表面處理鋼板的開發(fā)和發(fā)展趨勢

(1)表面處理鋼板應用領域的擴展和性能

表面處理鋼板大部分是鍍Zn鋼板。2008年，日本鍍Zn鋼板產量是1500萬t，其中77%是熱鍍Zn鋼板。鍍Zn鋼板用于汽車、建筑、電器和其他方面，其中有一半用于汽車。

從80年代起55%Al-Zn熱鍍鋼板在日本得到廣泛應用。在海鹽影響很大的海岸地帶，鍍Al鋼板發(fā)生孔蝕，耐蝕性下降。長期暴露腐蝕的結果表明，鍍Zn鋼板由于Zn的消耗而產生紅繡，而5%Al和55%Al-Zn鍍層鋼板保持了耐蝕性和替代腐蝕保護功能。55%Al-Zn鍍層的金屬組織是在一次結晶的富Al相晶粒之間存在著含b-Zn的富Zn相。Townsend指出，在暴露腐蝕初期，富Zn相首先溶解表現出替代腐蝕保護作用；在暴露腐蝕后期，富Al相起到耐蝕作用。這種防腐蝕機制也體現在鍍Zn鋼板和55%Al-Zn鍍層鋼板的端面腐蝕中。研究資料指出，在長期暴露實驗中，在暴露初期55%Al-Zn鍍層鋼板由試樣端面開始發(fā)生的鍍層膨脹（線狀腐蝕）的腐蝕速度較大，在暴露后期，鍍Zn鋼板的鍍層膨脹腐蝕速度較大。在暴露初期55%Al-Zn鍍層鋼板的富Zn相在涂層和鍍層的界面上溶解，所以，腐蝕從試樣端面迅速向內部進行，當腐蝕進行到一定距離時，與陰極距離增大，腐蝕速度就減小了。鍍Zn鋼板在腐蝕發(fā)生后由于沒有富Al相，所以陰極面積增加，腐蝕一直進行下去。

為提高5%Al-Zn鍍層鋼板的耐蝕性，開發(fā)出添加3%Mg的6%～11%Al-3%Mg-Zn合金鍍層系列鋼板。在6%Al-Zn中添加Mg延長了紅銹產生的時間，Mg提高耐蝕性的效果在大氣暴露試樣中也得到證實。在濱海地區(qū)該鍍層系列鋼板暴露實驗生成的腐蝕產物中，都沒有發(fā)現ZnO。暴露腐蝕生成并積累的腐蝕產物大大抑制了陰極反應。而鍍Zn鋼板腐蝕產物中的ZnO具有半導體的性質，不能抑制氧化還原的陰極反應。在3%Mg鍍層鋼板腐蝕產物中沒有檢測出ZnO，這與上述實驗結果一致。

從上世紀80年代開始，在鉻酸鹽皮膜上涂敷約1靘有機膜的耐指紋鋼板和潤滑鋼板、涂敷約20靘有機膜的鋼板，省去涂敷工序的預涂層鋼板實現了商品化，并得到廣泛應用。之后，在電氣電子設備中禁止使用P、Cr6+和Cd6+的RoHS（對某些有害物質限制使用的規(guī)定）法令于2006年開始生效，推進了無Cr化處理工藝的進程。預涂層鋼板的性能特點是耐蝕性、高加工性、抗表面瑕疵性、抗污染性、抗菌性、吸熱性、散熱性等等，這些特性主要是由涂敷皮膜的特性來決定。

(2)無Cr化處理工藝

近年來，保護地球環(huán)境、防止污染、構筑循環(huán)型社會的理念越來越強化，對材料提出降低環(huán)境負荷的要求也越來越高。在歐洲，針對電氣電子設備的RoHS法令以歐盟法律的形式將P、Hg、Cr6+和Cd6+以及兩種有機物的最大允許值規(guī)定為1000ppm，凡是超過該值的產品禁止在歐盟區(qū)域銷售。關于汽車報廢的ELV法令，則禁止使用P、Hg、Cr6+和Cd6+。

日本根據鉻酸鹽處理工藝會產生有害的Cr6+情況，從上世紀70年代起開始探索替代鉻酸鹽處理的技術，由于沒有找到有效的方法，鉻酸鹽處理工藝仍在繼續(xù)使用。但是，在上述法令公布之后加快了對應措施的研究，在法令生效之日，日本的無Cr化處理技術已經完全開發(fā)成功。

無Cr化處理工藝應仍能保持鉻酸鹽處理皮膜所具有的阻隔功能和自修復功能。無Cr化處理的機理是用不到幾微米的有機樹脂膜來保證阻隔功能，用阻化劑來保證耐蝕性，添加硅烷類耦合劑改善有機樹脂膜與金屬氧化層和涂層的密著性。高功能無Cr有機復合涂層鋼板的耐蝕性基本上可與鉻酸鹽處理鋼板相媲美。

