某H形鋼制件鍍鋅層黑斑成因與對策

韓君利 冮竹茵 李松成 王明時 任鐵鋼 門依陽

（遼沈工業集團有限公司，遼寧沈陽 110045）

0.引言

鍍鋅層對鋼鐵基體來說是典型的陽極鍍層，它對基體金屬起電化學保護作用[1]，因此被廣泛應用于鋼制件的防護。鍍鋅工藝有氰化物鍍鋅、堿性無氰鍍鋅等，其中堿性無氰鍍鋅以其鍍液組成簡單、結晶細致鍍鋅層容易鈍化，且鈍化膜不易變色以及廢水處理容易等優點，早在上世紀70年代就在生產上應用[2]。在堿性無氰鍍鋅生產實踐中發現，某H形工件在鍍鋅鈍化后鍍層表面常出現黑色斑塊缺陷，如圖1所示，尤其是鍍鋅返工零件鍍層表面黑斑出現頻率更高。該缺陷出現位置隨機、無規律，降低了零件的外觀質量。

圖1 鍍鋅層鈍化后出現黑斑

為查明缺陷產生的原因及查找解決方法，本文通過對黑斑進行掃描電子顯微鏡分析、Zeiss observer.Zlm顯微鏡即圖像分析系統進行分析，確定了黑斑產生原因，針對原因制定了處理方案并驗證了方案的有效性。

1.試樣與方法

1.1 試樣制備

鍍鋅采用堿性鋅酸鹽鍍鋅，工件鍍鋅工藝流程為：溶劑清洗→冷水洗→冷水洗→陽極除油（50℃～60℃，40min）→熱水洗→冷水洗→酸洗（鹽酸，室溫，30s～60s）→冷水洗→冷水洗→鍍鋅（30℃～40℃，1A/dm2～4A/dm2，40min）→溫水洗→冷水洗→出光→冷水洗→冷水洗→六價鉻彩色鈍化→冷水洗→溫水洗→吹干→烘干。具體工藝條件如下。

按照上述工藝進行試樣制備，試樣表面呈現塊狀的黑斑，位置分布無規律。

1.2 黑斑形貌及微區成分分析

選取試樣黑斑區域線切割呈10mm×10mm的試樣，采用掃描電子顯微鏡和Zeiss observer.Zlm顯微鏡即圖像分析系統對鍍鋅試樣表面黑斑形貌進行觀察，并對黑斑部位主要成分進行分析。

1.3 黑斑部位的顯微組織分析

對試樣黑斑部位的顯微組織進行測定，觀察試樣表面黑斑是否為原材料夾雜，探究黑斑缺陷產生的原因。

2.結果與分析

2.1 黑斑形貌及微區成分分析

首先采用掃描電子顯微鏡對試樣進行微觀分析，圖2是黑斑的形貌，表面黑斑主要元素有O、Fe、Zn、Si，還含有Al、S、Cl、K、Ca等元素，說明材料已經發生氧化，且氧化嚴重。說明黑斑系鐵的氧化物，不是鍍層的組成。

圖2 試樣表面黑斑形貌

2.2 黑斑部位的顯微組織分析

對試樣的夾雜物進行了分析，夾雜物主要含有D類細系類型，數量較少，因此，夾雜物從形態到數量上都不足以形成黑斑；沿著表面黑斑縱向拋開，觀察其組織形貌，黑斑形貌見圖3和圖4，從圖中可以看出，工件表面脫碳，脫碳層深度約20μm，且可觀察到表面缺陷。

圖3 表面脫碳形貌

圖4 表面黑斑縱截面形貌

3.黑斑缺陷原因分析

根據黑斑明顯凹于鍍層表面的形貌分析，產生黑斑的可能原因有3個：一是原材料有夾雜，在鍍鋅前處理后未去除干凈，鍍鋅過程幾乎無鋅沉積后形成黑斑；二是槽液雜質較多，大塊固體雜質吸附在鍍層中形成黑斑；三是在鍍鋅前，基體表面有較厚的鐵的氧化物未去除干凈，鍍鋅過程中該處無法沉積鋅層，進而形成黑斑。針對上述原因逐一進行排查分析。

3.1 原材料夾雜

根據2.2中分析結果顯示，夾雜物從形態到數量上都不足以形成黑斑，因此本原因可以排除。

3.2 槽液沉渣吸附在鍍層表面

首先對鍍鋅槽液進行分析，主鹽及配位劑濃度均在工藝范圍內，赫爾槽試片顯示槽液狀態優良；其次，經現場觀察，槽液未見大量沉渣；再次，若是槽液中沉渣附著在零件表面，同一槽多數工件表面均應有黑斑，但表面有黑斑缺陷工件的同槽其他工件未見黑斑。綜上，本原因可以排除。

3.3 基體表面氧化物未去除干凈

跟蹤鍍鋅生產過程后發現，工件鍍鋅前外觀檢驗未發現脫碳層氧化現象，在陽極除油后基體表面顏色光澤發生變化，存在個別工件在陽極除油后表面變成黑色，尤其是返工件，酸洗后黑色物質未完全消失、未完全恢復金屬光澤，鍍鋅后鍍層出現與前面描述一致的黑斑缺陷。由于陽極除油時析出的氧氣促使金屬表面氧化，甚至使某些油脂也發生氧化[3]，生產過程中陽極除油過長會使基體表面發生氧化形成氧化膜，尤其是返工工件，膜層經酸洗工序不能完全去除，在鍍鋅過程中致密的氧化膜層幾乎未沉積鋅，形成了凹于周圍鋅鍍層的黑斑缺陷。上述分析與2.1中分析結果吻合，由此可證明上述分析結論的準確性。

綜上所述，黑斑產生原因是陽極除油時間過長，使工件表面形成氧化膜，該膜層在酸洗工序未完全去除，在后續的鍍鋅過程中氧化膜致密的部位無法沉積完整的鋅鍍層，從而形成鍍層黑斑的缺陷。

4.解決措施

針對上述原因，可制定2項解決措施：（1）針對后續投產工件，第一次鍍鋅工件可縮短陽極除油時間至20min，返工零件可不進行陽極除油或將除油時間控制在2min～4min，避免陽極除油時間過長生成較厚氧化膜；另外，為保證工件除油效果，在陽極除油后增加超聲波除油工序，同時超聲波的震蕩作用有利于陽極除油產生的氧化膜的去除。（2）針對基體表面已產生較厚氧化膜的返工工件，可在退鍍后進行打磨處理，將表面打磨至基本恢復金屬光澤后再進行鍍鋅處理，復雜多孔工件在打磨前可進行2s～3s鉻酸洗，以防止易生銹材質且有較多孔徑小且孔深的工件在打磨過程孔內生銹。

按照措施二返修的27件工件，再次鍍鋅后未再出現黑斑缺陷；后續按照措施一投產的500件工件均未在出現類似的黑斑缺陷，所以，可以說上述兩項措施能夠有效解決鍍鋅層黑斑問題。

5.結語

鍍層黑斑缺陷產生原因是工件陽極除油時間過長，在工件表面形成氧化膜，酸洗未能將形成的氧化膜完全去除，導致氧化膜致密的部位無法沉積完整的鋅鍍層，從而形成鍍層黑斑的缺陷。可采取以下對策：（1）針對后續投產工件可采用縮短陽極除油時間，同時增加超聲除油工序的方法解決；（2）針對已形成較厚氧化膜的工件可采用退鍍后打磨至基本恢復金屬光澤后再鍍鋅的方法進行返工處理。