热镀锌板黑斑缺陷的成因与对策

吴咸圣，齐 达，张 郢

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

热镀锌钢板以其优良的耐腐蚀性能和洁净外观广泛应用于建筑、家电和汽车等行业。热镀锌卷容易产生黑斑缺陷，黑斑缺陷不仅影响镀锌板表面的外观，还降低镀锌板的耐腐蚀性能，最终导致热镀锌板降级和报废。虽然黑斑缺陷在运输过程中造成的观点已达成共识[1，2]，但对黑斑缺陷的发生机理、微观形貌以及解决措施研究较少。本文对典型的运输造成黑斑缺陷的发生机理、微观形貌进行了研究，并提出了缺陷解决措施，对钢厂解决黑斑缺陷具有参考意义。

1 黑斑缺陷成因分析

（1）黑斑缺陷宏观形貌和发生规律。黑斑缺陷主要发生于表面经过无铬钝化处理的热镀锌家电板，黑斑缺陷分布在钢卷外圈，沿带钢轧制方向分布，且沿轧制方向周期性出现，周期长度从钢卷外圈至内圈逐渐减小，缺陷程度逐渐减轻，周期长度与钢卷周长相对应。黑斑缺陷由黑点密集聚集组成，呈片状。

（2）黑斑缺陷成因分析。采用扫描电镜对缺陷区域进行微观形貌观察，结果见图1。结果显示，缺陷区域表面纹理不清晰，无正常区域表面典型的复制光整机工作辊粗糙度后的微观形貌，说明表面锌层遭到了破坏。

图1 黑斑缺陷微观形貌

采用能谱仪对正常区域和缺陷区域分别进行分析，结果见图2、表1和图3、表2。

由图2可以看出，带钢正常位置表面形貌为完整的凹凸形貌，系复制光整机辊面粗糙度形成。由表1可以看出，带钢表面以Zn为主，O含量偏高，原因是锌层裸露在空气中发生轻微氧化；P、Cr元素来源为镀锌卷表面的钝化膜；Al、Fe为锌层的正常组成元素。

表1 图2所示缺陷微区成分（质量百分数，%）

图2 带钢正常位置成分分析部位

由图3可以看出，带钢呈疏松颗粒状形貌，标识箭头位置有剐蹭痕迹，只有位置3附近少量面积为正常形貌。位置1和位置2主要元素是Zn和O，为Zn的不完全氧化产物，还存在少量P、Cr元素，来源为镀锌卷表面的钝化膜；位置3区域Zn元素含量为89.84%，其余为少量的O和P，无Cr元素，说明此区域锌层完整，但表面的钝化膜不完整，遭到了破坏。

图3 黑斑缺陷成分分析部位

表2 图3所示缺陷微区成分（质量百分数，%）

结合黑斑缺陷的宏观分布规律与微观形貌和成分分析可知，黑斑为带钢局部被挤压后发生相对摩擦造成。为了验证这一观点，进行了镀锌板手动摩擦试验。取两块与黑斑卷同钢种、同规格样板，两块样板在同一方向做往复摩擦运动，直至镀锌板表面呈现黑斑缺陷，试验后样板宏观照片见图4。用扫描电镜和能谱仪分析手动摩擦后黑斑的形貌和成分，结果见图5和表3。

从宏观形貌上看，生产运输中产生的黑斑与手动摩擦产生的黑斑类似，均由密集黑点组成，但运输过程中产生的黑斑颜色更深，黑点更明显。对比微观形貌，两者存在较大差异，图5中带钢表面的凹凸状形貌依然比较完整，但是由摩擦引起的划痕布满整个表面，而图1和图3中无完整的凹凸状表面形貌。可能由于手动摩擦施加给带钢的力小，摩擦次数少，尚未完全将带钢表层的钝化膜和锌层破坏掉。

从表3可以看出，位置1无P、Cr元素，说明表面的钝化膜已遭到破坏，且氧含量高，说明锌层已经发生氧化；位置2含P、Cr元素，且O元素较少，说明表面钝化膜尚完整。这与表2中缺陷部位和正常部位的成分分布相似。

图4 手动摩擦形成黑斑宏观形貌

图5 手动摩擦形成黑斑成分分析部位

表3 图5所示缺陷微区成分（质量百分数，%）

（3）讨论。通过以上分析可知，手动摩擦产生的黑斑与运输过程中产生的黑斑在形貌和成分上相似，说明黑斑缺陷由带钢层间错动产生。热镀锌卷在运输过程中钢卷与固定支架间以及钢卷间存在应力集中部位，在摩擦系数一定的情况下，应力越大，钢卷发生错动需要的力越大，当应力超过了钝化膜与基体的结合力后，就发生钝化膜的破损，进而导致锌层暴露，在密闭环境中氧含量不足而产生欠氧化产物，宏观上表现为黑斑。由此可知，钢卷捆带松、运输车辆超载、道路颠簸、车上无鞍座等固定措施易导致钢卷运输黑斑缺陷。

2 改进措施及改进效果

（1）改进措施。通过对黑斑缺陷的成因研究可知黑斑缺陷主要由于钢卷挤压和带钢层间错动产生，黑斑缺陷的改进措施主要围绕减小带钢层间间隙、减少钢卷积压和带钢层间错动制定，主要包括：①钢卷两端增加周向捆带。正常情况下，在钢卷宽度方向中间打一道捆带，钢卷在吊装、运输等过程中容易产生捆带松动，进而导致钢卷外圈带钢松动，增加层间错动造成的黑斑风险。钢卷两端增加周向捆带能够在一定程度上降低捆带松动的概率。②减少钢卷在运输车上的移动。运输车上安装固定支架，使钢卷无法发生移动，同时，在钢卷与固定支架间填充缓冲材料，如皮垫、草垫等。③选择好的运输路况。黑斑缺陷与运输路况密切相关，即使十几公里的短倒运输也能够产生黑斑缺陷，这与“黑斑由长距离运输造成”的认知不同。较差的路况会增加运输过程中钢卷与固定支架的挤压和碰撞，造成黑斑缺陷。

（2）改进效果实施上述改进措施后，基本杜绝了热镀锌卷的运输黑斑缺陷。

3 结语

通过扫描电镜对黑斑缺陷进行表面形貌及成分分析，进一步阐述了黑斑缺陷的成因，即，由于钢卷在恶劣的运输条件下，外圈不断受到挤压，层间错动导致锌层表面锌粉脱落，在密闭环境中因氧含量不足而产生锌的氧化产物，宏观上表现为黑斑。通过钢卷两端增加周向捆带、运输车上安装钢卷固定支架以及固定支架上垫胶皮或草垫、选择好的运输路况等措施，基本杜绝了热镀锌卷黑斑缺陷，改善效果明显。