热镀铝锌钢板表面锌花尺寸不均匀原因

林传华,储双杰,任玉苓

(宝山钢铁股份有限公司 冷轧厂，上海 200941)

热镀铝锌钢板具有良好的耐腐蚀性和光热反射能力，在建筑、家电等行业中应用广泛[1]。热镀铝锌钢板表面有锌花，可以作为装饰直接用于空调、冰箱、洗衣机的背板。热镀铝锌钢板的锌花尺寸(直径)变化范围很广，通常从小于0.5 mm(肉眼不可见)到5 mm，在实际生产中，经常有锌花尺寸不均匀的情况发生，严重影响了热镀铝锌钢板的美观程度和实际使用。

目前，国内外学者针对热镀铝锌钢板表面锌花产生的原因做了大量研究。PHELAN等[2]研究发现，带钢浸入镀液时，在基板与镀液间形成了界面层，通过该界面层，铁元素扩散进入镀液，铝元素扩散进入基板，经过短暂的孕育期，θ-FeAl3或α-AlFeSi相在基板上形成，再经过一个时间稍长的孕育期，η-Fe2Al5相在基板与FeAl3/α-AlFeSi之间形成。KRAJEWSKI[3]研究发现钛元素可以通过异质形核作用来影响镀层锌花的尺寸。

某钢厂生产的热镀铝锌钢板表面锌花尺寸不均匀，笔者进行了一系列理化检验，对轧硬态基板表面镀层的内、外层及界面进行分析，研究了锌花尺寸不均匀的原因，以避免该类问题再次发生。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

用砂纸将轧硬态钢板表面局部区域打磨成尺寸为10 cm×10 cm(长×宽)的正方形(见图1)，并做好长度位置的定位标识，方便浸镀后取样。浸镀工艺的参数为：锌锅温度为600 ℃，钢板入锅温度为600 ℃，浸镀时间为3 s，钢板厚度为0.4 mm，材料为DX51D+AZ钢，镀液的化学成分如表1所示。

图1 浸镀前轧硬态钢板表面的宏观形貌

表1 浸镀工艺镀液的化学成分分析结果 %

1.2 试验方法

将砂纸打磨后的轧硬态钢板进行浸镀处理，然后进行宏观观察及微观分析。取焊接前后锌花尺寸差异大的钢板(见图2)，其中大锌花的尺寸约为5 mm，小锌花的尺寸约为1 mm，将镀层外层用硝酸乙醇溶液溶解后，用JSM-6460LV型扫描电镜(SEM)进行分析；在钢板镀层截面取样，进行SEM和能谱(EDS)分析。

图2 焊接前后锌花尺寸差异大的钢板宏观形貌

另外抽取6块锌花尺寸不均匀的镀铝锌钢板，编号为1#～6#试样。采用Nicolet 6700型傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对1#～6#试样表面的残留物进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 钢板表面状态的影响

浸镀后轧硬态钢板表面的宏观形貌如图3所示，可见砂纸打磨后，钢板表面的锌花尺寸明显变大。打磨区域和未打磨区域的浸镀工艺完全相同，说明轧硬态钢板的表面状态对锌花尺寸有影响，打磨后钢板表面状态发生变化，导致锌花的尺寸发生变化。

图3 浸镀后轧硬态钢板表面的宏观形貌

2.2 FTIR分析

对1#～6#试样的表面残留物进行FTIR分析，结果如表2所示。对试样的锌花尺寸进行评级，板面任一位置长度为100 mm方向上的锌花个数分别为85，65，40，30，20时，锌花尺寸等级依次对应1～5级。由表2可见：1#，5#试样的羧酸盐红外吸收峰值(I1 560)为2～3 mm，锌花尺寸等级为2.5级，锌花尺寸小；其余试样的I1 560均为0.5 mm，锌花尺寸等级为3.5～4.5级，锌花尺寸大。冷轧过程中，过热的乳化液与钢基板发生强烈共价反应，导致钢板表面产生羧酸盐，且羧酸盐很难被电解。打磨钢板表面可以将羧酸盐刮除，导致打磨后钢板表面的锌花尺寸发生改变。

