【正文】 1 汽車用熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)技術(shù) 一、引言 鍍鋅鋼板是鋼和鋅復合形成的材料。鋼的優(yōu)點是有強韌性，可以加工成各種零件，缺點是在大氣中容易銹蝕。鋅的優(yōu)點是耐蝕性好，缺點是強度不高。鍍鋅鋼板把兩種材料的優(yōu)點結(jié)合在一起，復合后形成的材料有基板鋼的強度和塑性，又有耐腐蝕的鍍層，在建筑、家電和汽車等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的用途。這種材料的組合，體現(xiàn)了人類的創(chuàng)造性。 鋅鍍層是通過物理和化學兩種作用來保護基板的。鋅鍍層在鋼板的表面，阻斷了鋼板與外面腐蝕介質(zhì)的接觸，使鋼板免除腐蝕介質(zhì)的腐蝕作用。當鍍鋅鋼板基板和鋅鍍層同時暴露在腐蝕介質(zhì)環(huán)境 中時（如鍍鋅層劃傷和切口處），由于鋅的電極電位（ ）低于鐵的電極電位（ ），鋅呈陽極而鋼為陰極，因此鋅優(yōu)先腐蝕而保護了基板，這稱為鋅的犧牲陽極保護作用。 當前汽車工業(yè)在汽車鋼板用材方面有兩個顯著特點：一是越來越多地采用高強度的鋼板，使汽車鋼板在保證使用性能的前提下適當減薄，以達到減重節(jié)能、減少廢氣排放保護環(huán)境的目的；二是大量采用鍍鋅鋼板，增加汽車的耐腐蝕性能，以應對冬季道路撒鹽、環(huán)境對汽車的腐蝕加劇的狀況，提高汽車的使用壽命。汽車鋼板減薄以后，耐腐蝕的能力相應下降，更需要鍍層的保護。因 此，世界各種品牌的汽車所用的鋼板中鍍鋅鋼板的比例不斷上升。有些型號的汽車的車體鋼板100％用鍍鋅鋼板。 鍍鋅鋼板有熱鍍鋅鋼板和電鍍鋅鋼板。熱鍍鋅鋼板的生產(chǎn)成本低于電鍍鋅鋼板，同時熱鍍鋅技術(shù)的進步，使熱鍍鋅鋼板的內(nèi)在性能和表面質(zhì)量得到很大的提高，所以近年來汽車用的熱鍍鋅鋼板比電鍍鋅鋼板的發(fā)展要快得多，并正逐步取代電鍍鋅鋼板，成為汽車鋼板的主流。 圖 1 是現(xiàn)代熱鍍鋅生產(chǎn)線的示意圖。熱鍍鋅生產(chǎn)線實質(zhì)是連續(xù)退火生產(chǎn)線和鍍鋅系統(tǒng)的組合。鋼板通過加熱、保溫和冷卻等一系列熱處理使鋼板具有一定的力學性能，并且使表面有一個鍍 鋅所必須的清潔的表面。然后鋼板經(jīng)鋅鍋鍍鋅、氣刀控制鋅層厚度、合金化處理（生產(chǎn)合金化熱鍍鋅鋼板時用）、平整、表面后處理（鈍化或磷化）和涂油等工序完成生產(chǎn)過程。 2 圖 1 熱鍍鋅生產(chǎn)線示意圖 經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在熱鍍鋅技術(shù)在設(shè)備、生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的質(zhì)量等方面已經(jīng)達到相當高的水平，下面沿生產(chǎn)線的流程，按工藝段列出生產(chǎn)技術(shù)上的主要成就 (1)。 ① 入口段 ? 鋼板清洗技術(shù) ②退火段 ? 高精度鋼板溫度控制技術(shù)： ―高精度測溫計 ―高精度控制系統(tǒng) ? 