不同鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板耐鹽霧性能研究

任玉苓,張小塔,王文彬

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.冷軋廠,上海 201999; 2.制造管理部,上海 201999)

1 背景

鋅鋁鎂鍍層鋼板的開發和生產是近年行業熱點,寶鋼從2016年開始機組試驗并小批量生產低鋁鋅鋁鎂BaoZM?、高鋁鋅鋁鎂鍍層BaoAM?鋼板以來,引領了國內鋅鋁鎂鍍層的開發和生產。2021年底,寶鋼中鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板BaoXM?也進入了批量生產階段,從而形成了熱鍍純鋅、低鋁鋅鋁鎂、中鋁鋅鋁鎂、鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂全系列鍍層鋼板的生產能力。

鋅鋁鎂鍍層鋼板除了應用在汽車、家電、建筑等行業外,也可以用作基板生產彩涂鋼板,作為預涂層產品在家電和建筑領域應用。寶鋼鋅鋁鎂鍍層全系列基板都進行了彩涂鋼板的生產,我們對這些鍍層鋼板和涂層鋼板進行了全面測試,耐蝕性測試包括鹽霧試驗、循環腐蝕試驗、濕熱試驗、大氣曝曬試驗等,其中鹽霧試驗樣板和數據最多最全面。對彩涂鋼板進行了長周期的鹽霧試驗比較,包括了涂層失效的起泡、擴蝕等,也觀察了鍍層失效后鋼板產生紅銹情況,以期獲得最基礎的耐鹽霧性能數據,便于與其他耐蝕性方法的數據進行比較,也使得大家對不同鋅鋁鎂鍍層及其彩涂鋼板的性能及優缺點有更全面的了解。

2 試驗材料和研究方法

2.1 試驗材料

本次試驗的彩涂鋼板均來自寶鋼熱鍍機組和彩涂機組生產的產品,材料參數見表1。

2.2 研究方法

2.2.1 鹽霧試驗條件

依據GB/T 13448—2019《彩色涂層鋼板及鋼帶試驗方法》中鹽霧試驗標準,進行中性鹽霧試驗。試驗箱內的溫度保持在(35±2) ℃,氯化鈉溶液的質量濃度為(50±5) g/L,冷凝后溶液的pH值在 6.5～7.2之間,試樣與垂直方向成15°～30°放置。

2.2.2 制樣方法

本次試驗制樣包括了5種鍍層基板彩涂鋼板的平板封邊試樣、平板不封邊帶切口和劃線試樣、杯突試樣和0T折彎試樣。

(1)平板封邊試樣:尺寸為 75 mm×150 mm (軋制方向),試樣平整、無油污、無損傷,邊緣無毛刺,試樣邊部用膠帶進行封閉保護。

(2)平板不封邊帶切口和劃線試樣:尺寸為 75 mm×150 mm (軋制方向),試樣平整、無油污、無損傷,試樣兩個長邊剪切時分別為上毛刺和下毛刺。試驗前在試樣中心部位用刻劃工具劃一條與試樣長邊平行的單一直線,長度不小于 50 mm,劃線必須切透涂層,可借助放大鏡檢查,劃線離邊緣不得小于30 mm。

(3)杯突試樣:尺寸為 75 mm×150 mm (軋制方向),開啟杯突試驗機,使沖頭以(0.2±0.1) mm/s 恒速從試樣背面頂出,直至達到6 mm沖壓深度時停止試驗機。杯突時盡量避免對表面壓傷。

(4)0T折彎試樣:尺寸為 75 mm×150 mm (軋制方向),試驗面朝外側,在折彎機短邊一側端部彎曲并在壓平儀器上壓至 0T,折彎時盡量避免對表面壓傷。

2.2.3 評估方法

按照GB/T 1766—2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》對試樣表面氣泡等級進行評價。用直尺測量擴蝕寬度,記錄試樣不同部位開始出現紅銹的時間。

