冷轧薄板在不同锌液成分和镀锌时间条件下的镀层质量

方　芳　黄　锋　陈一鸣

(1.武钢研究院　湖北　武汉：430080；2.武汉理工大学汽车工程学院　湖北　武汉：430070)



冷轧薄板在不同锌液成分和镀锌时间条件下的镀层质量

方芳1黄锋2陈一鸣1

(1.武钢研究院湖北武汉：430080；2.武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉：430070)

摘要采用热浸镀工艺模拟机，研究钢板浸入不同Al含量的锌液中保持一定时间后，镀层质量的变化。结果显示，镀锌浸润时间从2.5s增加到5.5s时，镀层重量和厚度变化较小。辉光检测锌液中Al含量增加，镀层重量和厚度均有明显的提高，在镀锌浸润时间4s时差异最大，当Al含量从0.15%增加到0.29%，镀层重量和厚度提高45g/m2和5μm。镀层截面形貌观察与辉光检测结果吻合，锌液中Al含量较低时镀层偏薄，且与钢基结合处较为粗糙，锌液中Al含量较高时镀层明显增厚，且镀层/钢基结合处平滑、连续。

关键词冷轧薄板；Al含量;镀锌时间;镀层；镀锌板

现代社会的发展，把节能减排放到了首要地位，钢铁行业更是重中之重，发展高强钢一方面可降低钢铁总产量、节约资源，另一方面可提高钢铁的附加值。未来汽车的发展方向是环保、节能、安全，汽车减重是降低油耗的重要途径之一[1]。汽车工业是我国的重要支柱产业，现在人们对汽车的外观和使用寿命要求越来越高。锌板具有良好的冲压性能、优良的抗腐蚀性、油漆涂装性及表面状况，随汽车工业的发展，镀锌板在汽车工业中的用量不断增长[2-3]。随着镀锌板在汽车行业的应用越来越广泛，汽车行业也对镀锌板提出了很多要求，它们主要包括：耐腐蚀性(保证汽车的使用寿命平均达到10年左右)，良好的力学性能(优良的深冲加工性、高强度、抗凹陷性)，优良的板形及尺寸公差，优良的焊接加工性、油漆涂装性和表面状态(镀层均匀性、粗糙度等)。

除了某些需要镀后处理的产品要求之外，镀锌工艺基本处于产品制造的最后流程，产品质量取决于所有前段工艺流程的来料质量及镀锌工艺段控制，影响因素非常多。其中，锌锅内管理参数就包括带钢走速、炉鼻露点和气氛、锌液成分、锌液流体力学、沉没辊设计等等。锌液中的各种微量元素在带钢连续热镀锌过程中发挥着重要作用，影响镀层的形成和状态[4]。铝在镀锌过程中有着极其重要的作用，由粘附机制可知，只有通过Fe2Al5中间粘附层的粘附作用，镀层才能紧紧地粘附在带钢表面。

本文通过设计实验室镀锌工艺参数，采用热浸镀工艺模拟试验机进行模拟，对试样在不同Al含量的锌液中浸润不同时间所得到的镀层进行分析，研究锌液成分和镀锌浸润时间对热镀锌镀层质量的影响。

1实验方法

试验钢取样于生产现场所得冷硬态钢带(超低碳深冲钢)，厚度为0.7mm，剪切成110mm×220mm的长方形钢板，保证试样表面清洁无明显划伤和氧化铁皮。试验钢擦拭表面油污后经超声波清洗，在热浸镀工艺模拟试验机上进行镀锌工艺参数模拟，具体工艺如图1所示，其中炉内露点-30℃，气氛10%H2-90%N2，气刀参数稳定在流量500L/min，速度500mm/s，试样在成分为0.15%/0.29%Al-Zn的锌液中分别浸润2.5s、4s和5.5s。

图1　试验钢镀锌工艺流程

试样在锌锅中浸润不同时间经气刀吹扫和冷却后，所得镀后试样取中间部位90mm×90mm处有效区域，切割成20mm×70mm的条状试样，采用辉光光谱仪(GDOES)分析镀后的试样表面状态并统计分析，每块试样分析正反两面各三点取其平均值。之后再切割成10mm×10mm的块状试样镶嵌后经机械打磨和抛光后，利用HITACHI-S-4300型扫描电镜(SEM)进行镀层形貌观察。

2结果与讨论

2.1镀锌时间的影响

试样首先经辉光分析，得到的Zn、Al、Fe各元素强度曲线平滑，本文以Zn元素和Fe元素曲线的交点位置作为镀层/基板界面位置，具体结果如图2所示。在两种锌液成分下，镀锌浸润时间从2.5s增加到5.5s时，镀层重量和厚度均有所增加，但差距非常小。

