無鉻耐指紋熱鍍鋁鋅鋼板黑斑缺陷研究

李積鵬，姚 瑩，劉小華，李 健，孫朝勇，許明文，高士偉

（1.酒鋼宏興股份有限公司碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關 735100；2.酒鋼宏興股份有限公司鋼鐵研究院，甘肅 嘉峪關 735100）

無鉻耐指紋板是在鍍鋁鋅板表面輥涂一層銀灰色的1～2 μm 無鉻、高附加值、環境友好的無機/有機復合膜，以優良的耐指紋性、耐蝕性和導電性而被廣泛應用于電腦、影音設備等電子產品領域［1?5］。然而，在高溫高濕環境下運輸、貯存過程中，無鉻耐指紋鍍鋁鋅鋼板會出現鈍化膜表面黑斑缺陷，這種缺陷不僅影響后續加工使用，而且會造成鍍鋁鋅鋼板局部耐腐蝕性能下降，是嚴重影響熱鍍鋁鋅產品質量的一種表面缺陷［6?7］。

為此，采用掃描電子顯微鏡、EDS 能譜儀、激光共聚焦顯微鏡等分析技術，針對終端用戶開卷后鍍層表面出現的黑斑缺陷進行了原因分析并提出了改進措施，為鋼廠生產及用戶加工使用過程中避免黑斑缺陷提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

以用戶反饋的存在黑斑缺陷的熱浸鍍鋁鋅鋼板為研究對象，其規格為0.8 mm×1120.0 mm，基板化學成分見表1，鍍液化學成分為：Al 55.0 %、Zn 43.4 %、Si 1.6 %，鍍層重量為雙面80 g/m2，鍍層表面經無鉻耐指紋鈍化處理。

表1 鋼基體的化學成分Tab.1 Chemical composition of steel substrate

1.2 樣品制備

將含有黑斑缺陷的鋼板與無缺陷的正常鋼板剪切成規格為25 mm×25 mm 的樣品，使用75 %酒精將樣品進行超聲波清洗，清洗時間為180 s，以去除表面的油污，清洗烘干后進行表面微觀形貌觀察和元素含量分析。將黑斑缺陷樣品與正常樣品進行截面制樣，采用冷鑲嵌方法，經粗、細砂紙研磨后在Struers LaboPol?6型金相磨拋機上進行機械拋光，對樣品截面進行微觀形貌觀察和微區元素的定點定性分析和定點定量分析。

1.3 性能檢測

1.3.1 微觀形貌和組成

采用ZEISS Merlin Compact 場發射掃描電鏡，結合OXFORD X?max N 型能譜分析儀（EDS）對熱鍍鋁鋅鋼板加工前后的表面進行微觀形貌觀察和微區元素的定點定性分析和定點定量分析。

1.3.2 三維形貌

采用ZEISS激光掃描共聚焦顯微鏡對黑斑缺陷進行三維形貌觀察，確認發黑的原因是否為局部高度不同、對光線反射的差異產生的視覺誤差所致。

1.3.3 鈍化膜重量檢測

采用手持式X 射線熒光光譜儀（XL 3t 980）對熱鍍鋁鋅鋼板進行鈍化膜重量檢測，確認黑斑缺陷部位的鈍化膜是否減薄甚至破損。

2 結果與分析

2.1 宏觀及微觀表面形貌

圖1 為正常部位與缺陷部位的宏觀照片。其中圖1（a）為正常部位宏觀形貌照片，圖1（b）為缺陷部位宏觀形貌照片，黑斑缺陷分布于距帶鋼邊部10～15 cm 范圍內，數量較多，呈片狀密集分布，上下表面對應，目視較正常部位發黑。

圖1 正常部位與缺陷部位宏觀照片Fig.1 Macroscopic photos of normal and defective parts

圖2 為缺陷部位與正常部位表面微觀形貌。由圖2（a）可以看出，正常部位呈現典型的光整、鋅花形貌特征，且表面鈍化膜分布均勻；而缺陷部位表面鈍化膜脫落嚴重，如圖2（b）所示。進一步將圖1 中正常部位和缺陷部位放大，如圖2（c）～（f）所示，正常部位呈現典型的光整、鋅花形貌特征，有樹枝晶狀鋅花、條狀鋅花、點狀鋅花；而缺陷部位鋅花枝晶被“壓扁”且存在輕微劃傷（圖2（f）），類似摩擦痕跡。

圖2 正常部位與缺陷部位表面微觀形貌Fig.2 Surface micromorphology of normal and defective parts

對缺陷部位和正常部位進行能譜分析，正常部位與缺陷部位各取1個位置，如圖2（a）、（b）所示，檢測結果見表2。缺陷部位與正常部位相比，C元素偏低。由于鍍鋁鋅產品在用戶處被加工為成品后裸用，對耐蝕性能要求較高，因此，要在鍍層表面涂覆一層無鉻耐指紋鈍化膜，以提高材料的耐蝕性。該材料所使用的無鉻耐指紋鈍化液的特征元素是C、O，因此在做能譜分析時，正常部位的C、O 含量較高，缺陷部位的C、O 含量較低，表明缺陷部位表面的耐指紋膜非常薄甚至完全脫落，缺陷部位O 含量較低，說明缺陷部位未發生氧化腐蝕。此外，由于缺陷部位的化學元素仍以Al、Zn 為主，且缺陷部位與正常部位的Fe含量都很低，表明缺陷部位表面仍是鍍層。綜上分析，可以判斷熱鍍鋁鋅鋼板黑斑缺陷產生原因為摩擦損傷，摩擦致使帶鋼表面鈍化膜層遭到破壞。

