合金化热镀锌钢板表面暗条纹分析

刘少先,杨 健,姜贵松

(宝钢湛江钢铁有限公司,广东 湛江 524000)

合金化热镀锌钢板具有较好的耐蚀性、成形性、涂装性,被广泛用作汽车内外板的制造。用作可视化汽车板时,对表面的要求较高,不允许表面存在影响美观的划伤、色差、异物压入等缺陷。相关的分析表明,绝大多数的表面缺陷都与基板有关,金鑫焱[1]等研究了合金化热镀锌IF钢表面亮条纹的产生原因,认为是基板表面氧化铝导致;崔磊[2]研究了合金化热镀锌IF钢表面灰白条纹缺陷的原因,认为是基板表层存在未再结晶组织导致;Ravi Shankar A[3]研究了热镀锌表面小亮点缺陷的产生原因,认为是入锌锅前基板存在小凹坑导致。

热镀锌钢板的合金化过程是一个放大镜,能将普通缺陷放大,对于常规的表面夹杂、擦划伤、基板辊印等缺陷,经过镀锌后基本能够被覆盖,达到肉眼不可见的程度,满足使用的要求。但经过合金化之后,由于基板中各种缺陷的存在会影响合金化反应过程中的Zn—Fe扩散,导致合金化之后局部出现合金化过充分或不充分的现象,形成色差。常见的如热轧擦划伤、氧化铝夹杂等会形成白条纹,未再结晶组织会形成暗条纹,锌灰锌渣等会形成小亮点或小暗点。总之,通过微观分析,明确每一类缺陷的产生原因,对于缺陷的改进至关重要。

本文分析了一种合金化热镀锌钢板表面暗条纹的产生原因,使用扫描电镜、能谱仪、激光诱导击穿光谱仪、电子背散射衍射仪等设备,对缺陷处的镀层形貌、基板形貌、元素成分进行了分析,找到了缺陷的产生原因,制定相应的改善措施,使该缺陷得到有效控制。

1 试验材料及方法

试验材料为含Mn低碳钢,经炼钢—连铸—热轧—酸轧—退火—镀锌—合金化—平整后表面出现暗条纹缺陷,主要分布于镀锌下表面,上表面偶发。分析材料成分如表1所示,钢板厚1.97 mm,镀层质量47～49 g/m2(单面)。条纹宏观形貌如图1所示,宽度约为2 mm,长度大于100 mm,与周围形貌相比呈现暗条纹特征。使用ZEISS EVO 18型钨灯丝扫描电镜分析条纹部位与正常部位的镀层形貌,使用17%的盐酸加缓蚀剂溶液去除锌层,目的是溶去锌层而不影响基板,使用扫描电镜分析基板表面形貌。使用牛津仪器MAX-20型能谱仪分析基板表面成分,使用钢研纳克的LIBSOPA 100型激光诱导击穿光谱仪分析表面的元素分布,垂直和平行于条纹方向切割制备横截面和纵截面试样,经镶嵌、研磨、抛光后在扫描电镜下观察镀层及基板特征,后续对基板表面抛光处理,分析基板浅表层形貌,并使用牛津仪器的Symmetry型电子背散射衍射仪分析截面缺陷处的晶粒取向特征及晶界特征。

表1 分析试样化学成分Table 1 Chemical compositions of the sample analyzed %

图1 暗条纹的宏观形貌Fig.1 Macroscopic topography of dark stripe

2 试验结果

2.1 镀层表面形貌

暗条纹部位的镀层表面形貌与正常处形貌如图2所示。在二次电子形貌下可见缺陷部位平整印较正常处少,但火山口形貌增多,缺陷处与正常处的表面相结构差异不大,主要为δ相。由于缺陷处平整印较少导致对光线的反射能力变弱,宏观下呈现发暗的形貌,由此可以判断引起缺陷的直接原因为表面镀层形貌存在差异。

图2 镀层表面形貌分析结果Fig.2 Analysis results of coating surface morphology

2.2 基板表面形貌

暗条纹部位的基板表面形貌与正常处形貌如图3所示。在二次电子形貌下,条纹处呈现发白的形貌特征,表面产生了较强的荷电效应[4]。EDS元素面分布图可见其存在较多的C、O元素,放大到10 000倍后发现条纹处基板表面存在较多膜状物质,能谱分析其成分主要为C、O,部分位置存在较多的Al、Si成分,说明在镀锌之前基板表面存在较多的油污或脏污。这些油污或脏污影响了镀锌合金化过程,导致镀锌合金化后锌铁之间的扩散不充分,并导致镀层局部偏低,平整后平整印较少,形成暗条纹形貌。

图3 基板表面分析结果Fig.3 Analysis results of substrate surface

2.3 表面元素分析

由上述分析可知,导致暗条纹缺陷的原因与基板缺陷有关,使用钢研纳克的LIBSOPA 100型激光诱导击穿光谱仪分析表面的元素分布,其原理为将一束强的脉冲激光聚焦到样板上,其所产生的辐射强度超过了物质的击穿阈值就会在局部产生等离子体,使用光谱仪收集样品表面等离子体产生的谱线信号,就能根据光谱的强度信号进行定量分析,并且可以进行连续激发,逐层分析[4]。分析结果如图4所示,缺陷处出现了很明显的元素聚集情况,其中Si、Al含量较高,因此考虑偏析或夹杂。由于偏析主要存在于钢板心部,该设备主要分析表层元素分布,因此重点考虑材料的夹杂情况,尤其是浅表层的夹杂。