3 試驗結果及分析

3.1 鍍層種類對彩涂鋼板涂層起泡等級和擴蝕寬度的影響

采用鹽霧試驗評價彩涂鋼板耐蝕性能,通常經過240～2 000 h試驗評價涂層起泡等級、涂層劃線擴蝕寬度和切口處擴蝕寬度,更多表征涂層在鹽霧試驗中的失效變化。為了評價不同鍍層、相同涂層試樣在鹽霧試驗中的表現,將試驗時間延長至4 000 h,以觀察不同鍍層對涂層起泡等級、劃線和切口擴蝕寬度的影響。試樣均為0.5 mm厚度(含鍍層厚度,不含涂層厚度)鋼板,鍍層質量70～75 g/m2,鍍層包括純鋅、低鋁鋅鋁鎂、中鋁鋅鋁鎂、鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂5種。涂層為聚酯白灰顏色,試驗面涂層總膜厚為20 μm。圖1分別為5種鍍層基板彩涂鋼板聚酯白灰產品在鹽霧試驗中的表現。在鹽霧試驗中,隨著試驗時間的延長,5種鍍層基板彩涂鋼板涂層起泡程度增加,擴蝕寬度也增加,但是不同基板彩涂鋼板的變化趨勢不同。熱鍍鋅基板和鍍鋁鋅基板聚酯白灰產品,在起泡等級、劃線擴蝕寬度和切口擴蝕寬度上均劣于含鎂的3種基板彩涂試樣。3種鋅鋁鎂基板聚酯產品中,中鋁鋅鋁鎂鍍層聚酯產品的涂層起泡等級、劃線擴蝕寬度和切口擴蝕寬度3個評價指標中表現最為優異。

圖1 不同鍍層彩涂鋼板在鹽霧試驗中的變化趨勢

3.2 鍍層種類和質量對彩涂鋼板平板試樣紅銹出現時間的影響

圖2為鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂基板聚酯白灰彩涂鋼板的鹽霧試驗結果。從平板封邊試樣的紅銹出現時間與鍍層厚度的關系可以看出,隨著鍍層厚度的提高,鍍鋁鋅基板和高鋁鋅鋁鎂基板聚酯白灰產品的紅銹出現時間均延長;同時也能看出,高鋁鋅鋁鎂基板彩涂鋼板的紅銹出現時間比鍍鋁鋅基板彩涂鋼板的紅銹出現時間至少提高30%。

從帶切口樣板的紅銹出現時間比較看,高鋁鋅鋁鎂基板聚酯白灰產品切口的紅銹出現時間總體高于鍍鋁鋅基板聚酯白灰產品,但是在鋅比指數(鋅比指數=上下表面鍍層總質量/鋼板厚度)偏低時提高不明顯。

圖3為純鋅、低鋁鋅鋁鎂、中鋁鋅鋁鎂鍍層基板聚酯白灰鋼板平板和切口的紅銹出現時間與鍍層厚度及鋅比指數的關系。從彩涂鋼板的紅銹出現時間看,低鋁鋅鋁鎂較純鋅基板彩涂鋼板延緩紅銹出現時間30%以上。中鋁鋅鋁鎂鍍層基板彩涂鋼板的紅銹出現時間更加延長,5 μm鍍層厚度的聚酯彩涂鋼板的紅銹出現時間已經達到12 997 h。

圖3 純鋅、低鋁鋅鋁鎂和中鋁鋅鋁鎂鍍層聚酯彩涂鋼板耐鹽霧性能

從圖3(b)看,低鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板切口的紅銹出現時間是最長的,高于中鋁鋅鋁鎂也高于熱鍍純鋅基板彩涂鋼板,但是與這些樣板鹽霧試驗中切口擴蝕寬度的變化規律不完全相同(圖1),需要進一步探究原因。

表2為5種鍍層基板(鍍層質量70～75 g/m2)聚酯彩涂鋼板封邊試樣的紅銹出現時間對比情況。

表2 封邊試樣的紅銹出現時間對比

由于鋁鎂含量不同,含鋅鍍層本身在鹽霧試驗中的耐蝕性有著非常大的差異(圖4)。其中鋁含量是影響鍍層鋼板耐蝕性的重要影響因素?？傮w趨勢看,鋁含量越高,鍍層鋼板耐蝕性越高。鋁質量分數為55%的鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂鍍層平板耐蝕性是非常優異的,但是在鹽霧試驗中,由于切口處的腐蝕產物NaZn4(SO4)(OH)6Cl·6H2O、2ZnCO3·3Zn(OH)2、Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O等阻礙了氧的擴散,不能形成致密的腐蝕產物,從而切口處紅銹較早出現[1]。鎂的添加在耐蝕性方面起到明顯作用,不論平板還是切口耐鹽霧性能均得到較大提升。

