熱基鍍鋅是熱軋基板經(jīng)過酸洗、平整、還原氣氛感應加熱處理后進行熱浸鍍鋅和三價鉻酸鹽鈍化處理，其產(chǎn)品廣泛應用于建筑、電器柜、畜牧、汽車結構件等行業(yè)，但其在制管使用過程容易發(fā)生黑變?nèi)毕?，不僅影響外觀質(zhì)量，還對其使用性能造成不良影響，給生產(chǎn)廠家和使用客戶帶來巨大損失，成為行業(yè)亟需解決的重要質(zhì)量問題。鋅層黑變一般情況下是指表面出現(xiàn)一層連續(xù)略帶黑色的薄膜，視覺上為呈現(xiàn)灰暗的區(qū)域。從國內(nèi)外關于鋅層黑變產(chǎn)生原因的相關研究結果來看，鋅層黑變產(chǎn)生的主要原因有2大類：一是腐蝕類黑變，二是摩擦類黑變。

對于腐蝕類黑變而言，黑變部位與正常部位的差異在于產(chǎn)生了一些鋅的腐蝕產(chǎn)物。游先政[1]對含鉛鍍鋅板產(chǎn)生黑變的原因進行了分析，提出了鍍層中“雜質(zhì)元素”是產(chǎn)生黑變的主要原因，鈍化產(chǎn)生的不均勻相在表面形成電位差，使富集相表面的陽極反應活性化，最終導致表面形成了黑變膜類的腐蝕產(chǎn)物。楊芃[2]等人針對涂油無鉻鈍化熱鍍鋅鋼板進行分條加工出現(xiàn)的摩擦條紋缺陷設計實驗進行分析，發(fā)現(xiàn)該缺陷是由于鋅層尖峰被毛氈磨損下來，形成鋅粉與油的混合物，油在其中起顯色和富集作用從而產(chǎn)生缺陷?？簶I(yè)峰[3]針對某廠出口三價鉻熱鍍鋅產(chǎn)品輥壓成形制方管時表面出現(xiàn)“發(fā)黑”情況研究分析，方管表面“發(fā)黑”是由于輥壓過程中鋼板與輥壓機摩擦產(chǎn)生的縱向輥印形成的色差帶。

本文通過適當?shù)谋碚魇侄魏驮囼灧椒ㄑ芯繜峄灞砻鏍顟B(tài)對鋅層性能的影響；通過摩擦磨損實驗研究鈍化膜潤滑性對摩擦磨損的影響，最終確定黑變成因，并采用有效的控制策略控制鍍鋅制管表面黑變?nèi)毕荨?/span>

1. 缺陷研究

為了研究熱基鍍鋅板在成型后的黑變?nèi)毕莸奈镔|(zhì)組成，借助激光共聚焦等進行微觀組織觀察（圖1），確定微觀形貌和輪廓；對選取的試樣分別進行X射線光電子能譜儀測試分析，激發(fā)源為Al Kα射線（1486.6 eV），以樣品表面污染碳的Cls結合能（284.8 eV）定標并校正荷電效應，先對樣品進行快速掃描，得到樣品各元素的總譜圖，然后對O、Zn和Mn等元素進行高分辨掃描，獲得各元素電子的結合能信息，其結果如圖2所示。鋅層黑變區(qū)域與正常區(qū)域均存在Zn、ZnO、微量Si，樣品黑色區(qū)域ZnO略多于白色處，這一結果符合摩擦導致暴露新鮮純Zn在空氣中，發(fā)生輕微氧化的效果，Si元素的存在說明該區(qū)域有三價鉻鈍化膜，其它元素無明顯差異。黑變?nèi)毕菖c正常區(qū)域有明顯邊界，黑變區(qū)域斜向摩擦痕顯著，摩擦痕方向與板材成形時的運行方向呈斜向。通過以上綜合分析，確定鍍鋅產(chǎn)品的制管黑線缺陷屬于摩擦類黑變而非腐蝕類黑變。

2. 基板粗糙度控制

鋅層中鐵質(zhì)量分數(shù)低于5%鍍層定義為純鋅層，5%~23%定義為合金層，23%~98%定義為擴散層。由鐵鋅相圖可知，在熱鍍鋅溫度460~470 °C的范圍內(nèi)時，產(chǎn)生4個相層[4]。鋅液中鋁質(zhì)量分數(shù)在0.16%~0.25%時，鋼基和鐵鋅合金之間形成薄且均質(zhì)的中間抑制層Fe2A15。

