分享：热镀锌DP980脱锌原因分析及措施

随着人民生活水平不断提高，汽车产量不断上升，随之而来的还有环保、节能、轻量化的压力。如何在保证汽车板强度的同时，减轻汽车重量，是目前汽车行业亟待解决的难题。汽车用先进高强钢主要有[1]：双相钢（DP钢），复相钢（CP钢），马氏体钢，相变诱导塑性钢（TRIP钢）以及孪晶诱导塑性钢（TWIP钢）。双相钢（DP钢）的显微组织主要由软质铁素体基体和硬质岛状马氏体组成，还可含少量贝氏体或残余奥氏体[2]。这种钢的强度、韧性和成形性能都较好。DP钢主要应用于车轮轮毂、保险杠、悬架系统及其加强件[3]。

根据目前的国内外研究现状可知，影响合金元素的选择性氧化因素主要有[4]：扩散系数、氧化反应吉布斯自由能、退火炉露点等。马峰[5]通过扫描电镜分析合金元素在退火过程中的选择性氧化造成的热镀锌产品表面质量缺陷，对退火炉内露点、氧含量等关键参数进行调整，使外氧化转变为内氧化，达到了抑制合金元素的目的。孟晓萍[6]分析了退火炉露点温度对镀锌带钢表面质量的影响，通过对现有生产线加设增湿装置，改善带钢表面漏镀缺陷及炉辊结瘤问题。蒋光锐等[7]在一种C?Mn?Si体系高强钢表面预先电镀100 nm厚度的镍，然后在镀锌模拟器上进行模拟退火处理。结果证明，预镀镍能够有效降低Si和Mn向外的扩散速率，抑制Si和Mn元素在表面的富集程度，改变表面选择性氧化产物的种类，减少高强钢表面氧化物的数量。

本文对DP980热镀锌板卷脱锌原因进行了分析，并制定相应改进措施，有效的减少了高强钢的漏镀、脱锌等缺陷，具有较大实际意义和研究价值。

1.   高强钢可镀性分析

高强钢由于含有较多的合金元素（Al，Si，Mn，Cr，B等），如表1所示，在退火过程中，合金元素在钢板表面发生选择性氧化形成氧化物。这些氧化物会降低锌液与钢板之间的浸润性，影响抑制层的形成，使得锌层发生剥落或者出现漏镀点[8]（图1）。

元素的扩散对合金元素的氧化有重要影响，主要包括：氧元素向内扩散、合金元素向外扩散。根据表2常见合金元素在铁素体和奥氏体中的扩散系数[9]可以得出，合金元素的扩散速率比O元素慢。元素在晶体缺陷处（例如晶界处）的扩散要远快于晶体内部。从动力学角度分析，合金元素的扩散系数越大，越容易发生氧化。

金属元素氧化过程的吉布斯自由能对合金元素的选择性氧化也有重要影响：由图2埃林汉姆图（Ellingham）[10]得出，氧化过程中，自由能负值越大，生成的氧化物越稳定。从热力学角度分析，在同一温度下，若几种元素同时与氧相遇，则位置低的元素最先氧化。

高强钢中存在的Mn、Si、Al等合金元素，与氧的亲和力比Fe元素强，在退火过程中，优先与退火炉保护气中少量的氧气或水反应形成氧化物，这就是合金元素的选择性氧化。高强钢的选择性氧化又分为内氧化和外氧化[11]。如图3，在退火过程中，钢板会被加热到较高的温度，钢板中的合金元素向表面扩散并与氧气反应生成表面氧化物，这种现象称为外氧化[12]。氧气扩散到钢表面以下的亚表面层，并与钢中合金元素反应生成相应的氧化物，产生的氧化物也位于钢板的亚表面层，这种现象称为内氧化[13]。合金元素在钢板表面发生外氧化，使钢板镀锌性能恶化的问题叫做钢板的可镀性问题。

2.   高强钢DP980表面脱锌缺陷成分分析

某镀锌线生产规格为1.5 mm×1154 mm的高强钢DP980过程中，出现严重的带钢脱锌问题，缺陷图片见图4。

2.1   基板表面成分分析

从基板表面成分分析（图5）发现：（1）此钢种的板坯B元素质量分数为0.002%（表1），而经过退火工序后基板表面B元素的质量分数为1.9%，说明B元素的表面富集非常严重；（2）撕掉镀层后的基板表面没有发现Zn元素，说明镀层与基板脱离非常彻底，Zn液在出锌锅时只是涂到了带钢表面，与带钢没有结合力。

为了验证检测出的B元素含量较高不是测量误差，对基体内部的元素含量进行了分析。此钢种的Mn、Si和B元素的质量分数分别为：2.4%、0.4%和0.002%（见表1），能谱分析值（质量分数）分别为2.4%、0.4%和0，如图6所示，Mn元素和Si元素的检测值和实际值吻合，说明电镜检测基本准确；B元素检测值为0，符合电镜的检测精度，即质量分数≤0.01%的元素检测不出来。

综上，说明电镜对成分的分析基本准确，基板表面的B元素含量高确实为表面富集导致的。

2.2   脱落的镀层表面成分分析

对脱落镀层（图7）表面成分分析如图8所示，镀层内表面有B元素，质量分数为0~1.2%，说明基板表面富集的B元素在镀上锌层后从基体表面扩散到了镀层表面，进一步说明B元素非常容易扩散。

