摘 要:采用紅外光譜分析、掃描電鏡及能譜分析等方法,對熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均勻 的原因進行分析。結果表明: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,正常鋼 基板表層溶解了足夠量的鐵元素,過飽和的鐵元素限制了鋁枝晶的形核速率,同時促進了硅元素的 分配,共晶析出的硅針少,外覆層凝固時鋁枝晶的形核數量少,長大成正常的大鋅花;表面帶有羧酸 鐵的基板,板面浸潤性差,鐵元素的溶解量少,鋁枝晶的形核不受限制,生成了小鋅花。
關鍵詞:熱鍍鋁鋅;鋼板;鋅花;鐵元素;羧酸鐵
中圖分類號:TB31;TG174.443 文獻標志碼:B 文章編號: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、冰 箱、洗衣機的背板。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)到5mm,在實際生產中,經常有鋅花尺寸不均 勻的情況發(fā)生,嚴重影響了熱鍍鋁鋅鋼板的美觀程 度和實際使用。
目前,國內外學者針對熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花 產生的原因做了大量研究。PHELAN 等[2]研究發(fā) 現,帶鋼浸入鍍液時,在基板與鍍液間形成了界面 層,通過該界面層,鐵元素擴散進入鍍液,鋁元素擴 散進 入 基 板,經 過 短 暫 的 孕 育 期,θ-FeAl3 或 αAlFeSi相在基板上形成,再經過一個時間稍長的孕 育期,η-Fe2Al5 相在基板與FeAl3/α-AlFeSi之間形 成。KRAJEWSKI [3]研究發(fā)現鈦元素可以通過異質 形核作用來影響鍍層鋅花的尺寸。
某鋼廠生產的熱鍍鋁鋅鋼板表面鋅花尺寸不均 勻,筆者進行了一系列理化檢驗,對軋硬態(tài)基板表面 鍍層的內、外層及界面進行分析,研究了鋅花尺寸不 均勻的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
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×寬)的正方形(見圖1),并做 好長度位置的定位標識,方便浸鍍后取樣。浸鍍工 藝的參數為:鋅鍋溫度為600 ℃,鋼板入鍋溫度為 600℃,浸鍍時間為3s,鋼板厚度為0.4mm,材料 為DX51D+AZ鋼,鍍液的化學成分如表1所示。
1.2 試驗方法
將砂紙打磨后的軋硬態(tài)鋼板進行浸鍍處理,然 后進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)進行分析;在鋼板鍍層截面取樣,進行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, 編號為1# ~6# 試樣。采用 Nicolet6700型傅里葉 變換紅外光譜儀(FTIR)對1# ~6# 試樣表面的殘留 物進行分析。
2 試驗結果及分析
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,說明軋硬 態(tài)鋼板的表面狀態(tài)對鋅花尺寸有影響,打磨后鋼板表 面狀態(tài)發(fā)生變化,導致鋅花的尺寸發(fā)生變化。
2.2 FTIR分析
對1# ~6# 試樣的表面殘留物進行FTIR分析, 結果如表2所示。對試樣的鋅花尺寸進行評級,板 面任一位置長度為100mm方向上的鋅花個數分別 為85,65,40,30,20時,鋅花尺寸等級依次對應1~ 5級。由表2可見:1# ,5# 試樣的羧酸鹽紅外吸收 峰值(I1560)為2~3mm,鋅花尺寸等級為2.5級,鋅 花尺寸小;其余試樣的I1560 均為0.5mm,鋅花尺寸 等級為3.5~4.5級,鋅花尺寸大。冷軋過程中,過 熱的乳化液與鋼基板發(fā)生強烈共價反應,導致鋼板 表面產生羧酸鹽,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,然后對試樣的中間合金層表面進行SEM 分析,結果如圖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量多,大鋅花試樣中間 合金層表面殘留的硅針數量少;進一步放大觀察,發(fā) 現小鋅花試樣的合金層有大量溝槽,而大鋅花試樣 的合金層無明顯溝槽。
圖5是小鋅花試樣鍍層截面的SEM 形貌,可 見小鋅花試樣的中間合金層有鋅相(箭頭所指位 置),說明溝槽是合金層中鋅相溶解后產生的。