當基板表面粗糙度較大時，影響基板界面鋁元素的分布。基板表面的凸凹起伏影響基板與鋅液的反應，并影響熱鍍鋅反應初期生成的Fe2A15抑制層晶粒大小。即在熱鍍鋅反應初期，鋅液中的Al易吸附在基板的凸起部位，與基板反應生成Fe2A15抑制層晶粒迅速長大，顆粒尺寸較粗大，有少量間隙，容易出現(xiàn)抑制層缺失和斷裂，抑制層的缺失或斷裂容易在熱鍍純鋅鍍層中形成硬而脆的Γ相，破壞鋅層組織均勻性和粘附性。當受到外界的壓縮應力時，在鋼基體-鍍層界面上就會引起界面剪切應力，以鍍層剝離的形式而大量釋放出來[5]。因此，脆性Γ相最易在棱角上形成，該合金層抗粉化性能差，鍍鋅板在成型過程中容易出現(xiàn)鋅粉脫落現(xiàn)象，使鋼板與模具的接觸摩擦狀態(tài)發(fā)生變化，從而對摩擦行為也有潛在影響，在成形過程中可能會導致接觸面摩擦惡化，加劇磨損。

基板表面粗糙度是由輪廓算數(shù)平均偏差Ra值及輪廓最大高度Rz值表示[6]。熱軋基板表面及軋輥表面粗糙度隨著軋制公里數(shù)的增加而增加，酸洗后基板板面存在微觀凹凸起伏，表面Ra、Rz值均較冷軋基板的大。適當?shù)钠秸麎合侣士梢允蛊秸伇砻娲植诙扔行У膫鬟f到帶鋼表面上，并能通過平整壓下率的不同來控制帶鋼表面粗糙度的大小[7]。大平整壓下率，基板粗糙度Ra與Rz值均減小，如圖3。

鍍鋅前采用平整機大壓下工藝控制熱軋基板輪廓，常規(guī)平整壓下率為1.0%，大平整壓下率為2.5%。

針對熱基鍍鋅板，進一步驗證鍍鋅前采用平整大壓下工藝能夠?qū)彳埢遢喞鸱M行改善，通過掃描電子顯微鏡線掃描鋅層截面結構，采用常規(guī)平整壓下率1.0%，視野內(nèi)基板輪廓起伏較大，輪廓最大6.7 μm，凹坑部位鍍層較厚且平整度較差，基板表面的凹坑在鍍鋅時無法形成致密的抑制層Fe2Al5，如圖4；平整壓下率2.5%，視野內(nèi)基板平直，基本無輪廓起伏，截面線掃描元素無明顯異常，如圖5。試驗結果可以得出，加大平整機壓下率，基板平直度明顯改善，F(xiàn)e2Al5抑制層完好。對于制管用鍍鋅板，鍍鋅前采用增大平整機壓下率的方法可以改善基板平直度，提高鋅層組織均勻性和粘附性，降低鋅粉脫落，利于改善鍍鋅板與制管輥壓模具的接觸摩擦狀態(tài)。

3. 降低鈍化膜摩擦系數(shù)

為了更好地保護材料，尤其是在材料運輸、儲存過程中保證材料不被大氣腐蝕產(chǎn)生白銹等，工業(yè)上常采用輥涂法在熱鍍鋅基板表面涂覆一層鈍化膜。鈍化劑的種類較多，主要分為六價鉻鈍化劑、環(huán)保鈍化劑以及環(huán)保耐指紋鈍化劑等。馬源[8]等人對高耐蝕型耐指紋熱鍍鋁鋅鋼板沖壓后耐蝕性差并出現(xiàn)黑斑缺陷研究發(fā)現(xiàn)，沖壓后試樣與模具發(fā)生了嚴重的粘著磨損，表面殘余耐指紋膜厚度減少超過2/3，鋅層厚度降低，經(jīng)過磨削的涂層及鋁鋅層碎屑堆積在零件表面，導致該處光線反射減弱，視覺顯示發(fā)黑。對不同摩擦系數(shù)的鈍化鍍鋅板在相同壓力作用下發(fā)生摩擦后的表面宏觀形貌進行研究分析，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)直接影響鍍鋅板的黑變情況。熱基鍍鋅板表面經(jīng)光整處理，鍍鋅板表面粗糙度均勻一致，因而鍍鋅后表面摩擦系數(shù)與鈍化膜的潤滑特性有直接的關系。