目前，日本鋼鐵廠的化成處理基本上實現了無Cr化。今后應進一步開發(fā)出自修復性和耐蝕性更好的皮膜。荒木提出的用硅烷類化合物對烷烴硫醇自己組織化單分子膜進行化學改性，形成二元聚合體的方法，可以用幾納米厚的薄膜獲得高耐蝕性，是值得關注的方法。

(3)表面處理鋼板與汽車

從上世紀70年代開始，就將汽車用表面處理鋼板的目標定為車身防蝕。此后隨著目標值的逐級提高，開發(fā)出電鍍Zn鋼板、Zn合金鍍層鋼板、合金化熱鍍Zn鋼板、有機薄膜涂敷鍍Zn鋼板等等，用于汽車表面處理鋼板的比例不斷增加。最近，為降低燃料消耗、CO2減排和達到ELV法令要求的減少環(huán)境負荷、提高安全性的要求，以車身輕量化、無Cr化處理、提高沖撞安全性為目標，進行汽車表面處理鋼板的開發(fā)工作。

從上世紀70年代到80年代，在電鍍Zn鋼板方面，電鍍Fe-Zn合金鋼板和兩層電鍍鋼板因良好的耐蝕性以及電鍍時的抗電弧坑特性而得到廣泛應用，同時，電鍍Ni-Zn鋼板、鍍Ni-Zn層上涂敷鉻酸鹽皮膜和約1靘含SiO2有機皮膜的有機復合涂層鋼板也被采用。由于鉻酸鹽皮膜的鈍化作用和有機皮膜的阻隔功能以及SiO2的防銹作用，使涂敷鉻酸鹽皮膜－含SiO2有機皮膜的復合涂層鋼板具有極好的耐蝕性。但是80年代，美國汽車業(yè)公布了汽車的耐蝕標準（10年無孔蝕、5年外表無銹、2年發(fā)動機倉無銹）；隨后歐洲提出了保證汽車12年防銹的標準。為適應這些標準，日本轉向采用合金化熱鍍Zn鋼板，并通過增加鍍層厚度來確保良好的耐蝕性。增加鍍層厚度是提高耐蝕性的簡單而有效的方法。目前合金化熱鍍Zn鋼板已成為日本表面處理鋼板的主流，歐洲則主要采用電鍍Zn和非合金化熱鍍Zn鋼板，鍍層厚度大于日本的合金化熱鍍Zn鋼板。

(4)汽車用高強度表面處理鋼板

一般來說，鋼的屈服強度增加，伸長率降低。但鐵素體和馬氏體雙相鋼（DP鋼）和由于殘余奧氏體加工誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生硬化而使變形量增加的TRIP鋼（相變誘導塑性鋼），比傳統(tǒng)高強度鋼具有更大的延性。此外，還開發(fā)出在200℃左右涂漆烘烤加熱時硬度增加的烘烤硬化鋼（BH鋼）和添加Ti、Nb的超低碳BH鋼。

在對高強度鋼進行熱鍍Zn或合金化熱鍍Zn時，由于鋼中的Mn、Si等強化元素和氧的親和力較大，在鍍Zn前的連續(xù)退火過程中優(yōu)先被氧化，在鋼板表面生成SiO2、Mn2SiO4等氧化物。這些氧化物降低了Zn液與鋼的浸潤性，是鍍Zn鋼板產生“露鋼”缺陷的一個原因。

(5)表面處理鋼板的發(fā)展方向

由于Zn的良好耐蝕性以及對基板的替代腐蝕保護功能，用Zn和Zn合金進行表面處理的鋼板得到廣泛的應用。可以認為很難用簡單方法來取代Zn的這些優(yōu)良特性。但是，在Zn的替代腐蝕保護功能方面，由于對Zn陽極反應的非極化特性（陽極過電壓很難增加），替代腐蝕電位很低，基本上是-1.0V，所以，在替代腐蝕反應過程中氫會滲入鋼材，使鋼材發(fā)生脆化。研究表明，用Al-Mg-Si合金替代Zn進行鋼板熱鍍，可以抑制替代腐蝕電位的降低和氫滲入鋼中。因此這是一個通過選擇適當的合金組合減小氫脆的表面處理方法。

總之，由于Zn的物理、力學以及化學特性，很難改變Zn在鋼板表面處理中的優(yōu)勢地位。因此，重要的不是單純地用其他金屬或合金替代Zn，而是通過鋼的熱處理、加工、化成處理、涂裝等工藝的適當組合，開發(fā)出適用于不同用途和不同特性要求的表面處理工藝。