图4 表面元素光谱分析结果Fig.4 Analysis results of surface element spectroscopic

2.4 截面与基板抛光形貌及成分

分析皮下夹杂最有效的手段是制备截面试样,因此取了5块试样制备横截面试样,经镶嵌、研磨抛光后使用扫描电镜分析缺陷的夹杂物分布。图5(a)为典型的截面形貌,缺陷处基板皮下约12 μm处发现了条状的夹杂物,使用能谱仪分析成分,如表2所示,其主要为O、F、Na、Al、Si、Ca,该成分为结晶器保护渣成分,因此确定其为皮下保护渣。值得一提的是,缺陷部位检测到的保护渣极少,制备了5块试样仅2块发现了皮下保护渣,且分布不典型,尺寸较小。因此又制备了纵截面试样,如图5(b)所示。纵截面中也发现有保护渣,且其宽度更宽,比横截面中更典型,因此大概率确定该缺陷与皮下夹渣有关。

图5 横、纵截面分析结果Fig.5 Analysis results of crosssection and longitudinal section

表2 截面成分Table 2 Sectional compositions %

确定了缺陷与皮下夹渣有关,为了更进一步分析,取典型的缺陷样板,在溶去锌层后对基板进行表面打磨抛光处理,抛光设备采用普锐斯的手动抛光机,加入3.5 μm的金刚石抛光喷雾作为抛光介质,由于截面中已经发现保护渣位于皮下12 μm左右,通过控制抛光力度与抛光时间,抛去表层12 μm的金属,分析基板中的皮下特征。总共分析了4块样板,4块样板在抛去表层12 μm左右后均发现夹渣颗粒物,典型结果如图6、表3所示,部分颗粒物呈多条、平行分布,比截面中发现的更加明显,能谱分析其成分主要为O、F、Na、Al、Si、Ca,为结晶器保护渣成分。

图6 表面浅表层分析结果Fig.6 Analysis results of superficial layer

表3 表面抛光成分Table 3 The composition of surface polishing %

2.5 组织与晶粒取向特征

为了更进一步研究皮下夹渣与表面条纹之间的关系,使用牛津仪器的Symmetry电子背散射衍射仪分析缺陷处基板晶粒取向及应变分布,扫描步长设定为2 μm,后使用HKL Channel 5分析软件分析基板的组织特征。孟杨[6]等提出利用局部取向差衡量材料中的位错密度,并根据几何位错密度判断材料内部应力分布情况。在EBSD系统中用局部取向错配角图(Kernel Average Misorientation,简称 KAM)描述显微组织的局部取向差,在Channel 5系统中叫做Local Misorientation。图7为缺陷处的基板晶粒取向特征,基板的取向主要为<101>//RD,基板中基体存在明显的颗粒状夹渣物,但夹渣物附近的晶粒取向未发生变化。缺陷处的Local Misorientation分析结果如图7(b)所示,在存在夹渣物的附近直至表面KAM值较高,这说明其几何位错密度较大,说明该区域发生不均匀形变。根据结果可以推测,材料中由于基板皮下浅表层存在夹渣物,在轧制时夹渣物附近的基板变形程度与周围不同,导致该处的几何位错密度偏高。

图7 EBSD分析取向与Local Misorientation图Fig.7 EBSD analysis orientation and Local Misorientation diagram

3 讨论

存在暗条纹位置表面平整印较少,火山口形貌较多,相结构以δ相为主,正常处平整印较多,相结构与暗条纹处基本一样,由此可以确定,暗条纹缺陷产生的直接原因与表面平整印较少有关,由于平整到的位置表面较平,对光线的反射能力较强,因此发白,而暗条纹处主要为相结构形貌,平整印较少,对光线的反射能力较弱,因此发暗,显示出来就是暗条纹。

对基板的分析如图3～6所示,缺陷处皮下浅表层存在夹杂物,无论是表面元素分布结果,还是截面和表面抛光结果,均有发现皮下浅表层存在保护渣,因此可以确定该缺陷与皮下夹渣有关。而EBSD的分析结果表明,存在夹渣物的位置靠近表层几何位错密度明显升高,说明其产生了不均匀形变,导致存在皮下夹渣的地方变形与周围不一致,造成表面轻微凸起。推测缺陷的形成机理如图8所示,由于基板浅表层存在保护渣,轧制时存在皮下夹渣的地方变形量与周围不一致,导致缺陷处表面更加凸起,并容易蹭上脏污,在入锌锅前缺陷处基板轻微凸起的地方与辊道产生更严重的摩擦,造成表面与正常处的状态差异较大,镀锌合金化后缺陷处的锌铁扩散不充分,形成暗条纹缺陷。调查发现该炉次冶炼状态不佳,导致Al含量偏上限,恶化了保护渣性能,且炉次的过热度较低,影响了夹杂物的上浮,最终形成皮下夹渣缺陷。

图8 缺陷产生示意图Fig.8 Schematic diagrams of defect generation

4 结论

(1) 合金化热镀锌钢板表面暗条纹缺陷的产生原因为基板中存在皮下夹渣,导致其变形量与正常处不一致,表面凸起并蹭上脏污,阻碍了合金化时的锌铁扩散,合金化后锌层表面局部较凹,平整后平整印较少,形成暗条纹形貌。

(2) 该缺陷的根本原因为炉次冶炼状态不佳,Al含量较高,恶化了保护渣性能,且炉次过热度较低,影响了夹杂物上浮,最终形成皮下夹渣。通过改进RH生产工艺,提高钢水过热度,有效地改善了该钢种存在的皮下夹渣问题,该暗条纹缺陷未再发生。