對鋅花尺寸不同的試樣鍍層截面進行 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量分數約為5%,大鋅花試樣外覆層與合金層 界面處鋅元素的質量分數約為10%。
3 綜合分析
熱鍍鋁鋅工藝使用的鍍液熔點高(590℃以上), 在鍍液中加入質量分數為1.6%的硅元素,可以防止 鍍液與鋼基板之間發(fā)生迅速且強烈的放熱反應,促進 薄而連續(xù)的合金層形成,避免鍍液與鋼基板之間過度 反應[4]。鍍層結晶凝固時,先形成富鋁相,鐵、硅等溶 質元素被富鋁相的枝晶隔離在未凝固的液相L中。 隨著溫度進一步降低,鐵、硅元素不斷擴散進入未凝 固的液相L,促進二元共晶反應(L→富鋁相+硅針), 富鋁相的枝晶持續(xù)生長,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(L→富鋁 相+富鋅相+硅針),并完成凝固過程[5]。
軋硬態(tài)鋼板表面殘留有羧酸鐵,使鋼板的浸潤性 變差,進而影響了鋼基板與鍍液之間的反應,導致鐵元 素的溶解量減少,無法形成致密的鐵-鋁抑制層。SEM 分析結果表明:小鋅花試樣沒有形成致密的抑制層,導致鋅元素滲透;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 結晶時,過飽和的鐵元素會被排出,限制了鋁固溶體的 形核速率,導致形核數量減少,形成大鋅花。
液相中的鐵、硅元素有很強的親和力,鐵元素在 液相中的過飽和將促進硅元素溶質分配,從而引起 液相中硅元素含量增加。對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,無法形成 過飽和。先結晶的富鋁相中包含較少的硅元素,導 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量多,這個結果與相 關文獻的研究結果一致[4]。
鋼板的浸潤性能影響了鋼基板鐵元素的溶解 量,進而影響了熱鍍鋁鋅鋼板鍍層的化學成分。表 面帶有鋅灰的鋼板,固相與固相之間擴散速率慢,鋼 基板鐵元素的溶解量少,浸鍍后形成小鋅花;鋼板沒 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 尺寸不同的機理如圖6所示。大鋅花試樣的浸潤性 好,鐵元素溶解量大,在結晶之前的熔體中,過飽和 的鐵元素促進了硅元素的溶解,結晶后共晶硅少,微 觀下呈現的硅針數量少,三元共晶反應后,富鋅相占 比多;小鋅花試樣的浸潤性差,鐵元素溶解量小,在 結晶之前的熔體中,欠飽和的鐵元素不利于硅元素 溶解,結晶后共晶硅多,微觀下呈現的硅針數量多, 三元共晶反應后,富鋅相占比少,成分過冷導致鍍層 凝固結晶形成小鋅花。
4 結論與建議
鋼板在熱鍍鋁鋅的過程中,鐵元素溶解量差異 導致凝固后鍍層的硅針數量、合金層與外覆層界面 的富鋅相數量不均勻,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 鋼板表面熱浸鍍時的浸潤性,解決鋼板表面鋅花尺 寸不均勻的問題。
參考文獻:
[1] 史良權.熱鍍鋁鋅合金鋼板[J].世界鋼鐵,2003,3 (3):9.
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[3] KRAJEWSKI W.The effect of Tiaddition on propertiesofselectedZn-Alalloys[J].PhysicaStatus Solidi(A),1995,147(2):389-399.
[4] SELVERIANJ H,MARDER A R,NOTIS M R. Theeffectsofsilicononthereactionbetweensolid iron and liquid 55 wt pct Al-Zn baths [J]. MetallurgicalTransactionsA,1989,20(3):543-555.
[5] CHENRY,WILLISDJ.Thebehaviorofsiliconin thesolidificationof Zn-55Al-1.6Sicoatingonsteel [J].Metallurgicaland Materials Transactions A, 2005,36(1):117-128.
<文章來源 > 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:68-71)>
