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表面处理钢板的开发状况和发展方向

(1)表面处理钢板应用领域的扩展和性能

表面处理钢板大部分是镀Zn钢板。2008年，日本镀Zn钢板产量是1500万t，其中77%是热镀Zn钢板。镀Zn钢板用于（yú）汽车（chē）、建筑、电器和其他方面，其（qí）中有一半用（yòng）于汽车。

从80年代起55%Al-Zn热镀钢板在日本得到广泛应用。在海盐影响很大的（de）海岸地带，镀Al钢板发生孔蚀，耐蚀性下降。长期暴露腐蚀的结果表明（míng），镀Zn钢板由于Zn的（de）消耗（hào）而产生红绣，而5%Al和55%Al-Zn镀层钢板保持了耐蚀性和替代腐蚀保（bǎo）护功能。55%Al-Zn镀层的金属组织是在一次结晶（jīng）的富（fù）Al相晶粒（lì）之间存在着含b-Zn的富Zn相。Townsend指出，在暴露腐蚀初期，富Zn相首先溶解表现（xiàn）出替代腐（fǔ）蚀保护作用；在暴露腐蚀后期，富Al相起到耐蚀作用。这种防腐蚀机（jī）制也体现在（zài）镀Zn钢板和55%Al-Zn镀层钢板的端面腐蚀中。研究资料指（zhǐ）出，在长期暴露实（shí）验中，在暴露初期55%Al-Zn镀层钢板由试样端面开（kāi）始发生的镀层膨胀（线状腐蚀）的腐蚀速度较大，在暴露后期，镀Zn钢板的镀层膨胀腐蚀速度较大。在暴露初期55%Al-Zn镀（dù）层钢板的富Zn相在涂层（céng）和镀层的界面上溶解，所以，腐蚀从试样端面（miàn）迅速向内部进（jìn）行，当腐蚀进（jìn）行到一定距离时，与阴极距离增大，腐蚀速度就减小了。镀（dù）Zn钢板在腐蚀发（fā）生后由于没有富Al相，所以阴极面积增加，腐（fǔ）蚀一（yī）直进行下去。

为（wéi）提高5%Al-Zn镀层钢板的耐蚀性，开发出添加3%Mg的6%～11%Al-3%Mg-Zn合金镀层系列钢板。在6%Al-Zn中添（tiān）加Mg延长了红锈产（chǎn）生的时间，Mg提（tí）高耐蚀性的（de）效果在大气暴露试样中也得到证实。在滨海地区该镀层系列钢板暴露实验生（shēng）成的腐（fǔ）蚀产物中，都没有发（fā）现ZnO。暴露（lù）腐蚀生成并积累的腐蚀产物大大抑制了阴极反应。而镀（dù）Zn钢板腐蚀（shí）产物中的（de）ZnO具有半导体的性质，不能抑制氧化还原的阴极反应。在3%Mg镀层（céng）钢板腐蚀产（chǎn）物中没有检测（cè）出ZnO，这与上述实验结果一致。

从上世纪80年代开始，在铬酸盐皮膜上涂敷约1靘有机膜的耐指纹钢板和润滑（huá）钢（gāng）板、涂敷约20靘有机膜的钢板，省去涂敷工序的预涂层钢（gāng）板实现了商品化，并得到广泛应用。之后，在电气电子设备中禁止使用P、Cr6+和Cd6+的RoHS（对某（mǒu）些有害物质限制使用的规定）法令于2006年（nián）开始生（shēng）效（xiào），推进了无Cr化处理工艺的进程。预（yù）涂层钢（gāng）板的性能特点（diǎn）是耐蚀性、高加工性、抗表面瑕疵性、抗（kàng）污染性、抗菌性、吸热性、散热性（xìng）等等，这些特（tè）性主要是由涂敷（fū）皮膜的特性来决定。

(2)无（wú）Cr化处理工艺

近年来，保护地球环境、防止污染（rǎn）、构筑循环型社会的理念越来越强化，对材料提出降低环境负（fù）荷的要求也越来越高。在欧洲，针对（duì）电气电子设备的RoHS法令以欧盟法律的形式将（jiāng）P、Hg、Cr6+和Cd6+以及（jí）两种有（yǒu）机物的最大允许（xǔ）值规定为1000ppm，凡是超过该值的（de）产品禁止在欧盟区域销售。关于汽（qì）车报废的ELV法令，则禁止使用P、Hg、Cr6+和Cd6+。

日本根据铬酸盐处理工艺会产生有害的Cr6+情（qíng）况，从上世纪70年代起开始探索替代铬（gè）酸盐处理的技术，由于没有找到有效的方法，铬酸盐处理工艺仍在继续使用。但是，在上述法令公布之后加快了对应措施的研究，在法令生效之日，日本的无Cr化处理技术已经完全（quán）开发成功。

无Cr化处（chù）理工艺应仍能保持铬（gè）酸盐处理皮膜所具有的阻（zǔ）隔功能和自修复（fù）功能。无Cr化处理的机理是用不到几微米的（de）有机树脂（zhī）膜来保证阻隔（gé）功能，用阻化剂来保证耐蚀性，添加硅烷类耦（ǒu）合剂改善有机树脂膜与金属氧化层和涂层的密着性。高功能（néng）无Cr有机复合涂层钢板的耐蚀性基本上（shàng）可与铬（gè）酸盐处理钢板相媲美（měi）。