圖4 劃線部位的紅銹出現時間與鍍層厚度的關系

3.3 鍍層種類和質量對彩涂鋼板加工試樣紅銹出現時間的影響

模擬彩涂鋼板加工中可能受到損傷的劃線部位和折彎部位,對這些試樣進行鹽霧試驗。不同鍍層種類彩涂鋼板劃線部位的紅銹出現時間與鍍層種類和鍍層質量的關系如圖4所示。不同鍍層彩涂鋼板劃線部位的紅銹出現時間與鍍層質量大小均為正向關系。同時高鋁鋅鋁鎂比鍍鋁鋅鍍層彩涂鋼板劃線處的紅銹出現時間有提升,低鋁鋅鋁鎂和中鋁鋅鋁鎂比純鋅鍍層彩涂鋼板劃線處的紅銹出現時間有提升。

純鋅基板彩涂鋼板的劃線擴蝕處的紅銹出現時間(圖4(b))、切口的紅銹出現時間(圖3(b))的擬合曲線斜率均較高,說明純鋅鍍層彩涂鋼板在高鍍層量時,切口和劃線部位耐鹽霧性能較高。

當彩涂鋼板折彎后,鍍層和涂層可能存在輕微裂紋,導致折彎部位耐蝕性下降,采用0T折彎部位進行鹽霧試驗。5種鍍層(0.5 mm厚度、70～75 g/m2鍍層質量)聚酯彩涂鋼板0T位置裂紋情況如圖5所示。5種鍍層彩涂鋼板0T折彎部位均出現裂紋,熱鍍純鋅基板彩涂鋼板裂紋較輕,低鋁鋅鋁鎂基板彩涂鋼板裂紋稍重,其他3種鍍層彩涂鋼板0T折彎裂紋均較為明顯。

圖5 不同彩涂鋼板0T位置折彎裂紋對比

鹽霧試驗中0T位置的紅銹出現時間和鍍層厚度的關系如圖6所示。從圖6可以看到,不同鍍層種類彩涂鋼板折彎部位的紅銹出現時間與鍍層厚度呈現正比關系,隨著鍍層厚度增加,折彎部位的紅銹出現時間延長,且鋅鋁鎂鍍層鋼板的紅銹出現時間均高于不含鎂的鍍鋁鋅和純鋅鍍層0T折彎彩涂鋼板。折彎部位耐蝕性最高的是中鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板。

4 分析與討論

4.1 涂鍍層共同的耐鹽霧侵蝕的阻隔作用

對不同鍍層種類鋼板進行鹽霧試驗,熱鍍純鋅、低鋁鋅鋁鎂和中鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板鍍層質量標稱為70 g/m2,鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板鍍層質量標稱為75 g/m2,均無后處理。鹽霧試驗中,不同鍍層平板封邊試樣的紅銹出現時間的平均值如圖7所示。從圖7可以看出,鍍鋁鋅和高鋁鋅鋁鎂出現紅銹的時間達到了約4 513 h和4 828 h,是熱鍍純鋅鍍層鋼板紅銹時間(72 h)的60余倍。同時低鋁鋅鋁鎂和中鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板的紅銹出現時間也分別是熱鍍純鋅鍍層鋼板的約10倍和40倍,說明鋅鋁鎂鍍層鋼板耐鹽霧性能均比熱鍍純鋅鍍層有非常大的提升。

圖7 紅銹出現時間的比較

這不僅和不同鍍層在鹽霧試驗中耐蝕性不同有關,也和鍍層厚度直接相關,同樣是75 g/m2的高鋁鋅鋁鎂和鍍鋁鋅,鍍層厚度分別為20.5和19.9 μm;同樣是70 g/m2的中鋁鋅鋁鎂、低鋁鋅鋁鎂和純鋅鍍層的厚度分別為11.6、10.8和9.9 μm。

不同種類鋅鋁鎂鍍層鋼板鍍層厚度與平板封邊試樣的紅銹出現時間的關系如圖8所示,鍍層厚度最厚的高鋁鋅鋁鎂鍍層耐鹽霧性能高于鍍鋁鋅等其他鍍層品種,且隨著鍍層厚度的增加,紅銹出現時間延長明顯。

圖8 鍍層板的紅銹出現時間與鍍層厚度的關系

圖9為不同鋅鋁鎂鍍層聚酯彩涂鋼板平板試樣,在鹽霧試驗中的紅銹出現時間與鍍層和涂層總厚度之間的關系。從圖9可以看出,高鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板的耐鹽霧性能也是高于其他鍍層彩涂鋼板的。