爐內(nèi)穩(wěn)定操作技術(shù) ―防止金屬粘輥 ―防止熱瓢曲 ③鋅鍋段 ? 鋅鍋沉 沒輥的長壽技術(shù) ? 鍍層厚度均勻技術(shù) ? 鋅液成分穩(wěn)定技術(shù) ? 鋅渣缺陷防止技術(shù) ④合金化爐段 高精度合金化控制技術(shù) ? 高精度測溫技術(shù) 出口活套開卷機焊接機中間活套退火爐平整機矯直機鈍化靜電涂油淬火槽卷取機鋅鍋堿清洗堿清洗堿清洗堿清洗堿 清洗測厚儀雙刃剪 3 ? ZnFe相探測器 ? ZnFe相探測系統(tǒng) ⑤電鍍段（有的生產(chǎn)線有） ? 電鍍技術(shù) ⑥出口段 ? 在線精整 ? 在線缺陷檢測 現(xiàn)代熱鍍鋅生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品，在品種和質(zhì)量上可以滿足各個工業(yè)部門，特別是對產(chǎn)品性能要求很高的汽車工業(yè)的需要。熱鍍鋅產(chǎn)品按鍍層分有純鋅熱鍍鋅鋼板（ Galvanized steel 以下簡稱 GI）和合金化熱鍍鋅鋼板（ Galvannealed steel 以下簡稱 GA）。從基板的種類看 ，則熱鍍鋅鋼板的品種就更多，有軟鋼為基板的一般沖壓級、深沖級和超深沖級熱鍍鋅鋼板，有各種強度級別鋼為基板的結(jié)構(gòu)和沖壓用的高強度熱鍍鋅鋼板。這些性能不同的熱鍍鋅鋼板，可以滿足制造不同汽車零件的需要?，F(xiàn)代熱鍍鋅生產(chǎn)線生產(chǎn)的熱鍍鋅鋼板的表面質(zhì)量可以和電鍍鋅鋼板相媲美。 如前所述，熱鍍鋅鋼板已經(jīng)在農(nóng)業(yè)、建筑、輕工、汽車和家電等行業(yè)被廣泛應用。那么什么是汽車用熱鍍鋅鋼板 ?汽車用熱鍍鋅鋼板有什么與其它應用領(lǐng)域用的熱鍍鋅鋼板不同的特點呢？這要從汽車的生產(chǎn)過程說起。熱鍍鋅鋼板在汽車廠要經(jīng)過沖壓、焊接、磷化和涂漆等一系列的生 產(chǎn)工序（如圖 2 所示），才能制成汽車零件，組成一個完整美觀的車體。從這些加工工序中，我們可以理解熱鍍鋅鋼板應該具備什么樣的性能。熱鍍鋅鋼板首先要經(jīng)過沖壓制成汽車零件的毛坯，因此汽車用的熱鍍鋅鋼板首先要有好的沖壓性能。有些汽車零件十分復雜，如門內(nèi)板，只有鋼板具有很高的延伸率、 r 值和 n 值，才能生產(chǎn)出完好的沖壓件。汽車鋼板經(jīng)涂漆以后，表面應該光亮美觀，沒有缺陷。可以想象，汽車用的熱鍍鋅鋼板的表面質(zhì)量應該很高，不能有任何缺陷。同時，汽車用的熱鍍鋅鋼板還要有好的焊接性能、磷化性能和涂漆性能。 下面我們討論在熱鍍鋅鋼板的 生產(chǎn)中，如何使產(chǎn)品能達到汽車工業(yè)其性能的要求。實際上，熱鍍鋅鋼板的生產(chǎn)技術(shù)包括基板的生產(chǎn)技術(shù)和熱鍍鋅技術(shù)，熱鍍鋅鋼板的基板技術(shù)作為冷軋鋼板的生產(chǎn)技術(shù)在別的地方另外討論，這里著重討論 4 鍍鋅方面的有關(guān)技術(shù)問題。我們分三個話題進行討論： ? 純鋅熱鍍鋅鋼板 GI ? 合金化熱鍍鋅鋼板 GA ? 