表2 正常部位與缺陷部位的元素含量Tab.2 The element content of normal and defect parts

2.2 截面微觀形貌

圖3 為缺陷部位與正常部位鍍層截面微觀形貌。其中圖3（a）為缺陷部位截面微觀形貌，圖3（b）為正常部位截面微觀形貌。從組織形貌上來看，正常部位與缺陷部位鍍層截面組織形貌無明顯差異，都是由內、外兩層組織構成的：內層為金屬間化合物層，由Fe?Al?Zn?Si 四元合金組成，其厚度較薄，約為1 μm；外層為合金層，由粗大的α?Al 相平行于基體表面生長，富Zn相以及彌散分布的條狀高Si相夾于α?Al之間。

從鍍層厚度來看，缺陷部位的鍍層厚度不均勻。在鋼卷運輸和搬運過程中，一旦出現鋼卷振動等情況，容易導致鋼卷內部層與層之間短距離的相對滑動，局部鍍層過厚部位之間的接觸更緊密，此部位較正常部位受力大，容易產生摩擦黑斑［8］。

2.3 鈍化膜重量檢測結果與分析

該廠鈍化膜重量控制范圍為0.8～1.1 g/m2，用手持式X射線熒光光譜儀對缺陷樣品與正常樣品的鈍化膜重量進行檢測，缺陷樣品與正常樣品各取5個位置，分別標注1、2、3、4、5，如圖4 所示。檢測結果見表3，發現缺陷樣品的表面鈍化膜重量明顯降低，說明黑斑部位的鈍化膜厚度減薄甚至破損。

圖4 正常部位與缺陷部位的鈍化膜重量測量Fig.4 Measured weight of passivation film in normal and defective parts

表3 鈍化膜重量測量值Tab.3 Measured weight of passive film

2.4 表面三維形貌

為了確認黑斑區域發黑的原因是否由于局部高度不同、對光線反射的差異產生的視覺誤差所致，使用激光共聚焦顯微鏡對黑斑部位的三維形貌進行分析。由圖5可見，缺陷部位表面有明顯的高度起伏，結合黑斑缺陷微觀形貌特征，可以判斷黑斑區域發黑的原因是由于鍍層凹凸不平，對光線反射的差異導致的視覺現象。

圖5 黑斑缺陷三維形貌Fig.5 Three-dimensional morphology of black spot defect

3 改進措施

3.1 鋼卷裝載要求

當鋼卷寬度與直徑之比小于等于0.7時，裝載方式應選擇立式擺放方式，鋼卷孔軸線垂直于裝載平面；當鋼卷寬度與直徑之比大于0.7且寬度小于車輛寬度時，裝載方式應選擇臥式橫向擺放方式，鋼卷孔軸線平行于裝載平面且垂直于車輛側面；當鋼卷寬度與直徑之比大于0.7、寬度大于或等于車輛寬度時，裝載方式應選擇臥式縱向擺放方式，鋼卷孔軸線平行于裝載平面且平行于車輛側面［9］。

鋼卷裝車時必須有鋼托架或弧形木托架，不要將鋼卷與托架或相鄰鋼卷直接接觸，相鄰鋼卷之間需增加膠皮或草墊等軟性材料加以防護，繩索固定鋼卷時保證鋼卷不能發生晃動，使用弧形大凹槽裝小卷時要增加楔形墊塊予以防護避免晃動［10］。同時，鋼卷發車前，需要準備足夠的三角木以備不時之需。

3.2 鋼卷運輸、貯存要求

鋼卷在倉儲、吊運、移動過程中防止磕碰，不能劇烈晃動，落地時要緩慢輕放，杜絕粗暴吊裝，運輸過程中固定牢固，避免鋼卷晃動，防止鋼卷層間發生摩擦產生黑斑。另外，在鋼卷開平成盒板后及裝車倒運過程中也要做好防護和固定，運輸倒運過程中輕起輕落，不能野蠻作業，防止盒板運輸過程中晃動摩擦造成黑斑缺陷。

3.3 鋼卷生產要求

鋅層厚度均勻控制。通過調整鋅鍋氣刀、生產線速度、光整機軋制力等工藝參數可實現鋅層厚度均勻控制。

適當增加卷取張力。在不影響連續熱鍍鋁鋅生產線設備正常運行情況下，建議將出口段卷取張力提高10 %，時刻關注鋼卷卷取情況并根據實際情況適當增減卷曲張力，保證鋼卷卷取緊實。

優化包裝方式。根據鋼卷寬度、厚度規格，適當增加鋼卷的捆帶數量、調整包裝方式（如：增加鐵皮、聚氨酯、瓦楞紙等）也可以起到防護作用。

3.4 其他要求

熱鍍鋁鋅鋼卷的運輸摩擦黑斑，除裝卸車、生產、運輸、包裝方式對其有影響外，熱鍍鋁鋅鋼卷的訂貨要求（卷重、規格、表面后處理方式、包裝方式等）也有影響，在用戶訂貨前要溝通詳細、清楚。

4 結論

（1）無鉻耐指紋熱鍍鋁鋅鋼板黑斑缺陷主要是由于鍍層凹凸不平致使鋼卷在運輸過程中鋼板層與層之間相互摩擦所致。局部鍍層過厚部位之間的接觸更緊密，此部位較正常部位受力大，容易產生摩擦黑斑。

（2）黑斑區域發黑的原因是由于鍍層凹凸不平，對光線反射的差異導致的視覺現象。