚合物成分,容易在高溫環(huán)境中與空氣中的氧氣發(fā)生氧化分解反應(yīng),所以造成鈍化膜破損,表面發(fā)生黃變的現(xiàn)象[12]。試樣在加熱溫度300 ℃,保溫5 h時,已經(jīng)交聯(lián)聚合的鈍化膜中的有機(jī)成分發(fā)生氧化分解反應(yīng),鈍化膜受熱發(fā)生黃變,表面產(chǎn)生色差,所以在此時試樣表面變黃[13];保溫時間增加至50 h時,試樣表面由之前的發(fā)黃轉(zhuǎn)變?yōu)樵镜慕饘偕?,此過程是由于表面鈍化膜在持續(xù)高溫環(huán)境中一直進(jìn)行著氧化分解反應(yīng),在保溫50 h時,鈍化膜幾乎完全氧化分解,黃邊色差減輕,恢復(fù)為原本的金屬色。在繼續(xù)提高加熱溫度和保溫時間的過程中,由于表面沒有鈍化膜,外觀顏色一直保持原本的金屬色,此現(xiàn)象與楊家云等[14]對于有機(jī)/無機(jī)鈍化膜高溫下表面狀態(tài)變化結(jié)論一致。
通過掃描電鏡觀察在200~500 ℃加熱溫度,保溫不同時間后鍍層截面組織的演變規(guī)律,如圖2~5所示。用EDS能譜分析試樣截面鍍層和中間層的各元素分布,結(jié)果見表2~5。從截面組織變化來看,在200 ℃時,鍍層組織呈現(xiàn)正常的狀態(tài),外層以富鋁相枝晶和填充在其中的富鋅相為主,富鋁相輪廓清晰,與基體結(jié)合處是Fe-Al-Si中間層[15]。隨著溫度升高和保溫時間增加,溫度在300 ℃時,鍍層以富鋁相與富鋅相為主,但富鋁相輪廓模糊,呈現(xiàn)逐漸合金化的趨勢。溫度在400 ℃時,鍍層以Zn-Al二元共晶相為主,中間層厚度增加。加熱溫度升高到500 ℃時,鍍層出現(xiàn)厚度減薄、表面高低起伏的狀態(tài),中間層增厚嚴(yán)重,鍍層破碎出現(xiàn)延伸到基體的裂紋。在500 ℃保溫100 h時,鍍層缺失嚴(yán)重,局部出現(xiàn)漏鍍、坑洞形貌。
表3 不同溫度下保溫24 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.3 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 24 h
表4 不同溫度下保溫50 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.4 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 50 h
表5 不同溫度下保溫100 h后鍍層和中間層截面EDS成分Tab.5 EDS component of coating and interlayer section after heating at different temperature for 100 h
圖2 不同溫度下保溫5 h后鍍層截面組織形貌Fig.2 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 5 h
圖3 不同溫度下保溫24 h后鍍層截面組織形貌Fig.3 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 24 h
圖4 不同溫度下保溫50 h后鍍層截面組織形貌Fig.4 Microstructure of coating section after heating at different temperature for 50 h
不同加熱溫度下保溫不同時間,鍍層和中間層Fe、Si元素分布見圖6,從鍍層和中間層中Fe、Si元素分布變化來看,隨著溫度升高和保溫時間增加,基板中的Fe原子向中間層和鍍層擴(kuò)散遷移,F(xiàn)e含量逐漸升高,加速了鍍層合金化,形成了Fe4Al13的Fe-Al化合物和FeZn13的ξ相,鍍層耐蝕性降低[16-17]。
圖6 鍍層和中間層中Fe、Si元素分布Fig.6 Distribution of Fe and Si elements in coating and interlayer section
鋁鋅鍍液中Si含量為1.6 %[18],在基板與鋅液反應(yīng)時,由于Hume-Rothery規(guī)則,Si原子首先固溶于Fe原子,限制了Al原子的擴(kuò)散,所以Si原子主要集中于中間層,限制了Al/Zn-Fe的劇烈反應(yīng),避免產(chǎn)生灰色鍍層[19-20]。200 ℃時Si原子在中間層含量達(dá)到7.3 %,比基板中的Si含量高得多,也說明了這一點(diǎn)。
原子體積較小的Si原子獲得熱量后活度增大,也從基板向中間層和鍍層擴(kuò)散遷移。隨著溫度升高和保溫時間增加,分為兩個非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程:(1)基板中的Si原子向中間層擴(kuò)散,擴(kuò)散速度為V;(2)中間層Si原子向鍍層擴(kuò)散,擴(kuò)散速度為v。兩個過程均為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散,根據(jù)菲克定律J=-Ddc/dx,擴(kuò)散通量J與原子濃度梯度dc/dx呈正比。在200~300 ℃,中間層Si含量降低而鍍層中Si含量升高,在此過程中V<v;在300~400 ℃,隨著中間層Si原子快速地向鍍層擴(kuò)散,原子濃度梯度降低,在此過程中V=v,中間層Si含量基本未發(fā)生變化,在400~500 ℃,基板中Si原子不斷擴(kuò)散導(dǎo)致原子濃度梯度降低,在此過程中V<v,中間層Si含量快速下降。
而隨著保溫時間繼續(xù)增加,鍍層中Si含量反而呈現(xiàn)下降趨勢,是由于保溫時間的增加導(dǎo)致Si原子向鍍層中擴(kuò)散偏析,固溶于Zn-Al的金屬化合物之間,形成Zn-Al-Si相,400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布見圖7。
圖7 400 ℃保溫100 h時鍍層中Zn-Al-Si相分布Fig.7 Distribution of Zn-Al-Si phase in the coating at 400 ℃ for 100 h
(1)隨著環(huán)境溫度的升高和使用時間的增加,F(xiàn)e元素逐漸向中間層和鍍層中擴(kuò)散,在不超過300 ℃環(huán)境中,可以長期使用,鍍層組織無明顯變化,可以保證鍍層的耐腐蝕性能。
(2)在環(huán)境溫度超過300 ℃后,鋁鋅硅合金鍍層中的Fe含量直線上升,形成Al-Zn-Fe金屬化合物,鍍層組織合金化,表面裂紋、鼓泡明顯,導(dǎo)致鍍層失效。
(3)鋁鋅硅合金鍍層板在不超過300 ℃環(huán)境中,耐熱性能介于鍍鋅板和鍍鋁板之間,可以替代鋁板和鋁硅鍍層板,應(yīng)用于如液晶顯示器背光源背板、汽車排氣管、散熱器、換熱器部件和釜膽、烤箱等家電用耐熱部件。