熱鍍鋅板黑斑缺陷的成因與對(duì)策

吳咸圣，齊 達(dá)，張 郢

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

熱鍍鋅鋼板以其優(yōu)良的耐腐蝕性能和潔凈外觀廣泛應(yīng)用于建筑、家電和汽車等行業(yè)。熱鍍鋅卷容易產(chǎn)生黑斑缺陷，黑斑缺陷不僅影響鍍鋅板表面的外觀，還降低鍍鋅板的耐腐蝕性能，最終導(dǎo)致熱鍍鋅板降級(jí)和報(bào)廢。雖然黑斑缺陷在運(yùn)輸過程中造成的觀點(diǎn)已達(dá)成共識(shí)[1，2]，但對(duì)黑斑缺陷的發(fā)生機(jī)理、微觀形貌以及解決措施研究較少。本文對(duì)典型的運(yùn)輸造成黑斑缺陷的發(fā)生機(jī)理、微觀形貌進(jìn)行了研究，并提出了缺陷解決措施，對(duì)鋼廠解決黑斑缺陷具有參考意義。

1 黑斑缺陷成因分析

（1）黑斑缺陷宏觀形貌和發(fā)生規(guī)律。黑斑缺陷主要發(fā)生于表面經(jīng)過無鉻鈍化處理的熱鍍鋅家電板，黑斑缺陷分布在鋼卷外圈，沿帶鋼軋制方向分布，且沿軋制方向周期性出現(xiàn)，周期長度從鋼卷外圈至內(nèi)圈逐漸減小，缺陷程度逐漸減輕，周期長度與鋼卷周長相對(duì)應(yīng)。黑斑缺陷由黑點(diǎn)密集聚集組成，呈片狀。

（2）黑斑缺陷成因分析。采用掃描電鏡對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果見圖1。結(jié)果顯示，缺陷區(qū)域表面紋理不清晰，無正常區(qū)域表面典型的復(fù)制光整機(jī)工作輥粗糙度后的微觀形貌，說明表面鋅層遭到了破壞。

圖1 黑斑缺陷微觀形貌

采用能譜儀對(duì)正常區(qū)域和缺陷區(qū)域分別進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2、表1和圖3、表2。

由圖2可以看出，帶鋼正常位置表面形貌為完整的凹凸形貌，系復(fù)制光整機(jī)輥面粗糙度形成。由表1可以看出，帶鋼表面以Zn為主，O含量偏高，原因是鋅層裸露在空氣中發(fā)生輕微氧化；P、Cr元素來源為鍍鋅卷表面的鈍化膜；Al、Fe為鋅層的正常組成元素。

表1 圖2所示缺陷微區(qū)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

圖2 帶鋼正常位置成分分析部位

由圖3可以看出，帶鋼呈疏松顆粒狀形貌，標(biāo)識(shí)箭頭位置有剮蹭痕跡，只有位置3附近少量面積為正常形貌。位置1和位置2主要元素是Zn和O，為Zn的不完全氧化產(chǎn)物，還存在少量P、Cr元素，來源為鍍鋅卷表面的鈍化膜；位置3區(qū)域Zn元素含量為89.84%，其余為少量的O和P，無Cr元素，說明此區(qū)域鋅層完整，但表面的鈍化膜不完整，遭到了破壞。

圖3 黑斑缺陷成分分析部位

表2 圖3所示缺陷微區(qū)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

結(jié)合黑斑缺陷的宏觀分布規(guī)律與微觀形貌和成分分析可知，黑斑為帶鋼局部被擠壓后發(fā)生相對(duì)摩擦造成。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，進(jìn)行了鍍鋅板手動(dòng)摩擦試驗(yàn)。取兩塊與黑斑卷同鋼種、同規(guī)格樣板，兩塊樣板在同一方向做往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)，直至鍍鋅板表面呈現(xiàn)黑斑缺陷，試驗(yàn)后樣板宏觀照片見圖4。用掃描電鏡和能譜儀分析手動(dòng)摩擦后黑斑的形貌和成分，結(jié)果見圖5和表3。

從宏觀形貌上看，生產(chǎn)運(yùn)輸中產(chǎn)生的黑斑與手動(dòng)摩擦產(chǎn)生的黑斑類似，均由密集黑點(diǎn)組成，但運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的黑斑顏色更深，黑點(diǎn)更明顯。對(duì)比微觀形貌，兩者存在較大差異，圖5中帶鋼表面的凹凸?fàn)钚蚊惨廊槐容^完整，但是由摩擦引起的劃痕布滿整個(gè)表面，而圖1和圖3中無完整的凹凸?fàn)畋砻嫘蚊病？赡苡捎谑謩?dòng)摩擦施加給帶鋼的力小，摩擦次數(shù)少，尚未完全將帶鋼表層的鈍化膜和鋅層破壞掉。

