熱基鍍鋅是熱軋基板經(jīng)過(guò)酸洗、平整、還原氣氛感應(yīng)加熱處理后進(jìn)行熱浸鍍鋅和三價(jià)鉻酸鹽鈍化處理，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、電器柜、畜牧、汽車結(jié)構(gòu)件等行業(yè)，但其在制管使用過(guò)程容易發(fā)生黑變?nèi)毕?，不僅影響外觀質(zhì)量，還對(duì)其使用性能造成不良影響，給生產(chǎn)廠家和使用客戶帶來(lái)巨大損失，成為行業(yè)亟需解決的重要質(zhì)量問(wèn)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(jué)上為呈現(xiàn)灰暗的區(qū)域。從國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋅層黑變產(chǎn)生原因的相關(guān)研究結(jié)果來(lái)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(duì)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(duì)含鉛鍍鋅板產(chǎn)生黑變的原因進(jìn)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(yáng)極反應(yīng)活性化，最終導(dǎo)致表面形成了黑變膜類的腐蝕產(chǎn)物。楊芃[2]等人針對(duì)涂油無(wú)鉻鈍化熱鍍鋅鋼板進(jìn)行分條加工出現(xiàn)的摩擦條紋缺陷設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該缺陷是由于鋅層尖峰被毛氈磨損下來(lái)，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(duì)某廠出口三價(jià)鉻熱鍍鋅產(chǎn)品輥壓成形制方管時(shí)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(guò)程中鋼板與輥壓機(jī)摩擦產(chǎn)生的縱向輥印形成的色差帶。

本文通過(guò)適當(dāng)?shù)谋碚魇侄魏驮囼?yàn)方法研究熱基板表面狀態(tài)對(duì)鋅層性能的影響；通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究鈍化膜潤(rùn)滑性對(duì)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(jìn)行微觀組織觀察（圖1），確定微觀形貌和輪廓；對(duì)選取的試樣分別進(jìn)行X射線光電子能譜儀測(cè)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(jié)合能（284.8 eV）定標(biāo)并校正荷電效應(yīng)，先對(duì)樣品進(jìn)行快速掃描，得到樣品各元素的總譜圖，然后對(duì)O、Zn和Mn等元素進(jìn)行高分辨掃描，獲得各元素電子的結(jié)合能信息，其結(jié)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(jié)果符合摩擦導(dǎo)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(shuō)明該區(qū)域有三價(jià)鉻鈍化膜，其它元素?zé)o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(shí)的運(yùn)行方向呈斜向。通過(guò)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?jǐn)?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(kuò)散層。由鐵鋅相圖可知，在熱鍍鋅溫度460~470 °C的范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生4個(gè)相層[4]。鋅液中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.16%~0.25%時(shí)，鋼基和鐵鋅合金之間形成薄且均質(zhì)的中間抑制層Fe2A15。

當(dāng)基板表面粗糙度較大時(shí)，影響基板界面鋁元素的分布?；灞砻娴耐拱计鸱绊懟迮c鋅液的反應(yīng)，并影響熱鍍鋅反應(yīng)初期生成的Fe2A15抑制層晶粒大小。即在熱鍍鋅反應(yīng)初期，鋅液中的Al易吸附在基板的凸起部位，與基板反應(yīng)生成Fe2A15抑制層晶粒迅速長(zhǎng)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(dāng)受到外界的壓縮應(yīng)力時(shí)，在鋼基體-鍍層界面上就會(huì)引起界面剪切應(yīng)力，以鍍層剝離的形式而大量釋放出來(lái)[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(guò)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(duì)摩擦行為也有潛在影響，在成形過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)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(dāng)?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(guò)平整壓下率的不同來(lái)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(jī)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(duì)熱基鍍鋅板，進(jìn)一步驗(yàn)證鍍鋅前采用平整大壓下工藝能夠?qū)彳埢遢喞鸱M(jìn)行改善，通過(guò)掃描電子顯微鏡線掃描鋅層截面結(jié)構(gòu)，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(shí)無(wú)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(wú)輪廓起伏，截面線掃描元素?zé)o明顯異常，如圖5。試驗(yàn)結(jié)果可以得出，加大平整機(jī)壓下率，基板平直度明顯改善，F(xiàn)e2Al5抑制層完好。對(duì)于制管用鍍鋅板，鍍鋅前采用增大平整機(jī)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(hù)材料，尤其是在材料運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)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(jià)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(duì)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(yán)重的粘著磨損，表面殘余耐指紋膜厚度減少超過(guò)2/3，鋅層厚度降低，經(jīng)過(guò)磨削的涂層及鋁鋅層碎屑堆積在零件表面，導(dǎo)致該處光線反射減弱，視覺(jué)顯示發(fā)黑。對(duì)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(jìn)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(rùn)滑特性有直接的關(guān)系。

為改善鍍鋅板的成型性能，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究，采取了多種措施，期中包括涂覆潤(rùn)滑油、改變鋼板的表面形貌、對(duì)鋼板表面進(jìn)行鈍化處理等[9]。國(guó)外多家化學(xué)品供應(yīng)商也通過(guò)增加潤(rùn)滑助劑，開(kāi)發(fā)出潤(rùn)滑性能更好的耐指紋處理劑。為進(jìn)一步研究鈍化膜潤(rùn)滑性對(duì)鍍鋅表面摩擦磨損的影響，采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同鈍化工藝生產(chǎn)的熱基鍍鋅板進(jìn)行了測(cè)試：用旋轉(zhuǎn)速度為10~100 r/s的旋轉(zhuǎn)裝置對(duì)試驗(yàn)樣品在不同壓力下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦，并測(cè)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(duì)不同的試樣采用10 N的壓力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)摩擦試驗(yàn)。結(jié)果如圖6。通過(guò)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(shì)，幾乎沒(méi)有摩擦穩(wěn)定平臺(tái)，而采用改良鈍化液工藝的樣品摩擦穩(wěn)定平臺(tái)期都較長(zhǎng)，均超過(guò)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(dòng)，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(kāi)，防止了固體表面的直接接觸，盡可能減小了滑動(dòng)過(guò)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(yàn)證

采用大平整結(jié)合改良鈍化液工藝，與常規(guī)產(chǎn)品客戶使用驗(yàn)證對(duì)比，改進(jìn)后工藝制管表面無(wú)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(duì)比。

5.   結(jié)束語(yǔ)

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(jié)構(gòu)，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(jìn)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(guò)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(guò)客戶批量使用驗(yàn)證，制管用鍍鋅板生產(chǎn)采用大平整結(jié)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(xiàn)

[1]游先政. 熱鍍鋅層表面黑變機(jī)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?jiān)? 無(wú)鉻鈍化熱鍍鋅鋼板摩擦條紋的分析與改善//第十二屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)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(jià)鉻熱鍍鋅產(chǎn)品制管發(fā)黑原因分析. 金屬世界,2020(3):38

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