2.3   镀层和基体结合界面成分分析

对脱锌样的镀层和基体结合界面做线扫描分析，主要分析Al元素的变化情况，并和正常样的变化情况进行对比，如图9所示。通过线扫描可以发现，脱锌样在界面处的Al元素“尖峰”不明显，而正常样的Al元“尖峰”比较明显，说明脱锌样界面处的Fe2Al5层形成不好或基本没有形成Fe2Al5层，导致锌层与基体的结合力较差，从而脱锌。

通过辉光放电光谱检测（GDS）分析镀层−基体界面，结果如图10所示，脱锌试样在镀层与基体界面处，B元素尖峰明显，富集严重，而Al元素基本没有明显的尖峰，说明Fe2Al5层基本没有形成；而不脱锌试样B元素也富集，但含量没有脱锌试样的高，Al元素尖峰明显含量较高，说明Fe2Al5形成较好。

根据以上分析以及相关文献中对B选择性氧化的研究[14]，脱锌的原因是没有形成Fe2Al5抑制层。此外，B元素的表面富集比较严重，而B元素也是一种易选择性氧化元素，并且很容易扩散到带钢表面，在带钢表面与Mn元素和O元素形成MnB2O4氧化物膜覆盖到带钢表面，阻止Fe2Al5抑制层的形成。

3.   高强钢DP980表面脱锌工艺参数分析

生产超高强钢前对炉区气氛进行了确认，没有发现气氛异常，各段氧体积分数2.6×10−6~4×10−6，各段露点−38.6~58.3 °C。同钢种同规格的前期生产工艺参数与此次脱锌卷对比。2次生产工艺参数区别最大的地方在于炉鼻子露点，前期生产过程中炉鼻子露点在−25 °C，本次生产炉鼻子露点在−50 °C以下。

此条镀锌产线年修时对炉鼻子气密性进行优化，为了控制山峰纹缺陷，关闭了炉鼻子加湿，炉鼻子内露点降低到−50 °C以下。此钢种的B元素质量分数为0.002%，极微量的B就可以使钢的淬透性成倍增加，因此用微量B元素取代大量的合金元素，降低生产成本。但是B元素扩散能力强并且易氧化，炉鼻子露点在−50 °C以下，不能抑制B元素的外氧化[15]，导致B元素在带钢表面富集，同时由于此钢种的Mn元素质量分数较高（2.4%），B元素与Mn元素形成了MnB2O4的氧化物膜，阻止了Fe2Al5抑制层的形成，导致镀锌粘附性下降，最终表现为严重脱锌。

4.   改进措施

为了能同时控制山峰纹和脱锌缺陷，炉鼻子加湿依然关闭。在镀锌线退火炉增设加湿装置。预氧化的原理如图11所示，在退火炉加热段通入水蒸气，提供带钢表面较高的氧分压，使Mn、B等易氧化的元素在带钢的次表层氧化，带钢表面是一层Fe的氧化物[16]。在随后退火炉均热段还原气氛中，把带钢表面的氧化铁还原成海绵铁。带钢进入锌锅后，表层的海绵铁与锌锅中的铝元素反应，形成Fe2Al5抑制层，提高可镀性。

退火炉增设加湿装置后，高强钢镀锌板表面质量有了显著提高。脱锌、漏镀缺陷得到了改善，如图12~13所示。

5.   结束语

某钢厂热镀锌机组在投用退火炉加热段加湿后，生产的高强钢汽车板产品表面漏镀、脱锌缺陷得到了有效控制，产品质量得到了极大提高。将高强钢生产过程中的炉区气氛的控制方法固化到技术规程和操作规程中，结合有效的设备管理，还可以减少锌耗，节约成本。随着市场对热镀锌高强钢表面质量要求越来越高，对于退火炉内的露点控制要求也越来越高，对于退火炉内露点分区控制和露点的闭环控制还需要不断实践和完善。

参考文献

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[3]周大元. 高强Q&P钢镀锌工艺及其对组织和性能影响研究[学位论文]. 北京: 北京科技大学, 2021

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[5]马峰. 热镀锌先进高强钢合金元素选择性氧化控制. 金属世界,2021(4):57

[6]孟晓萍. 增湿装置在热镀锌高强钢生产线上的应用. 冶金管理,2021(11):17

[7]蒋光锐,王海全,刘广会,等. 预镀镍层对一种C–Mn–Si高强钢选择性氧化行为的影响. 表面技术,2021,50(2):304

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[10]韩赟. 首钢汽车用先进高强钢研发进展及应用实践//第十二届中国钢铁年会论文集: 大会特邀报告&分会场特邀报告. 北京: 冶金工业出版社, 2019: 153

[11]郑艳坤. 冷轧带钢炉内氧化机理研究及现场应用[学位论文]. 沈阳: 东北大学, 2017

[12]蒋光锐,王海全,刘李斌,等. 加热段露点对C-Mn-Si-Al高强钢选择性氧化的影响. 金属热处理,2017,42(11):198

[13]李研,刘顺明,张亮亮,等. 冷轧双相钢表面氧化色形成机理与控制措施. 钢铁研究学报,2017,29(5):425

[14]王王. 先进高强钢退火过程选择性氧化模型的研究[学位论文]. 沈阳: 东北大学, 2016

[15]李远鹏. 热镀锌DP780双相钢的选择性氧化行为研究[学位论文]. 北京: 钢铁研究总院, 2012

[16]李远鹏,江社明,张启富. 高强度热镀锌双相钢的可镀性问题研究. 钢铁研究学报,2012,24(4):1

文章来源——金属世界