1前言

镀锌板具备优良的表面质量和耐蚀性，在建筑、家电和汽车等行业应用广泛。常规热镀锌板生产流程中，“酸洗”工序污染环境、增加成本，而对于含锰、硅等合金元素的高强钢，由于在退火时合金元素容易发生选择性氧化，这些合金元素的氧化物降低基板的润湿性，导致镀锌板出现漏镀等缺陷。针对这些问题，从原始锌液成分影响、锌液成分优化设计、工业化试制等开展了相关系统研究，自中心获批成立以来，主要研究进展介绍如下。

2原始锌液成分影响

镀锌实验中，若不加铝，由于fe与zn的相互扩散，使镀层中znxfey合金相快速生长，最终的镀层中出现大量的γ、ζ、δ等合金相，这些合金相的延展性极差，如果合金层过厚，那么在热镀锌板的成形过程中，容易出现锌层脱落。所以在热镀锌生产中，希望合金层尽可能薄，以获得良好的镀层成形性。经过几十年的研究，发现在锌液中添加铝元素，可以有效地抑制znxfey合金相的出现。在加铝热镀锌时，由于al元素对fe具有比zn更高的亲和力，al率先与fe反应生成fe-al合金层，这层合金层能够阻碍zn与fe的相互扩散，从而抑制znxfey合金相的产生。同时这层薄而均质的中间层能够牢固地附着在基体表面，提高镀层的附着性。图1为原始工艺条件下锌层断面结构与折弯结果，从图中可以看出，镀层中主要为γ、δ、ζ合金相和纯锌相η。由于γ、δ、

ζ合金相为脆性相，恶化镀锌板的成形性能，需要通过优化镀锌工艺进行消除。

3锌液成分优化设计

3.1锌层表面形貌分析

在常规酸洗板和冷轧板的热镀锌工艺中，要求在热镀锌锌液中加入0.16%-0.25%的al，以形成抑制层，优化镀的组织和性能。在热轧带钢免酸洗还原热镀锌工艺中，由于热轧原板表面粗糙度较大，表面氧化铁皮被氢气还原后的海绵铁进一步加剧镀锌原板的表面粗糙度，常规镀锌工艺添加0.2%左右的al已经不能满足免酸洗还原热镀锌工艺的要求。

图2为免酸洗热浸镀锌工艺条件下不同al含量的镀层表面形貌。基板表面的氧化铁皮表层部分被还原为纯铁，呈现出银白色金属光泽，随着al含量的增加，锌层逐渐变的光滑，但亮度基本没有什么区别。

免酸洗热浸镀锌工艺条件下不同al含量的镀层微观表面形貌如图3所示。从图中可以看出，随着al含量的升高，表面的共析组织含量增大，纯锌的η相晶粒减少。

3.2锌层断面形貌分析

图4为添加0.2%al后，锌层断面结构与折弯结果。从图中可以看出，在镀层与基体界面存在大量的δ合金相和棒状ζ合金相，可见铝含量明显不足，未能形成有效的抑制层，这种结构对于镀层的附着性是不利的，由于缺少作为中间黏附层的fe2al5相，这种镀层结构仍然需要进一步优化。

随着al含量的增加，表层的纯zn晶粒减少，同时被富zn的先共析相包裹，同时zn-al的共析组织的含量也逐步增多。从图5可以看出，在镀层和钢基体之间有一层fe的氧化物存在，这层氧化物可以起到抑制fe-zn脆性相生成的作用。zn-1.5al的锌层断面结构主要是纯zn相；随着al含量的升高，zn-3al的锌层断面结构是纯zn相和zn-al共析相；当al的含量达到6wt.%时，镀层中的纯zn相消失，全部都是zn-al共析相，在镀层与氧化物界面处形成fe2al5抑制层。随着al含量的增加，zn-al共析组织分布更为均匀，无脆性相生成。

从镀层断面扫描结果来看，随着al含量的升高，截面的共析组织含量增大，纯锌的η相晶粒减少，现象与表面形貌一致。界面的zn含量减少，al含量增加，证明增加al可以减少界面处的fe-zn脆性相，增加fe-al抑制层，增加镀层塑性。

通过o和fe元素分布状况的面扫描结果可以看出，试样表面仍然有大量的氧化铁皮残留，但是还原反应同时在试样表面和氧化铁皮/基体的界面两个方向上进行，所以上下两层还原纯铁将残余的氧化铁皮夹裹，形成纯fe/氧化铁皮/纯fe的三层结构。铝元素在锌液里的作用是形成fe2al5抑制层，阻止zn-fe合金相的产生。从zn-al二元平衡相图可以看出，当al含量为0.2%时，不足以形成有效的抑制层，基板进入锌锅后，在还原纯铁的表面首先发生ζ相的形核，紧接着在ζ相与还原纯铁的界面处形成δ相。这两层的出现并没有明显的时间差，两相很快生长形成层状结构。而当al含量在0.6wt.%以下时锌层全部为纯锌的η相，随着al含量的继续增加，锌层中逐渐出现zn-al共析相，特别在5wt.%是共析临界点。

