表面处理钢板的开发和发展趋势

(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钢板用于汽车、建筑、电器和其他方面，其中有一半用于汽车。

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，镀Zn钢板由于Zn的消耗而产生红绣，而5%Al和55%Al-Zn镀层钢板保持了耐蚀性和替代腐蚀保护功能。55%Al-Zn镀层的金属组织是在一次结晶的富Al相晶粒之间存在着含b-Zn的富Zn相。Townsend指出，在暴露腐蚀初期，富Zn相首先溶解表现出替代腐蚀保护作用；在暴露腐蚀后期，富Al相起到耐蚀作用。这种防腐蚀机制也体现在镀Zn钢板和55%Al-Zn镀层钢板的端面腐蚀中。研究资料指出，在长期暴露实验中，在暴露初期55%Al-Zn镀层钢板由试样端面开始发生的镀层膨胀（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镀层钢板的富Zn相在涂层和镀层的界面上溶解，所以，腐蚀从试样端面迅速向内部进行，当腐蚀进行到一定距离时，与阴极距离增大，腐蚀速度就减小了。镀Zn钢板在腐蚀发生后由于没有富Al相，所以阴极面积增加，腐蚀一直进行下去。

为提高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中添加Mg延长了红锈产生的时间，Mg提高耐蚀性的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成的腐蚀产物中，都没有发现ZnO。暴露腐蚀生成并积累的腐蚀产物大大抑制了阴极反应。而镀Zn钢板腐蚀产物中的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镀层钢板腐蚀产物中没有检测出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钢板、涂敷约20靘有机膜的钢板，省去涂敷工序的预涂层钢板实现了商品化，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（对某些有害物质限制使用的规定）法令于2006年开始生效，推进了无Cr化处理工艺的进程。预涂层钢板的性能特点是耐蚀性、高加工性、抗表面瑕疵性、抗污染性、抗菌性、吸热性、散热性等等，这些特性主要是由涂敷皮膜的特性来决定。

(2)无Cr化处理工艺

近年来，保护地球环境、防止污染、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荷的要求也越来越高。在欧洲，针对电气电子设备的RoHS法令以欧盟法律的形式将P、Hg、Cr6+和Cd6+以及两种有机物的最大允许值规定为1000ppm，凡是超过该值的产品禁止在欧盟区域销售。关于汽车报废的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+情况，从上世纪70年代起开始探索替代铬酸盐处理的技术，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开发成功。

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

目前，日本钢铁厂的化成处理基本上实现了无Cr化。今后应进一步开发出自修复性和耐蚀性更好的皮膜。荒木提出的用硅烷类化合物对烷烃硫醇自己组织化单分子膜进行化学改性，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、合金化热镀Zn钢板、有机薄膜涂敷镀Zn钢板等等，用于汽车表面处理钢板的比例不断增加。最近，为降低燃料消耗、CO2减排和达到ELV法令要求的减少环境负荷、提高安全性的要求，以车身轻量化、无Cr化处理、提高冲撞安全性为目标，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，在电镀Zn钢板方面，电镀Fe-Zn合金钢板和两层电镀钢板因良好的耐蚀性以及电镀时的抗电弧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1靘含SiO2有机皮膜的有机复合涂层钢板也被采用。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的耐蚀标准（10年无孔蚀、5年外表无锈、2年发动机仓无锈）；随后欧洲提出了保证汽车12年防锈的标准。为适应这些标准，日本转向采用合金化热镀Zn钢板，并通过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的简单而有效的方法。目前合金化热镀Zn钢板已成为日本表面处理钢板的主流，欧洲则主要采用电镀Zn和非合金化热镀Zn钢板，镀层厚度大于日本的合金化热镀Zn钢板。

(4)汽车用高强度表面处理钢板

一般来说，钢的屈服强度增加，伸长率降低。但铁素体和马氏体双相钢（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），比传统高强度钢具有更大的延性。此外，还开发出在200℃左右涂漆烘烤加热时硬度增加的烘烤硬化钢（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，由于钢中的Mn、Si等强化元素和氧的亲和力较大，在镀Zn前的连续退火过程中优先被氧化，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钢板产生“露钢”缺陷的一个原因。

(5)表面处理钢板的发展方向

由于Zn的良好耐蚀性以及对基板的替代腐蚀保护功能，用Zn和Zn合金进行表面处理的钢板得到广泛的应用。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Zn的替代腐蚀保护功能方面，由于对Zn阳极反应的非极化特性（阳极过电压很难增加），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，可以抑制替代腐蚀电位的降低和氢渗入钢中。因此这是一个通过选择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在钢板表面处理中的优势地位。因此，重要的不是单纯地用其他金属或合金替代Zn，而是通过钢的热处理、加工、化成处理、涂装等工艺的适当组合，开发出适用于不同用途和不同特性要求的表面处理工艺。