表面處理鋼板的開發(fā)和發(fā)展趨勢(shì)
(1)表面處理鋼板應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(chǎn)量是1500萬(wàn)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(yīng)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(zhǎng)期暴露腐蝕的結(jié)果表明，鍍Zn鋼板由于Zn的消耗而產(chǎn)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(hù)功能。55%Al-Zn鍍層的金屬組織是在一次結(jié)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(xiàn)出替代腐蝕保護(hù)作用；在暴露腐蝕后期，富Al相起到耐蝕作用。這種防腐蝕機(jī)制也體現(xiàn)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(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)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(nèi)部進(jìn)行，當(dāng)腐蝕進(jìn)行到一定距離時(shí)，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(jìn)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(zhǎng)了紅銹產(chǎn)生的時(shí)間，Mg提高耐蝕性的效果在大氣暴露試樣中也得到證實(shí)。在濱海地區(qū)該鍍層系列鋼板暴露實(shí)驗(yàn)生成的腐蝕產(chǎn)物中，都沒有發(fā)現(xiàn)ZnO。暴露腐蝕生成并積累的腐蝕產(chǎn)物大大抑制了陰極反應(yīng)。而鍍Zn鋼板腐蝕產(chǎn)物中的ZnO具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，不能抑制氧化還原的陰極反應(yīng)。在3%Mg鍍層鋼板腐蝕產(chǎn)物中沒有檢測(cè)出ZnO，這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
從上世紀(jì)80年代開始，在鉻酸鹽皮膜上涂敷約1靘有機(jī)膜的耐指紋鋼板和潤(rùn)滑鋼板、涂敷約20靘有機(jī)膜的鋼板，省去涂敷工序的預(yù)涂層鋼板實(shí)現(xiàn)了商品化，并得到廣泛應(yīng)用。之后，在電氣電子設(shè)備中禁止使用P、Cr6+和Cd6+的RoHS（對(duì)某些有害物質(zhì)限制使用的規(guī)定）法令于2006年開始生效，推進(jìn)了無(wú)Cr化處理工藝的進(jìn)程。預(yù)涂層鋼板的性能特點(diǎn)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(lái)決定。
(2)無(wú)Cr化處理工藝
近年來(lái)，保護(hù)地球環(huán)境、防止污染、構(gòu)筑循環(huán)型社會(huì)的理念越來(lái)越強(qiáng)化，對(duì)材料提出降低環(huán)境負(fù)荷的要求也越來(lái)越高。在歐洲，針對(duì)電氣電子設(shè)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(jī)物的最大允許值規(guī)定為1000ppm，凡是超過(guò)該值的產(chǎn)品禁止在歐盟區(qū)域銷售。關(guān)于汽車報(bào)廢的ELV法令，則禁止使用P、Hg、Cr6+和Cd6+。
日本根據(jù)鉻酸鹽處理工藝會(huì)產(chǎn)生有害的Cr6+情況，從上世紀(jì)70年代起開始探索替代鉻酸鹽處理的技術(shù)，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(duì)應(yīng)措施的研究，在法令生效之日，日本的無(wú)Cr化處理技術(shù)已經(jīng)完全開發(fā)成功。
無(wú)Cr化處理工藝應(yīng)仍能保持鉻酸鹽處理皮膜所具有的阻隔功能和自修復(fù)功能。無(wú)Cr化處理的機(jī)理是用不到幾微米的有機(jī)樹脂膜來(lái)保證阻隔功能，用阻化劑來(lái)保證耐蝕性，添加硅烷類耦合劑改善有機(jī)樹脂膜與金屬氧化層和涂層的密著性。高功能無(wú)Cr有機(jī)復(fù)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(shí)現(xiàn)了無(wú)Cr化。今后應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)出自修復(fù)性和耐蝕性更好的皮膜?；哪咎岢龅挠霉柰轭惢衔飳?duì)烷烴硫醇自己組織化單分子膜進(jìn)行化學(xué)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(guān)注的方法。
(3)表面處理鋼板與汽車
從上世紀(jì)70年代開始，就將汽車用表面處理鋼板的目標(biāo)定為車身防蝕。此后隨著目標(biāo)值的逐級(jí)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(jī)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(dá)到ELV法令要求的減少環(huán)境負(fù)荷、提高安全性的要求，以車身輕量化、無(wú)Cr化處理、提高沖撞安全性為目標(biāo)，進(jìn)行汽車表面處理鋼板的開發(fā)工作。
從上世紀(jì)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(shí)的抗電弧坑特性而得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)，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(jī)皮膜的有機(jī)復(fù)合涂層鋼板也被采用。由于鉻酸鹽皮膜的鈍化作用和有機(jī)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(jī)皮膜的復(fù)合涂層鋼板具有極好的耐蝕性。但是80年代，美國(guó)汽車業(yè)公布了汽車的耐蝕標(biāo)準(zhǔn)（10年無(wú)孔蝕、5年外表無(wú)銹、2年發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)無(wú)銹）；隨后歐洲提出了保證汽車12年防銹的標(biāo)準(zhǔn)。為適應(yīng)這些標(biāo)準(zhǔn)，日本轉(zhuǎn)向采用合金化熱鍍Zn鋼板，并通過(guò)增加鍍層厚度來(lái)確保良好的耐蝕性。增加鍍層厚度是提高耐蝕性的簡(jiǎn)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(qiáng)度表面處理鋼板
一般來(lái)說(shuō)，鋼的屈服強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)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(dǎo)塑性鋼），比傳統(tǒng)高強(qiáng)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(shí)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(duì)高強(qiáng)度鋼進(jìn)行熱鍍Zn或合金化熱鍍Zn時(shí)，由于鋼中的Mn、Si等強(qiáng)化元素和氧的親和力較大，在鍍Zn前的連續(xù)退火過(guò)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(rùn)性，是鍍Zn鋼板產(chǎn)生“露鋼”缺陷的一個(gè)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(duì)基板的替代腐蝕保護(hù)功能，用Zn和Zn合金進(jìn)行表面處理的鋼板得到廣泛的應(yīng)用?？梢哉J(rèn)為很難用簡(jiǎn)單方法來(lái)取代Zn的這些優(yōu)良特性。但是，在Zn的替代腐蝕保護(hù)功能方面，由于對(duì)Zn陽(yáng)極反應(yīng)的非極化特性（陽(yáng)極過(guò)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(yīng)過(guò)程中氫會(huì)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(jìn)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(gè)通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)暮辖鸾M合減小氫脆的表面處理方法。
總之，由于Zn的物理、力學(xué)以及化學(xué)特性，很難改變Zn在鋼板表面處理中的優(yōu)勢(shì)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(guò)鋼的熱處理、加工、化成處理、涂裝等工藝的適當(dāng)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。