3.3锌层性能分析

3.3.1冷弯实验

为了对比不同al含量对镀层与基体黏附性的影响，进行了180°冷弯实验。从冷弯效果来看，zn-1.5al、zn-3al、zn-6al冷弯面没有发现锌层明显的脱落。从图6折弯后曲面微观形貌可以看出，全部锌层均有裂纹，但随着al含量的升高，裂纹长度、宽度明显减小。说明锌层的黏附性、韧性随着al含量的升高而增强。

3.3.2电化学实验

为了对比不同al含量对镀层耐蚀性的影响，本研究借助电化学工作站采用开路电位和阳极极化的方法，对镀层的耐蚀性进行检测。根据开路电位的变化趋势可以看出，随着时间的延长，电位逐渐趋于稳定，al含量越高开路电位越高，表明耐蚀性越好。但由于每种镀层的开路电位差别不是十分明显，特别采用阳极极化实验测量不同锌液成分的腐蚀电流，通过腐蚀电流的变化趋势可以明显看出，al含量的升高可以有效地降低腐蚀电流，提高镀层的耐蚀性（图7）。

3.3.3硬度测量

为了对比不同al含量对镀层表面硬度的影响，我们使用硬度计，测量了不同al含量锌层的硬度。从统计图中可以看出，随着al含量的升高，锌层的表面硬度逐渐变大。

4现场工业化试制

4.1现场试制一

国内某钢厂欲生产目标厚度600g/m2锌层的镀锌板。预热阶段，利用加热炉产生的废气余热加热，使炉内温度控制在266℃左右。预热结束后，直接进入加热炉内，加热炉一共由九个炉腔组成，前八个炉腔为加热阶段，使温度从683℃加热到853℃，第九个炉腔为保温阶段，使带钢出炉温度控制在780℃左右。之后为冷却阶段，采用四个风机进行冷却，使带钢温度降到450℃，准备进入锌锅。图8为实验过程中，两次取样的宏观表面照片。一次取样为最初工艺参数下生产的镀锌板，但现场仪表显示镀层厚度没有达到要求，因此调整气刀参数，使镀层变厚，调整之后所取的试样为二次取样。从两次取样的宏观表面形貌可以看出，表面存在色差，黑白相间条纹，用手去摸，没有明显的凹凸感，很光滑。为了检测锌层的黏附性，随后进行了180°冷弯实验，从胶带上可以看出，有少量锌粉脱落现象。最后利用化学法检测带钢镀锌层实际厚度，检测出带钢中部镀层厚度为540-550g/m2，边部镀层厚度为580-590g/m2，没有达到预定镀锌层厚度（图9）。

根据现场生产条件，结合实验室研究结果，制定优化的热轧带钢免酸洗还原热镀锌板试制工艺，在某钢厂热镀锌线上进行了热轧带钢还原热镀锌板的试制。热镀锌过程中，还原热镀锌板表面质量良好，镀锌板表面锌花均匀（图10）。

在锌锅中经3s热浸镀后，镀锌层厚度约20μm，带钢的锌层厚度相对均匀。由于还原工艺相对苛刻，在还原退火炉内进行1.5min还原后，仍有大量的氧化铁皮保留，最终随试样进入锌锅，这层氧化铁皮与fe2al5共同作用阻碍了zn和fe的合金化过程，避免了fe-zn合金相的产生，最终的镀锌层完全为纯锌（η）相（图11）。

通过180°冷弯来验证镀层的附着性。尽管基体与镀层之间残留有大量的fe1-yo，但是纯锌层具备良好的延展性，在冷弯变形时，镀层能够保持较好的完整性，t弯试样宏观照片在“2t”试样的弯角部位未出现肉眼可见的裂纹（图12）。

4.2现场试制二

热轧卷分条加工成480mm宽小卷，在无锡某窄带钢连退热镀锌机组进行尝试，炉温850℃，炉内保护气体为30%h2-n2混合气体，总流量为120m3/h。加热段16m，保温段65m，带速20-33m/min，辐射加热，有效保温时间120-180s。锌液温度460℃，锌液成分为0.34%al-0.06sb，镀层质量控制为双面275-600g，钝化液钝化。

本次实验带钢的可镀性仍很好，表面质量较好，镀层连续完整，存在个别麻点，产品整体外观跟该机组正常生产的窄带钢热镀锌产品类似，表面粗糙度可能稍高。但本次实验，有2/3以上氧化皮未被还原，镀层下存在连续氧化铁皮，对镀层结合力存在不良影响，双面270g/ m2镀锌板120°折弯不脱锌，0t存在少量脱锌（图13、14、15）。

5工业化产线设计

紧密结合我国“十三五”科技发展纲要，针对热镀锌生产技术现状，以实现环境友好的绿色制造、产品结构转型升级为目标，与国内某公司围绕免酸洗热镀锌工艺技术与装备开发签订了战略合作协议，双方合作共同开发出具有自主知识产权的免酸洗热镀锌核心工艺技术和中试示范线。开发的免酸洗热镀锌示范线工艺装备布置如图16所示。

信息来源：世界金属导报