目前，日本钢铁厂的化成处理基本上实现了无Cr化。今后应（yīng）进一步开发出自修复性和耐蚀性（xìng）更好的皮膜。荒木提出的用硅烷类（lèi）化合物对烷烃硫醇自己组织化单分子膜进行化学改（gǎi）性，形成二元聚合体的方法，可以用几纳米厚的薄膜获得高耐蚀性，是值得关注的方法。

(3)表面处理钢板与汽车

从上世纪70年代开始，就将汽车用表面处理钢板的目标定为车身防蚀。此后随着（zhe）目标值的逐级提高，开发出电镀Zn钢板、Zn合金镀层钢板、合金（jīn）化热镀Zn钢板、有机薄膜涂敷镀（dù）Zn钢板等等，用于（yú）汽（qì）车表面处理钢板的比例不断增（zēng）加。最近，为降低燃料消耗、CO2减排和达（dá）到ELV法令要（yào）求的减少环境负荷、提高安全（quán）性（xìng）的要求，以车（chē）身轻量化（huà）、无Cr化处理、提高（gāo）冲撞安全性为目标，进行汽车表面处理钢板的开发工作。

从上世纪70年代到80年代，在（zài）电镀Zn钢板方面，电镀Fe-Zn合金钢板和两（liǎng）层电镀钢板因良好（hǎo）的耐蚀性（xìng）以及电（diàn）镀时的抗电弧（hú）坑特性而得到广泛应用，同时，电镀Ni-Zn钢板、镀Ni-Zn层上涂敷铬酸盐皮膜和约（yuē）1靘含SiO2有机皮膜的有机复（fù）合涂层钢板也被（bèi）采（cǎi）用（yòng）。由于铬酸盐皮膜的钝化作用和有机皮膜的阻隔功能以及SiO2的防锈作用，使涂敷（fū）铬酸盐皮膜－含SiO2有机皮膜的复合涂层钢板具有极好的耐蚀性。但是80年代，美国汽车业公布了汽车（chē）的耐蚀标准（10年无（wú）孔蚀、5年外（wài）表无锈、2年（nián）发动机仓无（wú）锈）；随后欧洲提出了保证汽车12年防锈的标准。为适应这（zhè）些（xiē）标准，日本转向采用合金化热镀Zn钢板，并通过（guò）增加镀层厚度来确保良好的耐蚀性。增加镀层厚度是提高耐蚀性（xìng）的简单而有效的方法。目（mù）前合金（jīn）化热镀Zn钢板已成为日（rì）本表面处理钢板的主流，欧洲则主要采用电（diàn）镀Zn和非合（hé）金化热镀Zn钢板，镀层厚度大于日本的合金化（huà）热镀Zn钢（gāng）板。

(4)汽车用高强度表面处理钢板

一般来说，钢（gāng）的屈服强度增加，伸长率降低（dī）。但铁素体和马氏体双相（xiàng）钢（DP钢）和由于残余奥氏体加工诱发马氏体相变发生硬化而使变形量增加的TRIP钢（相变诱导塑性钢（gāng）），比传统高强（qiáng）度钢具（jù）有更大（dà）的（de）延性。此（cǐ）外（wài），还（hái）开发出（chū）在200℃左右涂漆烘烤加热时硬度增加的烘烤硬化（huà）钢（BH钢）和添加Ti、Nb的超低碳BH钢。

在对高强度钢进行热镀Zn或合金化热镀Zn时，由于（yú）钢（gāng）中的（de）Mn、Si等强化元素和氧的亲和力较大，在镀Zn前的连续（xù）退火过程中优先（xiān）被氧化，在钢板表面生成SiO2、Mn2SiO4等氧化物。这些氧化物降低了Zn液与钢的浸润性，是镀Zn钢（gāng）板产生“露钢”缺陷的一个原因。

(5)表面处理（lǐ）钢板的发展方向（xiàng）

由于Zn的良好耐蚀性以及对（duì）基板的（de）替代腐蚀保护功（gōng）能，用Zn和Zn合金（jīn）进行表面处理的（de）钢板得到广泛（fàn）的应用。可以认为很难用简单方法来取代Zn的这些优良特性。但是，在（zài）Zn的替代腐蚀保护功能方（fāng）面，由于对Zn阳极反应的非极化特性（阳极过电压很难增加（jiā）），替代腐蚀电位很低，基本上是-1.0V，所以，在替代腐蚀反应过程中（zhōng）氢会渗入钢材，使钢材发生脆化。研究表明，用Al-Mg-Si合金替代Zn进行钢板热镀，可以抑制（zhì）替代腐蚀电位的降低（dī）和氢渗（shèn）入钢中。因此（cǐ）这是一个通过选择（zé）适当的合金组合减小氢脆的表面处理方法。

总之，由于Zn的物理、力学以及化学特性，很难改变Zn在钢板表面（miàn）处（chù）理中的优势地位。因此，重要的（de）不是单纯地用其他金属或合金替代Zn，而是（shì）通过钢的热处理（lǐ）、加工（gōng）、化成处理、涂装等工艺的适当组合，开发出（chū）适用于不同用途和（hé）不同特性要求的表面处理工艺。

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