熱鍍鋅汽車外板 二、純鋅熱鍍鋅鋼板 GI 正如圖 1 所示，熱鍍鋅生產(chǎn)線實際上分兩個部分，即基板熱處理和熱浸鍍鋅。前一部分使鋼板通過熱處理達到一定的力學性能，同時使鋼板在還原氣氛中達到化學清潔的表面，以順利完成下面的鍍鋅工序。 熱鍍鋅反應的基本原理 鋼板以略高于鋅液的溫度進入鋅鍋。鋅液的溫度通常保持在 460－ 470℃之間。 在現(xiàn)代的熱鍍鋅生產(chǎn)工藝中，鋅液中含有一定量的 Al，通常為 ％。 鋼板后續(xù)加工和處理 沖壓 焊接 表面處理 涂漆 鋼板的整體成形性 鍍層的剝落和粉 化 焊接參數(shù) 電極壽命 表面元素富集 磷化行為 電泳針孔 表面 無缺陷 粗糙度和波紋度 3 表面鮮映性 圖 2 汽車用熱鍍鋅鋼板的加工和對性能的要求 圖 3 FeZn 二元相圖 (2) 5 鋼板進入鋅鍋以后，鋼板的表面立即與鋅液發(fā)生一系列的化學反應 ，即鋅液浸潤鋼板、鋼板表面 Fe 溶解和鋅液與鐵反應生成金屬間化合物。鋼板和鋅液的反應遵 循一定的規(guī)律，它由圖 3的相圖來描述 (2)，生成的金屬間化合物和它們的一些基本 性能列于表 1(3) 表 1 FeZn 層相的參數(shù) (3) 相的名稱 組 成 范圍at%Fe 結(jié)晶構(gòu)造 晶格常數(shù) 電磁特性 比重g/cm3 硬度 Hv η Eta Zn 六方晶 a= c= 反磁性 52 ζ Zeta FeZn13 單斜晶 a= b= c= β = 常磁性 200 δ 1 Delta1 FeZn7 六方晶 A= B= 常磁性 284300 Γ 1 Gamma1 Fe5Zn21 面向立方 常磁性 505 Γ Gamma Fe3Zn10 體心立方 常磁性 326 α Fe Alfa Fe Fe 體心立方 強磁性 7． 86 104 按照 FeZn 相圖，鋼板表面生成的金屬間化合物呈層狀結(jié)構(gòu)，稱為合金層。從鋼板表面起，依 Fe 含量遞減、 Zn 含量遞增，合金層中的 FeZn 相分別為 Γ、Γ δ 1 和ζ ,合金層外面是 Fe 飽和的純鋅相（ Fe %）。鍍層的生長符合指數(shù)規(guī)律，即 e=Ktn，說明反應是穩(wěn)定的擴散反應。合 金層中各相的生長速度是不同的，Γ、δ 1和ζ的 n值分別為 、 ，Γ相生長最慢，而δ 1相生長最快，往往消耗Γ和ζ優(yōu)先生長 （ 4） 。 了解鋼板和液態(tài)鋅在界面的反應和動力學對預計和控制鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和提高產(chǎn)品質(zhì)量是必要的。界面反應十分復雜，包括液態(tài)鋅浸潤鋼板、鋼板的溶解、FeAlZn 金屬間化合物的等溫析出、固態(tài)相的擴散和 Zn 的非等溫固化。有些反應，特別是初期的反應速度很快，反應時間不到 1 秒，而且有些反應相互交替。因此，鍍鋅時的界面反應的機理尚在一定的爭議。 FeZn 金屬間化合物的形成焓 6 和自由焓很小，而且相互接近， Δ H： ~。Δ G:~（ 4） 。因此，體系稍有微擾就會改變反應的次序和產(chǎn)物，不能簡單地根據(jù)相圖直接解釋觀察到的現(xiàn)象。 我們在文獻中看到的相圖可能不同，一是因為人們對事物的認識是在不斷發(fā)展的，新的認識不斷充實到新的相圖中，因此現(xiàn)代用的相圖與以前的不同這是很自然的。