合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋分析

劉少先,楊 健,姜貴松

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司,廣東 湛江 524000)

合金化熱鍍鋅鋼板具有較好的耐蝕性、成形性、涂裝性,被廣泛用作汽車內外板的制造。用作可視化汽車板時,對表面的要求較高,不允許表面存在影響美觀的劃傷、色差、異物壓入等缺陷。相關的分析表明,絕大多數的表面缺陷都與基板有關,金鑫焱[1]等研究了合金化熱鍍鋅IF鋼表面亮條紋的產生原因,認為是基板表面氧化鋁導致;崔磊[2]研究了合金化熱鍍鋅IF鋼表面灰白條紋缺陷的原因,認為是基板表層存在未再結晶組織導致;Ravi Shankar A[3]研究了熱鍍鋅表面小亮點缺陷的產生原因,認為是入鋅鍋前基板存在小凹坑導致。

熱鍍鋅鋼板的合金化過程是一個放大鏡,能將普通缺陷放大,對于常規的表面夾雜、擦劃傷、基板輥印等缺陷,經過鍍鋅后基本能夠被覆蓋,達到肉眼不可見的程度,滿足使用的要求。但經過合金化之后,由于基板中各種缺陷的存在會影響合金化反應過程中的Zn—Fe擴散,導致合金化之后局部出現合金化過充分或不充分的現象,形成色差。常見的如熱軋擦劃傷、氧化鋁夾雜等會形成白條紋,未再結晶組織會形成暗條紋,鋅灰鋅渣等會形成小亮點或小暗點。總之,通過微觀分析,明確每一類缺陷的產生原因,對于缺陷的改進至關重要。

本文分析了一種合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋的產生原因,使用掃描電鏡、能譜儀、激光誘導擊穿光譜儀、電子背散射衍射儀等設備,對缺陷處的鍍層形貌、基板形貌、元素成分進行了分析,找到了缺陷的產生原因,制定相應的改善措施,使該缺陷得到有效控制。

1 試驗材料及方法

試驗材料為含Mn低碳鋼,經煉鋼—連鑄—熱軋—酸軋—退火—鍍鋅—合金化—平整后表面出現暗條紋缺陷,主要分布于鍍鋅下表面,上表面偶發。分析材料成分如表1所示,鋼板厚1.97 mm,鍍層質量47～49 g/m2(單面)。條紋宏觀形貌如圖1所示,寬度約為2 mm,長度大于100 mm,與周圍形貌相比呈現暗條紋特征。使用ZEISS EVO 18型鎢燈絲掃描電鏡分析條紋部位與正常部位的鍍層形貌,使用17%的鹽酸加緩蝕劑溶液去除鋅層,目的是溶去鋅層而不影響基板,使用掃描電鏡分析基板表面形貌。使用牛津儀器MAX-20型能譜儀分析基板表面成分,使用鋼研納克的LIBSOPA 100型激光誘導擊穿光譜儀分析表面的元素分布,垂直和平行于條紋方向切割制備橫截面和縱截面試樣,經鑲嵌、研磨、拋光后在掃描電鏡下觀察鍍層及基板特征,后續對基板表面拋光處理,分析基板淺表層形貌,并使用牛津儀器的Symmetry型電子背散射衍射儀分析截面缺陷處的晶粒取向特征及晶界特征。

表1 分析試樣化學成分Table 1 Chemical compositions of the sample analyzed %

圖1 暗條紋的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic topography of dark stripe

2 試驗結果

2.1 鍍層表面形貌

暗條紋部位的鍍層表面形貌與正常處形貌如圖2所示。在二次電子形貌下可見缺陷部位平整印較正常處少,但火山口形貌增多,缺陷處與正常處的表面相結構差異不大,主要為δ相。由于缺陷處平整印較少導致對光線的反射能力變弱,宏觀下呈現發暗的形貌,由此可以判斷引起缺陷的直接原因為表面鍍層形貌存在差異。

圖2 鍍層表面形貌分析結果Fig.2 Analysis results of coating surface morphology

2.2 基板表面形貌

暗條紋部位的基板表面形貌與正常處形貌如圖3所示。在二次電子形貌下,條紋處呈現發白的形貌特征,表面產生了較強的荷電效應[4]。EDS元素面分布圖可見其存在較多的C、O元素,放大到10 000倍后發現條紋處基板表面存在較多膜狀物質,能譜分析其成分主要為C、O,部分位置存在較多的Al、Si成分,說明在鍍鋅之前基板表面存在較多的油污或臟污。這些油污或臟污影響了鍍鋅合金化過程,導致鍍鋅合金化后鋅鐵之間的擴散不充分,并導致鍍層局部偏低,平整后平整印較少,形成暗條紋形貌。

圖3 基板表面分析結果Fig.3 Analysis results of substrate surface

2.3 表面元素分析

由上述分析可知,導致暗條紋缺陷的原因與基板缺陷有關,使用鋼研納克的LIBSOPA 100型激光誘導擊穿光譜儀分析表面的元素分布,其原理為將一束強的脈沖激光聚焦到樣板上,其所產生的輻射強度超過了物質的擊穿閾值就會在局部產生等離子體,使用光譜儀收集樣品表面等離子體產生的譜線信號,就能根據光譜的強度信號進行定量分析,并且可以進行連續激發,逐層分析[4]。分析結果如圖4所示,缺陷處出現了很明顯的元素聚集情況,其中Si、Al含量較高,因此考慮偏析或夾雜。由于偏析主要存在于鋼板心部,該設備主要分析表層元素分布,因此重點考慮材料的夾雜情況,尤其是淺表層的夾雜。