圖9 彩涂板的紅銹出現時間與鍍層和涂層總厚度的關系

圖9中彩涂鋼板的紅銹出現時間均高于圖8中相同鍍層種類鍍層鋼板的紅銹出現時間,說明涂層對阻隔鹽霧中侵蝕性粒子的腐蝕也起到非常明顯的作用。涂層和鍍層一起保護鋼板,延長了鋼板的紅銹出現時間。

鋅鋁鎂鍍層基板采用不同涂層的彩涂鋼板(鍍層和涂層厚度相同),在鹽霧試驗中的紅銹出現時間的比較情況如圖10所示。低、中、高3種鋅鋁鎂基板上的聚酯和氟碳涂層品種鋼板,在鹽霧試驗中的切口、劃線、折彎、杯突等方面的差異不明顯,而平板封邊鹽霧試驗的紅銹出現時間存在差異,氟碳涂層品種比聚酯涂層品種的紅銹出現時間提升20%～30%。也正是由于氟碳涂層致密性高于聚酯類涂層[2],對鹽霧中氯離子的侵蝕阻擋能力更強,保護鋼板的能力更強。

圖10 不同品種彩涂鋼板的紅銹出現時間比較

4.2 涂層和鍍層鋼板在切口和折彎部位耐鹽霧性能差異

在鹽霧試驗中,5種鍍層鋼板折彎部位的紅銹出現時間均長于切口部位,如圖11(a)所示,中鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板在折彎和切口的紅銹出現時間均優于其他4種鍍層鋼板,且折彎的紅銹出現時間比切口的延長約70%,這可能與中鋁鋅鋁鎂鍍層切口保護處自修復能力更強有關[3]。

圖11 切口和折彎部位的紅銹出現時間對比

圖11(b)是5種鍍層基板彩涂鋼板折彎和切口部位的紅銹出現時間對比,均比鍍層鋼板的紅銹出現時間有很大提升,說明彩涂鋼板涂層中的耐蝕成分在這些涂鍍層損傷部位鹽霧試驗中也起到了很好的自修復作用。但是從5種鍍層彩涂鋼板切口和折彎部位鹽霧試驗的紅銹出現時間看,折彎部位的紅銹出現時間均劣于切口的紅銹出現時間(中鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板除外),這可能與涂鍍層的聯合修復能力有關,需進一步試驗和分析。

5 結論

(1)添加鎂對鹽霧試驗中彩涂鋼板涂層起泡等級及擴蝕寬度的影響:在鹽霧試驗中,隨著試驗時間的延長,5種基板彩涂鋼板涂層起泡程度增加、擴蝕寬度增加,但是不同基板趨勢不同;含鎂基板彩涂鋼板優于不含鎂的鍍鋁鋅和純鋅基板彩涂鋼板,中鋁鋅鋁鎂鍍層聚酯產品表現最為優異。

(2)添加鎂對彩涂鋼板涂層平板和切口耐蝕的紅銹出現時間的影響:從平板封邊試樣的紅銹出現時間與鍍層厚度的關系可以看出,隨著鍍層厚度的增加,5種鍍層基板聚酯白灰產品的紅銹出現時間均提升;相同鍍層質量下,高鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板的紅銹出現時間高于不含鎂的鍍鋁鋅基板彩涂鋼板,低鋁鋅鋁鎂鍍層彩涂鋼板的紅銹出現時間高于中鋁鋅鋁鎂也高于熱鍍純鋅基板彩涂鋼板。

(3)在鹽霧試驗中,5種鍍層鋼板折彎部位的紅銹出現時間均較切口部位的延長,5種鍍層基板彩涂鋼板折彎和切口部位的紅銹出現時間均比同類鍍層鋼板有很大提升,但是彩涂鋼板切口和折彎部位的紅銹出現時間差異與鍍層鋼板不同,這可能與鍍層中鋁鎂含量及涂層中防銹顏料的相互作用有關。

(4)不同鍍層彩涂鋼板耐鹽霧性能的差異不僅與不同鍍層在鹽霧試驗中耐蝕性有關,也與鍍層厚度直接相關;涂層對阻隔鹽霧中侵蝕性粒子的腐蝕也起到非常明顯的作用。涂層和鍍層共同保護鋼板,延長了鋼板的紅銹出現時間。