带钢在卷入和卷出锌液过程中，可分为两个时间过程：一是带钢与锌液中的铝和锌化合物反应，形成Fe2Al5中间层和Fe-Zn合金层的过程；二是锌液中远离带钢区域的Al向带钢附近区域扩散的过程[4]。本文实验工艺在热浸镀试验机上实现，不涉及生产现场存在的带钢进出锌锅产生的流体动力学，锌液相对静止。钢板浸入锌锅后，锌液中Al、Zn和Fe首先反应形成非常薄的Fe2Al5抑制层(20nm～250nm)[5]，该抑制层有利于提高镀层粘附性，使镀层和带钢具有良好的结合力，另一面Fe2Al5相成为锌铁反应的阻挡层，能抑制锌铁合金相形成，从而提高镀层成形性。因而，随着钢板镀锌浸润时间的延长，虽然Al、Zn和Fe的反应时间增加，镀层由于抑制层的存在不能明显增厚。

图2　镀锌时间对镀层重量和厚度的影响

2.2锌液成分的影响

锌液中固溶不同含量的Al对镀层质量有明显的影响作用。如图3所示，当Al含量从0.15%增加到0.29%时，镀层重量和厚度均有明显的提高。钢板浸入锌锅中4s时，随着Al含量增加，镀层重量和厚度分别提高45g/m2和5μm。另一方面，黑色柱体代表的Al含量较低的锌液，镀层重量和厚度均差距非常小，分别为和4.6g/m2和0.7μm；红色柱体代表的Al含量较高的锌液，镀层重量和厚度差距稍大，分别为10g/m2和1.4μm。即在钢板浸入锌液中的一开始锌液中Al就已经和Fe反应完成，对镀层质量影响较小，反而镀锌浸润时间的影响可以忽略。

镀层截面观察结果显示(图4)，锌液中Al含量较低时(图4a)，镀层偏薄，与钢基结合处较为粗糙。锌液中Al含量较高时(图4b)，镀层明显增厚，且镀层/钢基结合处平滑、连续，形貌观察与辉光检测结果吻合。

3结论

(1)镀锌浸润时间从2.5s增加到5.5s时，镀层重量和厚度均有所增加，但差距非常小。随着钢板镀锌浸润时间的延长，虽然Al、Zn和Fe的反应时间增加，但是这种反应由于抑制层的存在不能持续，镀层不能明显增厚。

(2)锌液中Al含量的变化对镀层质量有明显的影响。随着Al含量的增加，镀层重量和厚度均有明显的提高，当镀锌浸润时间为4s时，二者分别提高45 g/m2和5μm。

图3　锌液成分对镀层

图4　不同锌液成分条件下镀层截面形貌

(3)镀层截面SEM观察结果显示，锌液中Al含量较低时的镀层偏薄，与钢基结合处较为粗糙。锌液中Al含量较高时的镀层明显增厚，且镀层/钢基结合处平滑、连续，形貌观察与辉光检测结果吻合。

参考文献

[1]唐荻,米振莉,陈雨来.国外新型汽车用钢的技术要求及研究开发现状[J].钢铁,2005，40(6):1- 5.

[2]李少平.镀锌板成形性能的数值模拟与物理模拟研究及主要缺陷分析[D].上海交通大学硕士学位论文,2007.

[3]Parezanovió M Spiegel.露点温度对冷轧DP和Ti-IF钢选择氧化的影响[J].世界钢铁,2004，(6):26-32.

[4]史正良,刘金龙.镀锌层附着性分析[J].热处理,2007,22(5):51-54.

[5]Morimoto Y, Mcdevitt E, Meshii M. Characterization of Fe-Al inhibition layer formed in the initial stages of hot-dip galvannealing[J]. ISIJ, 1997,37(9):906-913.

(责任编辑：李文英)

Coating Quality of Thin Steel Plate Hot-dipped with Different Dipping Time and Zinc Bath Chemistries

Fang Fang1Huang Feng2Chen Yiming1

(1.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei；2.School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei)

Abstract:Different dipping time and zinc bath chemistry were conducted by a hot dipping process simulator in laboratory to study their effect on coating weight and thickness. The results show that, when the experimental steels were immersed for 2.5s, 4s, 5.5s in a Zn-0.15/0.29%Al zinc bath, the coating weight increased a little with the immersion time, but increased a lot as Al content in the zinc bath increased. When the immersion time was 4 s, the margin was the largest with 45 g/m2and 5μm improving for coating weight and thickness, respectively. The SEM morphology of the coating consisted with the measurements of GDOES (Glow Discharge Optical Emissivity Spectroscopy), the coating was thinner and coarser along the binding site with lower Al content, and when Al content increased, the coating became thicker and smoother on the binding site.

Key words:cold rolled thin plate; Al content; dipping time; coating; galvanized sheet

中图分类号：TG174.44

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)01-0035-03

作者简介：方芳(1982～)，女，博士，工程师.E-mail：13554337160@163.com

收稿日期：2015-12-29修回日期：2016-01-18