鍍層膜皮的結(jié)構(gòu)和特性
表面處理鋼板可根據(jù)各產(chǎn)業(yè)部門(mén)對(duì)耐蝕性、涂裝性、焊接性和美觀性等各種不同要求，通過(guò)鍍層皮膜、鍍后化成處理和涂裝而附加高功能以適應(yīng)，從而在汽車(chē)、電機(jī)和建材等方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。本文除對(duì)最近的表面處理技術(shù)綜合介紹外，重點(diǎn)對(duì)汽車(chē)用防銹鋼板用合金化熱鍍鋅板(以下簡(jiǎn)稱GA鋼板)的技術(shù)研發(fā)概況簡(jiǎn)介如下。
1)最近表面處理技術(shù)的發(fā)展走向
最近世界性重視環(huán)保，實(shí)行綠色采購(gòu)，促進(jìn)了相關(guān)表面處理技術(shù)的研發(fā)盛行，如無(wú)鉻處理皮膜和無(wú)鋁表面處理鋼板已開(kāi)發(fā)成功并實(shí)用化。還有，從節(jié)約資源出發(fā)，鍍層薄而使用壽命更長(zhǎng)的Zn-Mg鍍層和Zn-Al-Mg鍍層板正在開(kāi)發(fā)，另為汽車(chē)輕量化且安全性強(qiáng)的GA鋼板的高強(qiáng)度化同樣也在進(jìn)行。據(jù)此，有關(guān)鍍層結(jié)構(gòu)和皮膜結(jié)構(gòu)的解析中，對(duì)電鍍析出反應(yīng)用in-situ觀察的方法以及利用集束離子束(FIB)加工制造電子顯微鏡用試料得以實(shí)現(xiàn)GA皮膜的TEM觀察等，均反映了微型解析技術(shù)進(jìn)步的重大作用。
2)GA鋼板的系統(tǒng)技術(shù)
通過(guò)熱鍍鋅后的熱處理加工，使形成含有適量鐵的Fe-Zn鍍層的GA鋼板，由于其沖壓成形性、耐蝕性、涂裝性和焊接性等俱優(yōu)，故從1990年以來(lái)作為汽車(chē)防銹用鋼板，其需求快速增長(zhǎng)。為提高其質(zhì)量，從2000年開(kāi)始，在鋼鐵協(xié)會(huì)的材料和特性小組的“合金化熱鍍鋅皮膜的結(jié)構(gòu)和特性”的研討會(huì)上進(jìn)行了有關(guān)合金化反應(yīng)中Fe-Zn及Fe-Zn-Al狀態(tài)圖和查明GA鋼板破壞機(jī)理的研究�，F(xiàn)對(duì)其成果簡(jiǎn)介如下。
(a)合金化反應(yīng)。針對(duì)過(guò)去對(duì)此的不同觀點(diǎn)，進(jìn)行了合金化反應(yīng)時(shí)δ1相形成機(jī)理的模式試驗(yàn)后得知，在δ1相形成初期不存在δ1P，而是形成δ1K的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài);隨著反應(yīng)進(jìn)行，形成δ1P和δ1K混存的δ1相，故認(rèn)為Fe-Zn的二元系狀態(tài)圖為低溫下二相分離，高溫下則區(qū)域變窄而閉合的可能性大。
(b)鍍層皮膜的破壞機(jī)理。
GA鋼板在沖壓成形時(shí)，由于與模具的摺動(dòng)和加熱使母材變形的同時(shí)，并產(chǎn)生鍍層剝離現(xiàn)象，本研究尚未能解析清楚，但對(duì)加工時(shí)皮膜受壓縮、抗拉力影響下產(chǎn)生的皮膜剝離機(jī)理基本查明，即壓縮應(yīng)力場(chǎng)比抗力應(yīng)力場(chǎng)小時(shí)產(chǎn)生剝離，此時(shí)龜裂在δ1相內(nèi)產(chǎn)生并擴(kuò)大。還發(fā)現(xiàn)在抗拉應(yīng)力場(chǎng)鍍層無(wú)塑料變表，而在壓縮應(yīng)力場(chǎng)則產(chǎn)生塑性變形。又發(fā)現(xiàn)鍍層在加熱合金化處理和以后的冷卻過(guò)程中皮膜處產(chǎn)生高殘留應(yīng)力，使之存在潛性龜裂，一旦施加抗拉應(yīng)時(shí)龜裂自然擴(kuò)大。為此，應(yīng)據(jù)加工應(yīng)力場(chǎng)的不同采取對(duì)應(yīng)措施。
(c)今后課題。考慮鍍層的剝離機(jī)理與鍍層厚度、母材成分及強(qiáng)度等有關(guān)，今后應(yīng)通過(guò)Fe-Zn-Al三元狀態(tài)圖、合金化反應(yīng)、鍍層結(jié)構(gòu)及其破壞機(jī)理的綜合應(yīng)用，以設(shè)計(jì)出沖壓成形時(shí)抑制鍍層剝離的最佳皮膜結(jié)構(gòu)。
2腐蝕機(jī)理和評(píng)價(jià)法