從表3可以看出，位置1無P、Cr元素，說明表面的鈍化膜已遭到破壞，且氧含量高，說明鋅層已經(jīng)發(fā)生氧化；位置2含P、Cr元素，且O元素較少，說明表面鈍化膜尚完整。這與表2中缺陷部位和正常部位的成分分布相似。

圖4 手動(dòng)摩擦形成黑斑宏觀形貌

圖5 手動(dòng)摩擦形成黑斑成分分析部位

表3 圖5所示缺陷微區(qū)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

（3）討論。通過以上分析可知，手動(dòng)摩擦產(chǎn)生的黑斑與運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的黑斑在形貌和成分上相似，說明黑斑缺陷由帶鋼層間錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生。熱鍍鋅卷在運(yùn)輸過程中鋼卷與固定支架間以及鋼卷間存在應(yīng)力集中部位，在摩擦系數(shù)一定的情況下，應(yīng)力越大，鋼卷發(fā)生錯(cuò)動(dòng)需要的力越大，當(dāng)應(yīng)力超過了鈍化膜與基體的結(jié)合力后，就發(fā)生鈍化膜的破損，進(jìn)而導(dǎo)致鋅層暴露，在密閉環(huán)境中氧含量不足而產(chǎn)生欠氧化產(chǎn)物，宏觀上表現(xiàn)為黑斑。由此可知，鋼卷捆帶松、運(yùn)輸車輛超載、道路顛簸、車上無鞍座等固定措施易導(dǎo)致鋼卷運(yùn)輸黑斑缺陷。

2 改進(jìn)措施及改進(jìn)效果

（1）改進(jìn)措施。通過對(duì)黑斑缺陷的成因研究可知黑斑缺陷主要由于鋼卷擠壓和帶鋼層間錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生，黑斑缺陷的改進(jìn)措施主要圍繞減小帶鋼層間間隙、減少鋼卷積壓和帶鋼層間錯(cuò)動(dòng)制定，主要包括：①鋼卷兩端增加周向捆帶。正常情況下，在鋼卷寬度方向中間打一道捆帶，鋼卷在吊裝、運(yùn)輸?shù)冗^程中容易產(chǎn)生捆帶松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致鋼卷外圈帶鋼松動(dòng)，增加層間錯(cuò)動(dòng)造成的黑斑風(fēng)險(xiǎn)。鋼卷兩端增加周向捆帶能夠在一定程度上降低捆帶松動(dòng)的概率。②減少鋼卷在運(yùn)輸車上的移動(dòng)。運(yùn)輸車上安裝固定支架，使鋼卷無法發(fā)生移動(dòng)，同時(shí)，在鋼卷與固定支架間填充緩沖材料，如皮墊、草墊等。③選擇好的運(yùn)輸路況。黑斑缺陷與運(yùn)輸路況密切相關(guān)，即使十幾公里的短倒運(yùn)輸也能夠產(chǎn)生黑斑缺陷，這與“黑斑由長距離運(yùn)輸造成”的認(rèn)知不同。較差的路況會(huì)增加運(yùn)輸過程中鋼卷與固定支架的擠壓和碰撞，造成黑斑缺陷。

（2）改進(jìn)效果實(shí)施上述改進(jìn)措施后，基本杜絕了熱鍍鋅卷的運(yùn)輸黑斑缺陷。

3 結(jié)語

通過掃描電鏡對(duì)黑斑缺陷進(jìn)行表面形貌及成分分析，進(jìn)一步闡述了黑斑缺陷的成因，即，由于鋼卷在惡劣的運(yùn)輸條件下，外圈不斷受到擠壓，層間錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致鋅層表面鋅粉脫落，在密閉環(huán)境中因氧含量不足而產(chǎn)生鋅的氧化產(chǎn)物，宏觀上表現(xiàn)為黑斑。通過鋼卷兩端增加周向捆帶、運(yùn)輸車上安裝鋼卷固定支架以及固定支架上墊膠皮或草墊、選擇好的運(yùn)輸路況等措施，基本杜絕了熱鍍鋅卷黑斑缺陷，改善效果明顯。