另外，有的相圖在測試時，取的平衡時間比較短，得到的相圖是亞平衡的相圖。還有的相圖是經(jīng)過較長的平衡時間測得的，是平衡相圖，鍍鋅工作者常用的相圖是亞平衡 的相圖，這一點在研究鋅鐵反應時要加以注意。 純鋅熱鍍鋅鋼板的鍍層結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)純鋅熱鍍鋅鋼板 GI 時，鋼板進入鋅鍋后與鋅液的發(fā)生反應，由于 Al對 Fe 的親和力大于 Zn，所以在鋼板進入鋅鍋和鋅液發(fā)生反應的初始階段， Al首先與 Fe 反應生成一層富 Al 的金屬間化合物。通過掃描電鏡（ SEM）、透射電鏡（ TEM）電子衍射和 X 光能譜（ EDS）等分析，證明熱鍍鋅初期在鋼板表面生成的富 Al 層主要由含一定量 Zn 的 Fe2Al5 組成（圖 4）。由于 Fe2Al5的生成阻止了 Zn 和 Fe 的進一步反應，所以這層 Fe2Al5 常稱為阻擋層。這阻擋 層對熱鍍鋅鋼板鍍層的附著力有重大的影響。 通?？吹降?GI 的鍍層結(jié)構(gòu)如圖 5。關(guān)于熱鍍鋅鋼板合金層的生成過程有兩種觀點，一種觀點認為一開始就生成富 Al 的化合物層，而另一種觀點認為 Γ、ζ、δ 1和 Fe2Al5 同時在鋼板表面生成，然后這些 FeZn 化合物與鋼板接觸的部分由于 Fe 的擴散轉(zhuǎn)變成 Γ相，再通過 Al 的擴散生成 Fe2Al5（Γ＋ Al→ Fe2Al5＋Zn） 。在這個反應中排斥出來的 Zn 一部分擴散到基板中，一部分擴散到Fe2Al5/FeZn 界面，并以液態(tài)形式，當達到一定 的數(shù)量時， Fe2Al5 和 FeZn 從界鋅鋼板的橫截面 圖 4 熱鍍鋅鋼板橫截面 右： Al 分布圖 左：形貌圖 7 面分開，這就解釋了為什么在阻擋層外面還有 FeZn 化合物的原因（圖 6）。上面關(guān)于生成阻擋層的第一種原理也可以解釋阻擋層外面存在 FeZn 化合物的道理， ①阻擋層沒有顯著降低 Fe 和 Zn 的互擴散， FeZn 在阻擋層在上面成核長大；② FeZn 在阻擋層的不連續(xù)處成核，并橫向生長到阻擋層上面； ③在鋼板接觸鋅液的最初階段， Fe快速溶解到鋼板表面附近的鋅液里，造成這部分鋅液 Fe過飽和，待阻擋層生成后， FeZn 析出或在冷卻過程中沉淀出來。 鍍層的附著力 對汽車用的熱鍍鋅鋼板的鍍層的要求中最重要的是要有足夠的鍍層附著力。鍍層有了足夠的附著力，才能在沖壓零件時不脫落。鍍層的附著力決定于鍍層的結(jié)構(gòu)，由于鍍層的合金層硬而脆，所以合金層厚，鍍層的附著力就差，鍍層容易脫落，這是鋅液加鋁抑制合金層生長的道理。圖 7 示表示鋅液的 Al 含量與鍍層合金層厚度之間的關(guān)系。有些汽車廠規(guī)定了鍍層最高允許的 Fe 含量來限制合金層的厚度，因為鍍層的 Fe 含量高就意味合金層厚。我們曾遇到過鍍層的 Fe 含量超標的情況（有些汽車廠規(guī)定鍍層的 Fe 含量不大于 %），用這批 熱鍍鋅鋼板沖壓汽車零件時鍍層大量剝落。實際金相組織觀察也表明， FeZn 合金層的厚度達到鍍層厚度的 1/3。 有些汽車廠要求