1)腐蝕機(jī)理和腐蝕生成物
汽車(chē)用表面處理鋼板正由電鍍鋅(含合金鋅)向?yàn)樘岣吣臀g性而加厚鍍層的熱鍍鋅(含合金鋅)鋼板轉(zhuǎn)移中。對(duì)于鋅的防腐作用，原認(rèn)為鋅層在腐蝕過(guò)程中不斷減薄，直至其殘存狀態(tài)一發(fā)揮著防腐作用，但現(xiàn)發(fā)現(xiàn)即使金屬鋅層消失后，由腐蝕生成物溶出的鋅離子可抑制下層鐵的溶解，仍可發(fā)揮耐腐蝕作用。
在建材用表面處理板方面，熱鍍鋅特別是5%Al-Zn、55%Al-Zn鍍層鋼板的用量日益增加。在大氣腐蝕環(huán)境下使用的建材，除鋅的犧牲防蝕作用外，鍍層本身的耐蝕性亦甚為重要。55%Al-Zn鍍層板，在改善加工性的同時(shí)，有機(jī)涂裝層亦可提高耐蝕性。在5%～10%Al-Zn中加入3%Mg的合金化鍍層鋼板，在海濱環(huán)境下，早期即生成抑制腐蝕效果大的堿性氯化鋅及堿性氯化鋅鋁等腐蝕生成物，加上含Mg的致密腐蝕生成物皮膜，對(duì)抑制腐蝕的阻極反應(yīng)效果更大，故防腐蝕的綜合效果很好，已廣為應(yīng)用。
從環(huán)保出發(fā)，家電用材已嚴(yán)格限制使用汞、鎘、鉛和六價(jià)鉻等有害金屬，現(xiàn)不用六價(jià)鉻作鍍層處理而能保持同樣耐蝕性的技術(shù)在大量開(kāi)發(fā)中。除以其它成分代六價(jià)鉻外，還開(kāi)發(fā)成功|/span>12|環(huán)境遮斷性強(qiáng)的有機(jī)皮膜和加入自我修復(fù)防蝕劑的有機(jī)、無(wú)機(jī)皮膜的復(fù)合被復(fù)鋼板，其性能亦好。
2)腐蝕機(jī)理和腐蝕試驗(yàn)法
作為判定金屬材料耐蝕性的試驗(yàn)法，多年來(lái)沿用鹽水噴霧(SST)試驗(yàn)法，但由于和實(shí)際使用條件的多樣性不適應(yīng)，現(xiàn)汽車(chē)用材料已改用接近實(shí)用條件的循環(huán)腐蝕試驗(yàn)法(在設(shè)定鹽水噴霧、干燥、濕潤(rùn)條件下的循環(huán)試驗(yàn))，其它部門(mén)亦在推廣中，但真正設(shè)定實(shí)用環(huán)境甚為困難。近來(lái)通過(guò)解決各種腐蝕試驗(yàn)中腐蝕速度和腐蝕環(huán)境變化可按真相測(cè)出的技術(shù)，使各種循環(huán)條件下的腐蝕機(jī)理得以明確。由此，使現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)可得到大致相同的機(jī)理。3)耐蝕性評(píng)價(jià)和腐蝕試驗(yàn)法
對(duì)表面處理鋼板耐蝕性的評(píng)價(jià)，目前最可靠的為現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)和試驗(yàn)室循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果�，F(xiàn)利用交流阻抗法對(duì)暴露試驗(yàn)或試驗(yàn)室試驗(yàn)中腐蝕速度的模擬，使對(duì)腐蝕速度的追蹤可實(shí)現(xiàn)，故和腐蝕試驗(yàn)并用成為可靠的耐蝕性評(píng)價(jià)法。還有為把握腐蝕環(huán)境的變化，通過(guò)大氣腐蝕監(jiān)視測(cè)頭可對(duì)降雨、溫度、濕度，特別是飛來(lái)的海鹽量進(jìn)行檢測(cè)，使試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)耐蝕性的評(píng)價(jià)更為接近實(shí)際。
表面處理鋼板用量快速增長(zhǎng)，即為了提高汽車(chē)的使用壽命而逐步代替了車(chē)體用熱、冷軋鋼板，現(xiàn)用量已達(dá)國(guó)內(nèi)需求量的42%，和10年前的40%相當(dāng)，但其中熱鍍鋅板的比例卻由10年前的60%上升到83%，主要是代替了部分車(chē)體防銹用的電鍍鋅板之故。按單車(chē)用量計(jì)算仍有所增加。主要用途分為車(chē)體防銹用鍍鋅鋼板、燃料罐用鋼板及排氣系用鋼板等。近年汽車(chē)為適應(yīng)節(jié)油和減排CO2的要求而實(shí)施車(chē)體輕量化的同時(shí)，為提高防沖撞安全性，正在進(jìn)行用材的高強(qiáng)度化和相應(yīng)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
