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一、基础背景
热镀锌结构钢除碳外,还含有硅、锰、硫、磷、氧、氮、氢,以及各类特意添加的合金元素;硅、锰是冶炼脱氧必需元素,硫、磷、气态元素来自原料、冶炼残留。这些元素会改变铁锌二元反应体系,影响合金相生长速率、镀层厚度、表面质量,高含量时甚至生成双层镀层结构。
二、各元素具体影响
1.碳
(1)含量层面:碳含量升高会加剧铁锌反应,加快铁锌合金层生长,镀层整体变厚;低碳钢镀层生长受扩散控制,高碳钢材会优先促进ζ相生长、抑制δ相,碳质量分数达到0.5%时δ相几乎不再生长,镀层主要由ζ相构成。
(2)存在形态层面:影响远大于单纯碳含量:
渗碳体:稳定性高,和锌反应弱;以球状、层片状分布在珠光体中时,会增大基体表面凹凸、形成微裂纹,加快铁原子扩散,加速铁锌反应;以粗大颗粒、马氏体内弥散形态存在时,几乎不影响铁锌反应;
石墨形态碳:钢材表面石墨区域无法和锌反应,直接造成漏镀。
(3)规律总结:碳含量越高、珠光体占比越大,镀层越厚;碳化物分布均匀则镀层生长平缓。
2.硅(影响最显著,对应圣德林效应Sandelin effect)
(1)核心作用:硅大幅提升铁在锌液的溶解速率,强化铁锌反应;镀层厚度随硅含量呈特殊波动曲线:
wsi<0.03%:小幅提升反应活性,镀层结构正常;
0.06%~0.1%:铁锌反应剧烈,镀层厚度达到峰值;
wsi≈0.18%:反应被抑制,镀层变薄;
wsi>0.3%:反应速率再度上升。
(2)镀层缺陷:高硅会让ζ相快速生长、向镀层外表面延伸,镀层粗糙暗沉、附着力差;工业上会依托硅含量区间调整镀锌工艺参数;镀锌钢材有对应的硅、磷联合含量限值标准。
3.锰、硫
普通低碳钢内二者含量低,对镀层结构影响微弱;高锰钢镀锌时ζ相占比明显提升,镀层内部Γ、δ、ζ、η各类相都可生成。
4.磷
(1)单独作用:微量磷即可加速ζ相粗化生长、抑制δ相,镀层增厚;ζ相过度生长会挤压表层η纯锌层,镀层表面失去光泽、产生麻点;磷对铁锌反应的促进强度约为硅的2.5倍。
(2)硅磷协同:二者叠加会大幅加剧过厚镀层问题,行业据此制定钢材成分管控标准:wsi+2.5wp≤0.09%(或0.11%),规避不良镀层。
5.各类合金元素
锰:钢内锰质量分数>1.3%,加快镀层生长、促进ζ相形成;
钛、钒、铌:钢材内含量本身对镀锌影响很小;但锌液添加铝后,这类元素会破坏FeAl阻挡层,加速铁锌反应;
铬、镍:钢内铬>11%、镍>5%,会使镀层厚度随浸镀时间线性增长;
钼:低含量促进铁锌反应,质量分数>0.5%后转为抑制反应。
6.气体元素(氮、氧、氢)
氮:质量分数0.02%以内基本不影响铁锌反应;
氧:以氧化物夹杂形式存在时,容易生成过厚镀层;
氢:酸洗工序渗入钢材内部,镀锌受热析出产生内压,造成合金层开裂,加快铁锌腐蚀反应。
整体工艺结论
钢材选材阶段就要管控硅、磷、碳含量以及碳化物形态;针对高硅、高锰等特殊钢材,需要调整镀锌温度、浸镀时长、锌液铝含量,来抵消有害元素带来的镀层过厚、粗糙、脆性大、漏镀等缺陷。