為改善鍍鋅板的成型性能，國內(nèi)外開展了大量研究，采取了多種措施，期中包括涂覆潤滑油、改變鋼板的表面形貌、對鋼板表面進行鈍化處理等[9]。國外多家化學品供應商也通過增加潤滑助劑，開發(fā)出潤滑性能更好的耐指紋處理劑。為進一步研究鈍化膜潤滑性對鍍鋅表面摩擦磨損的影響，采用摩擦磨損試驗機對不同鈍化工藝生產(chǎn)的熱基鍍鋅板進行了測試：用旋轉(zhuǎn)速度為10~100 r/s的旋轉(zhuǎn)裝置對試驗樣品在不同壓力下進行旋轉(zhuǎn)摩擦，并測量其摩擦系數(shù)；旋轉(zhuǎn)裝置半徑為3、6、9和12 mm，裝置分別對不同的試樣采用10 N的壓力進行旋轉(zhuǎn)摩擦試驗。結果如圖6。通過分析可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)鈍化樣品摩擦系數(shù)上升很快，基本呈現(xiàn)直線上升趨勢，幾乎沒有摩擦穩(wěn)定平臺，而采用改良鈍化液工藝的樣品摩擦穩(wěn)定平臺期都較長，均超過200 s，采用改良鈍化液工藝能明顯降低鍍鋅板摩擦系數(shù)。

改良鈍化液工藝鈍化涂層分子間容易滑動，不易損傷和破壞，可以顯著降低摩擦系數(shù)，鈍化涂層能有效把輥壓模具與鋅層表面隔開，防止了固體表面的直接接觸，盡可能減小了滑動過程中的摩擦阻力，減輕了鋼板表面的損傷，從而避免了鋅層的摩擦發(fā)黑。

4. 效果驗證

采用大平整結合改良鈍化液工藝，與常規(guī)產(chǎn)品客戶使用驗證對比，改進后工藝制管表面無發(fā)黑情況，較常規(guī)工藝有明顯改善，制管成品表面質(zhì)量良好。圖7為客戶使用后照片對比。

5. 結束語

熱基鍍鋅基板輪廓度較冷基板大，鍍鋅前采用增大平整壓下率可有效改善基板平直度，從而得到較優(yōu)良的鋅層結構，提高鍍層抗粉化性能，利于改善鍍鋅板與制管輥壓模具的接觸摩擦狀態(tài)；采用改良鈍化液工藝，進一步降低鍍鋅板表面摩擦系數(shù)，盡可能減小了制管輥壓成形過程中的摩擦阻力，減輕了鋼板表面的損傷，從而避免了鋅層的摩擦發(fā)黑。通過客戶批量使用驗證，制管用鍍鋅板生產(chǎn)采用大平整結合改良鈍化液工藝控制策略，鍍鋅制管黑線缺陷改善效果顯著。

參考文獻

[1]游先政.熱鍍鋅層表面黑變機理及其控制.四川冶金,2002(4):2doi:10.3969/j.issn.1001-5108.2002.04.001

[2]楊芃,張云.無鉻鈍化熱鍍鋅鋼板摩擦條紋的分析與改善//第十二屆中國鋼鐵年會論文集:4.表面與涂鍍.北京:冶金工業(yè)出版社,2019

[3]亢業(yè)峰.三價鉻熱鍍鋅產(chǎn)品制管發(fā)黑原因分析.金屬世界,2020(3):38

[4]李九齡.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅3版.北京:冶金工業(yè)出版社,2010

[5]張啟富,劉邦津,黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅.北京:冶金工業(yè)出版社,2007

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[8]馬源,楊家云,戴毅剛.固體潤滑助劑對鍍鋁鋅耐指紋鋼板表面摩擦特性的影響.寶鋼技術,2014(5):39

[9]袁旭,劉昕,楊春生,等.自潤滑鍍鋅鋼板的現(xiàn)狀和發(fā)展.腐蝕與防護,2011,32(12):976

文章來源——金屬世界