表2 1#～6#试样表面残留物的FTIR分析结果

2.3 SEM和EDS分析

将锌花尺寸不同的试样外覆层中的富锌相和富铝相溶解，然后对试样的中间合金层表面进行SEM分析，结果如图4所示。由图4可知：小锌花试样中间合金层表面残留的硅针数量多，大锌花试样中间合金层表面残留的硅针数量少；进一步放大观察，发现小锌花试样的合金层有大量沟槽，而大锌花试样的合金层无明显沟槽。

图4 锌花尺寸不同的试样中间合金层表面的SEM形貌

图5是小锌花试样镀层截面的SEM形貌，可见小锌花试样的中间合金层有锌相(箭头所指位置)，说明沟槽是合金层中锌相溶解后产生的。

图5 小锌花试样镀层截面的SEM形貌

对锌花尺寸不同的试样镀层截面进行EDS分析，可知小锌花试样外覆层与合金层界面处锌元素的质量分数约为5%，大锌花试样外覆层与合金层界面处锌元素的质量分数约为10%。

3 综合分析

热镀铝锌工艺使用的镀液熔点高(590 ℃以上)，在镀液中加入质量分数为1.6%的硅元素，可以防止镀液与钢基板之间发生迅速且强烈的放热反应，促进薄而连续的合金层形成，避免镀液与钢基板之间过度反应[4]。镀层结晶凝固时，先形成富铝相，铁、硅等溶质元素被富铝相的枝晶隔离在未凝固的液相L中。随着温度进一步降低，铁、硅元素不断扩散进入未凝固的液相L，促进二元共晶反应(L→富铝相+硅针)，富铝相的枝晶持续生长，而硅针则在枝晶间沉淀，最后约在380 ℃的环境下发生三元共晶反应(L→富铝相+富锌相+硅针)，并完成凝固过程[5]。

轧硬态钢板表面残留有羧酸铁，使钢板的浸润性变差，进而影响了钢基板与镀液之间的反应，导致铁元素的溶解量减少，无法形成致密的铁-铝抑制层。SEM分析结果表明：小锌花试样没有形成致密的抑制层，导致锌元素渗透；大锌花试样的铁元素溶解量多，除了形成抑制层外，还引起钢基板表层铁元素的过饱和，铁元素在富铝相固溶体中的溶解度有限，在富铝相固溶体结晶时，过饱和的铁元素会被排出，限制了铝固溶体的形核速率，导致形核数量减少，形成大锌花。

液相中的铁、硅元素有很强的亲和力，铁元素在液相中的过饱和将促进硅元素溶质分配，从而引起液相中硅元素含量增加。对于被羧酸铁覆盖的钢板，铁元素的溶解受到阻碍，溶解量不足，无法形成过饱和。先结晶的富铝相中包含较少的硅元素，导致最后凝固部分的硅元素含量多，形成更多的硅针，因此小锌花比大锌花的硅针数量多，这个结果与相关文献的研究结果一致[4]。

钢板的浸润性能影响了钢基板铁元素的溶解量，进而影响了热镀铝锌钢板镀层的化学成分。表面带有锌灰的钢板，固相与固相之间扩散速率慢，钢基板铁元素的溶解量少，浸镀后形成小锌花；钢板没有锌灰覆盖的正常部位，钢基板铁元素的溶解量充足，浸镀后形成大锌花。铁元素溶解差异引起锌花尺寸不同的机理如图6所示。大锌花试样的浸润性好，铁元素溶解量大，在结晶之前的熔体中，过饱和的铁元素促进了硅元素的溶解，结晶后共晶硅少，微观下呈现的硅针数量少，三元共晶反应后，富锌相占比多；小锌花试样的浸润性差，铁元素溶解量小，在结晶之前的熔体中，欠饱和的铁元素不利于硅元素溶解，结晶后共晶硅多，微观下呈现的硅针数量多，三元共晶反应后，富锌相占比少，成分过冷导致镀层凝固结晶形成小锌花。

图6 铁元素溶解差异引起锌花尺寸不同的机理示意

4 结论与建议

钢板在热镀铝锌的过程中，铁元素溶解量差异导致凝固后镀层的硅针数量、合金层与外覆层界面的富锌相数量不均匀，以及影响钢基板与合金层界面之间铁-铝抑制层的形成，最终导致钢板表面锌花尺寸不均匀。

避免轧硬态钢板表面羧酸铁的形成，可以改善钢板表面热浸镀时的浸润性，解决钢板表面锌花尺寸不均匀的问题。