镀锌钢板灰色镀锌层缺陷形成机理探析

镀锌钢板灰色镀锌层缺陷形成机理探析

金宗藏

重庆千岛科技有限责任公司

摘要：针对热浸镀锌钢板表面出现的灰色镀锌层缺陷，使用电子探针(EPMA)进行缺陷镀层断面WDS形貌显微分析和成分分析、使用扫描电子显微镜进行缺陷镀层表面SEM微观形貌分析和EDS成分分析，并结合热镀锌镀层形成机理，提出了连续热镀锌过程中由于带钢及锌锅温度过高，锌锅中铝含量过低以及带钢表面粗糙过大，促使铁－锌合金渗入带钢表面而形成镀锌层灰色镀层缺陷。

关键词：镀锌钢板；灰色镀锌层；缺陷

引言

镀锌板是指表面镀有一层锌的钢板。镀锌是一种经常采用的经济而有效的防锈方法，世界上锌产量的一半左右均用于此种工艺。镀锌钢板是为防止钢板表面遭受腐蚀延长其使用寿命，在钢板表面涂以一层金属锌，这种涂锌的钢板称为镀锌板。使用电子探针(EPMA)进行缺陷镀层断面WDS形貌显微分析和成分分析、使用扫描电镜（SEM）进行缺陷镀层表面微观形貌分析和EDS成分分析，并结合热镀锌镀层形成机理，提出了连续热镀锌过程中由于带钢及锌锅温度过高，锌锅中铝含量过低以及带钢表面粗糙过大，促使铁－锌合金渗入带钢表面而形成镀锌层灰色镀层缺陷。并从锌池中铝含量和铁含量 控制、锌池温度及钢板表面粗糙度控制等方面提出建议。

1. 按生产及加工方法可分为以下几类

1. 热浸镀锌钢板。将薄钢板浸入熔解的锌槽中，使其表面粘附一层锌的薄钢板。目前主要采用连续镀锌工艺生产，即把成卷的钢板连续浸在熔解有锌的镀槽中制成镀锌钢板；

2. 合金化镀锌钢板。这种钢板也是用热浸法制造，但在出槽后，立即把它加热到500℃左右，使其生成锌和铁的合金薄膜。这种镀锌板具有良好的涂料的密着性和焊接性；

3. 电镀锌钢板。用电镀法制造这种镀锌钢板具有良好的加工性。但镀层较薄，耐腐蚀性不如热浸法镀锌板；

4. 单面镀和双面差镀锌钢板。单面镀锌钢板，即只在一面镀锌的产品。在焊接、涂装、防锈处理、加工等方面，具有比双面镀锌板更好的适应性。为克服单面未涂锌的缺点，又有一种在另面涂以薄层锌的镀锌板，即双面差镀锌板；

（5）合金、复合镀锌钢板。它是用锌和其他金属如铝、铅、锌等制成合金乃至复合镀成的钢板。这种钢板既具有卓越的防锈性能，又有良好的涂装性能；除上述五种外，还有彩色镀锌钢板、印花涂装镀锌钢板、聚氯乙烯叠层镀锌钢板等。但目前最常用的仍为热浸镀锌板。

我国带钢热镀锌的发展与世界水平相比还存在一定的差距。我国现有热镀锌生产线多数存在技术落后、锌耗高、产品产量低、产品质量差、生产成本高、能量耗费大、环保措施不力，常造成严重环境污染等缺点，此类生产线难以满足我国国民经济腾飞的需要。我国大型钢板连续热镀锌技术多为花费巨资引进自美、日、欧，核心技术无法完全掌握，没有进行新的品种开发和生产的能力。另一方面我国自行研究的热镀锌工艺及技术转化率低，难以形成产业。

镀锌钢板一般会出现边部磨损，黑斑，白锈等表面缺陷缺陷，其中最为常见的灰色镀锌层缺陷通常在热镀锌无锌花钢板表面出现的一种暗灰色缺陷。该缺陷呈现目测高低不平，用手触摸，能够感到明显的凸起凹槽，该缺陷虽不会对镀锌板后续加工性能造成，但对外观会产生严重影响，并且凹凸不平的表面极易造成局部高点摩擦后腐蚀，减短镀锌钢板的使用寿命。并且热镀锌基板越厚，该缺陷造成的效果越明显。

二、 镀锌钢板灰色镀锌层缺陷分析

2．1 缺陷镀锌层断面分析

2．1．1 缺陷样板及样片制作

分别选取2．0mm和1．0mm的表面无明显杂质的灰色镀锌层缺陷镀锌钢板。将2．0mm厚度试样片标记为1#试样，将1．0mm厚度试样片标记为2#试样，将试样进行镶嵌制样并进行抛光打磨。