圖4 表面元素光譜分析結果Fig.4 Analysis results of surface element spectroscopic

2.4 截面與基板拋光形貌及成分

分析皮下夾雜最有效的手段是制備截面試樣,因此取了5塊試樣制備橫截面試樣,經鑲嵌、研磨拋光后使用掃描電鏡分析缺陷的夾雜物分布。圖5(a)為典型的截面形貌,缺陷處基板皮下約12 μm處發現了條狀的夾雜物,使用能譜儀分析成分,如表2所示,其主要為O、F、Na、Al、Si、Ca,該成分為結晶器保護渣成分,因此確定其為皮下保護渣。值得一提的是,缺陷部位檢測到的保護渣極少,制備了5塊試樣僅2塊發現了皮下保護渣,且分布不典型,尺寸較小。因此又制備了縱截面試樣,如圖5(b)所示。縱截面中也發現有保護渣,且其寬度更寬,比橫截面中更典型,因此大概率確定該缺陷與皮下夾渣有關。

圖5 橫、縱截面分析結果Fig.5 Analysis results of crosssection and longitudinal section

表2 截面成分Table 2 Sectional compositions %

確定了缺陷與皮下夾渣有關,為了更進一步分析,取典型的缺陷樣板,在溶去鋅層后對基板進行表面打磨拋光處理,拋光設備采用普銳斯的手動拋光機,加入3.5 μm的金剛石拋光噴霧作為拋光介質,由于截面中已經發現保護渣位于皮下12 μm左右,通過控制拋光力度與拋光時間,拋去表層12 μm的金屬,分析基板中的皮下特征。總共分析了4塊樣板,4塊樣板在拋去表層12 μm左右后均發現夾渣顆粒物,典型結果如圖6、表3所示,部分顆粒物呈多條、平行分布,比截面中發現的更加明顯,能譜分析其成分主要為O、F、Na、Al、Si、Ca,為結晶器保護渣成分。

圖6 表面淺表層分析結果Fig.6 Analysis results of superficial layer

表3 表面拋光成分Table 3 The composition of surface polishing %

2.5 組織與晶粒取向特征

為了更進一步研究皮下夾渣與表面條紋之間的關系,使用牛津儀器的Symmetry電子背散射衍射儀分析缺陷處基板晶粒取向及應變分布,掃描步長設定為2 μm,后使用HKL Channel 5分析軟件分析基板的組織特征。孟楊[6]等提出利用局部取向差衡量材料中的位錯密度,并根據幾何位錯密度判斷材料內部應力分布情況。在EBSD系統中用局部取向錯配角圖(Kernel Average Misorientation,簡稱 KAM)描述顯微組織的局部取向差,在Channel 5系統中叫做Local Misorientation。圖7為缺陷處的基板晶粒取向特征,基板的取向主要為<101>//RD,基板中基體存在明顯的顆粒狀夾渣物,但夾渣物附近的晶粒取向未發生變化。缺陷處的Local Misorientation分析結果如圖7(b)所示,在存在夾渣物的附近直至表面KAM值較高,這說明其幾何位錯密度較大,說明該區域發生不均勻形變。根據結果可以推測,材料中由于基板皮下淺表層存在夾渣物,在軋制時夾渣物附近的基板變形程度與周圍不同,導致該處的幾何位錯密度偏高。

圖7 EBSD分析取向與Local Misorientation圖Fig.7 EBSD analysis orientation and Local Misorientation diagram

3 討論

存在暗條紋位置表面平整印較少,火山口形貌較多,相結構以δ相為主,正常處平整印較多,相結構與暗條紋處基本一樣,由此可以確定,暗條紋缺陷產生的直接原因與表面平整印較少有關,由于平整到的位置表面較平,對光線的反射能力較強,因此發白,而暗條紋處主要為相結構形貌,平整印較少,對光線的反射能力較弱,因此發暗,顯示出來就是暗條紋。

對基板的分析如圖3～6所示,缺陷處皮下淺表層存在夾雜物,無論是表面元素分布結果,還是截面和表面拋光結果,均有發現皮下淺表層存在保護渣,因此可以確定該缺陷與皮下夾渣有關。而EBSD的分析結果表明,存在夾渣物的位置靠近表層幾何位錯密度明顯升高,說明其產生了不均勻形變,導致存在皮下夾渣的地方變形與周圍不一致,造成表面輕微凸起。推測缺陷的形成機理如圖8所示,由于基板淺表層存在保護渣,軋制時存在皮下夾渣的地方變形量與周圍不一致,導致缺陷處表面更加凸起,并容易蹭上臟污,在入鋅鍋前缺陷處基板輕微凸起的地方與輥道產生更嚴重的摩擦,造成表面與正常處的狀態差異較大,鍍鋅合金化后缺陷處的鋅鐵擴散不充分,形成暗條紋缺陷。調查發現該爐次冶煉狀態不佳,導致Al含量偏上限,惡化了保護渣性能,且爐次的過熱度較低,影響了夾雜物的上浮,最終形成皮下夾渣缺陷。

圖8 缺陷產生示意圖Fig.8 Schematic diagrams of defect generation

4 結論

(1) 合金化熱鍍鋅鋼板表面暗條紋缺陷的產生原因為基板中存在皮下夾渣,導致其變形量與正常處不一致,表面凸起并蹭上臟污,阻礙了合金化時的鋅鐵擴散,合金化后鋅層表面局部較凹,平整后平整印較少,形成暗條紋形貌。

(2) 該缺陷的根本原因為爐次冶煉狀態不佳,Al含量較高,惡化了保護渣性能,且爐次過熱度較低,影響了夾雜物上浮,最終形成皮下夾渣。通過改進RH生產工藝,提高鋼水過熱度,有效地改善了該鋼種存在的皮下夾渣問題,該暗條紋缺陷未再發生。