热浸镀锌涂层裸点缺陷形成机制的新见解：基于多尺度冶金表征与四阶段模型解析

《Surface and Coatings Technology》：New insights into the formation mechanism of a bare-spot defect in hot-dip galvanized coating

【编辑推荐】本研究通过FE-SEM、ToF-SIMS、TEM等技术揭示了热浸镀锌(HDG)硼添加烘烤硬化(BH)钢裸点缺陷的成因：钢基体表面润湿性差与锌锅鼻部区域熔融锌液面过度氧化共同作用，提出包含Mn-B氧化物岛、ZnO/Al2O3双层氧化膜、Zn-Fe金属间化合物(IMC)的四阶段形成机制，为汽车用高强钢表面质量控制提供理论依据。

　　

Highlight

裸点缺陷的形成可归因于两个关键因素：热浸镀前钢基体表面润湿性不良，以及锌锅鼻部熔融锌液面的过度氧化。

Conclusion

通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)和透射电镜(TEM)等深入表征，本研究得出以下结论：

1. 1.

   这类裸点缺陷主要源于热浸镀前钢表面润湿性差和锌锅鼻部熔锌表面过度氧化的双重作用。

2. 2.

   缺陷形成过程可分为四个阶段：

   • •

     阶段Ⅰ：退火过程中钢表面形成球状外部Mn-B氧化物岛（呈熔融态）；

   • •

     阶段Ⅱ：锌锅鼻部卷入由ZnO（外层）和Al₂O₃（内层）构成的双层氧化膜；

   • •

     阶段Ⅲ：氧化膜下方生成超薄Zn-Fe金属间化合物(IMC)层；

   • •

     阶段Ⅳ：缺陷边缘形成厚Zn-Fe爆发式结构，最终导致涂层不连续。

Discussion

图12生动展示了被氧化膜包裹的裸点缺陷四阶段形成机制：

• •

  阶段Ⅰ（图12b）：退火时Mn-B氧化物岛在钢表面"结晶"，这些氧化物因低熔点特性形成独特球状形貌。

• •

  阶段Ⅱ（图12c）：锌锅鼻部就像"调酒师"，将ZnO/Al₂O₃氧化膜"调制"成鸡尾酒般的双层结构，Al₂O₃内层（2-4nm）与ZnO外层（10-20nm）协同阻碍Fe-Al抑制层形成。

• •

  阶段Ⅲ（图12d）：氧化膜下方偷偷"孵化"出厚度不足100nm的Zn-Fe IMC层，如同三明治的夹心。

• •

  阶段Ⅳ（图12e）：缺陷边缘的Zn-Fe爆发结构像"火山喷发"，厚度达5-10μm，揭示局部剧烈合金化反应。

这种缺陷的"指纹特征"包括：

• •

  氧化膜覆盖区缺乏常规Fe₂Al₅抑制层

• •

  缺陷中心呈现"光秃"的钢基体

• •

  边界处Zn-Fe合金的"裙边效应"

Conclusion

该研究不仅为HDG硼钢裸点缺陷提供诊断标准，更指导产线通过控制鼻部气氛（降低O₂含量）和优化退火工艺（抑制Mn-B偏聚）来提升汽车板表面质量。