2．1．2 试样镀锌层断面EPMA形貌分析

分别对和2#试样的灰色缺陷部位进行EPMA分析形貌分析及WDS成分分析：分析结果表明：从1#样品缺陷部位的化学元素为：Zn、Fe、C、N、O、Al、P、Cr；2#样品缺陷部位的元素为：Zn、Fe、C、O、Al、Si、Cr。缺陷断面部位的元素主要是Zn和Fe，同时还检测出了C、O、Al等元素，其中Si、P、Cr等微量元素应为钝化膜所含成分及杂质异物成分。观察钢板表面缺陷部位呈现微观凸起，未凸起部位可观察到宽度小于20μm的划伤凹陷，此可能为钢板经过镀后辊时引起擦伤而导致的外观缺陷。

2．2 缺陷镀锌层表面分析

采用SEM对镀锌板表面的灰色镀锌层白点缺陷进行形貌分析和EDS成分分析，缺陷表面主要成分为Zn。钢板表面存在多条小于100 μm的轻微划伤，且擦伤呈现出一定的角度。可以确定为：镀层经过镀后辊面引起微观擦伤，继而呈现出外观白点缺陷，后经过拉矫机延伸，导致缺陷更加明显，直至产生白色间断横纹缺陷。在延伸过程中，带钢存在跑偏趋势，在纠偏力作用下使擦划伤呈现出一定角度。

三、产生成因分析及预防措施

3．1 产生成因分析

一般情况下，热镀锌过程中都会加入少量的铝，当添加的铝量为0.15wt%时，在钢板表面即可发现有Fe₂Al₅相析出，当添加的铝量大于0.2wt%，在钢基的表面会形成圆形、透镜状或片层状的Fe₂Al₅薄膜，并且随着铝含量的增加，时间的延长，薄膜会逐渐生长，在钢基表面形成一层Fe₂Al₅保护层。该层的存在会隔绝锌与钢基接触，起到抑制铁锌反应的作用，然而Fe₂Al₅层的这种阻碍作用时间有限，如果浸镀时间过长，由于锌及铁原子的不断扩散，此抑制层会逐渐变薄直至溶解破坏，Fe₂Al₅保护层溶解后，锌与钢基直接接触，发生强烈的迸裂反应并进一步形成迸裂组织，这段时间被称为抑制期(或潜伏期)。

在合金化加热过程中，Zn原子沿着洁净晶界向钢板内部扩散，并在晶界处生成Zn－Fe金属间化合物。由于Zn－Fe化合物结构相较于铁密度低，体积大，会使Fe₂Al₅层发生皲裂。皲裂的Fe₂Al₅层为熔融的锌提供了接触直接接触钢板表面的渠道，大量的Zn与钢板表面的Fe发生反应，迅速生成大量的Zn－Fe金属间化合物，同时其体积也急剧地膨胀，造成Fe₂Al₅层的破裂。逐渐产生迸裂组织。

产生的迸裂组织，镀层的结构自钢板一侧开始为迸裂组织、Fe2Al5层与锌层。由于铝含量较少，所以在基板表面形成的抑制层为纤维状薄层。基板表面粗糙度越大，基板与锌液接触的表面积越大，容易使抑制层出现厚薄不均甚至不连续的情况，在抑制层的薄弱部位会率先发生断裂生成Zn－Fe合金。在合金化处理过程中，迸裂组织以及提前生成的柱状Zn－Fe组织结构疏松，合金反应速度较快，迸裂组织周围合金化反应较慢部位的锌向反应较快部位发生移动，并与钢基中的铁原子继续发生合金反应，从而使迸裂组织和Zn－Fe 合金不断生长，最终造成镀层表面凸起，而在合金化反应较慢的部位则形成凹坑，使镀层表面粗糙度增大。即可在镀锌钢板表面观察到明显的灰色镀锌层缺陷，该缺陷经过后辊系发生 摩擦和延伸，出现灰白色斑点和横纹状缺陷。

3．2 控制措施

研究表明，随着铝用量的增加及熔池温度的降低，Al－Fe合金镀层内的铝含量也会持续增加。当铝的加入量在 0．1% ～ 0．3%范围时，可以有效抑制钢镀层界面Fe－Zn中间相裂纹长大的速度。当Al－Fe初始形成层开始破裂时，镀锌层孕育期结束，因此在工业生产中，热浸没时间应控制在孕育期内。

结语

⑴连续热镀锌过程中产生的灰色镀锌层缺陷为铁－锌合金迸裂组织。该组织是镀锌层生成过程中Zn渗入钢基表面而产生的。

⑵连续热镀锌过程中由于锌锅温度过高，锌锅中铝含量过低或者钢表面粗糙度过大都会促使铁－锌合金渗入钢基表面形成镀锌层灰色镀层。

参考文献

［1］ A． Ｒ． Marder． The metallurgy of zinc － coated steel［J］． Progress in Materials Science． 2000，45( 03) : 191-271．

［2］ 李亚东．基板表面状态对合金化热镀锌板镀层组织和性能的影响［D］．昆明理工大学，2010．

［3］ 中国金属学会．热轧、冷轧、热镀、电镀金属板带的表面缺 陷图谱［M］．北京: 中国金属学会( 钢铁) 编辑部编译，2000: 1-145．

作者简介：金宗藏 男 汉族 出生年月1985.08.14 本科 ，助理工程师