成形對熱浸鍍鋅汽車板表面結構參數的影響

何 浪，王 輝，李子濤

(馬鋼股份公司技術中心 安徽馬鞍山 243000)

1 概述

涂裝作為汽車制造的四大工藝之一，不但為了增強的車輛的耐蝕性，同時也賦予車身良好的外觀。車身外觀質量的好壞是影響消費者選擇的重要因素之一。當前，衡量車身外觀質量的主要指標有長波、短波、鮮映性等指標[1]、[2]。這些指標不但受涂料性能、涂裝工藝的影響，也會受到涂裝基材質量的影響[3]、[4]。

關于汽車板材表面結構對于涂裝外觀質量的影響，汽車行業、鋼鐵行業已形成共識：即鋼板表面波紋度主要影響全涂裝后的長波桔皮值、鮮映性。研究表明：涂層厚度、烘烤方向、鋼板表面波紋度都會顯著影響車身涂漆后質量外觀，鋼板表面波紋度增加將會導致低DOI，涂裝過程對鋼板表面輪廓的短波(粗糙度)具有良好的遮蔽性，而對長波(波紋度)的遮蔽性較差[5]、[6]。

此外，鋼板在經歷涂裝工序之前需要進行成形以獲得需要的不同零件的型面，在成形前后鋼板表面結構會發生改變。

趙艷亮等人[8]研究熱鍍鋅BH鋼板在成形前后表面結構參數的變化，結果顯示：不同表面輪廓粗糙度在車身典型變形量范圍(3%-8%)內呈“V”形變化，且8%變形表面Ra未超過原板測試值；峰值數Pc值原板較低(Pc值60左右)時變形(3%-8%)后略有增加，較高時(Pc值120左右)變形后略有下降或保持不變；波紋度在車身典型變形量范圍(3%-8%)呈現明顯增長趨勢。

本文以熱浸鍍鋅無間隙原子鋼、熱浸鍍鋅烘烤硬化鋼為研究對象，研究了不同變形量下熱浸鍍鋅板表面輪廓參數的變化規律，以期為指導鋼廠對原材料表面輪廓參數進行控制提供依據。

2 試驗材料與方法

實驗材料為熱浸鍍鋅無間隙原子鋼DC56D+ZF、熱浸鍍鋅烘烤硬化鋼HC180BD+Z。將鋼板裁剪成180 mm*180 mm大小的方形試片，并標記軋制方向。使用無水乙醇清洗鋼板表面進行粗糙度、波紋度測量及成形模擬實驗。

使用Hommel T8000R型粗糙度儀測量成形前鋼板表面粗糙度、波紋度，每個試樣測量三次取平均值，結果列于表1。

粗糙度測量方法：參照BS EN 10049:2013《金屬板材平均粗糙度和峰值計數RPc的測量》，針尖半徑2 μm/90°，截止波長2.5 mm，測量長度15 mm，評定長度12.5 mm。波紋度測量方法：按照SEP 1941-2012《冷軋金屬板材表面波紋度Wsa 1-5的測量方法》測量Wsa1-5值，針尖半徑2 μm/90°，測量長度30 mm，評定長度25 mm。粗糙度、波紋度測量均垂直于鋼板軋制方向。

使用BUP 600成形試驗機進行平底杯突成形模擬試驗，根據典型外覆蓋件外觀面的CAE及網格應變分析結果，主應變值分別設定為3%、5%、8%。隨后，使用Hommel T8000R型粗糙度儀測量成形前鋼板表面粗糙度、波紋度，每個試樣測量三次取平均值。

3 結果與討論

粗糙度Ra在不同應變下的數值變化如圖1，從整體上看，不同材料隨成形深度的Ra變化無明顯規律。例如，在8%應變條件下，四種材料的Ra均值最大增加值為0.15 μm，最大減小值為0.04 μm，這一增大或減小基本在鋼板表面粗糙度的不均勻性誤差之內。因此，Ra隨變形程度增加無明顯的趨勢，即成形對Ra值影響較小。

圖1 不同應變下的Ra值變化

粗糙度Rpc值隨應變變化如圖2。由圖可見，(1)除4號試樣以外，Rpc隨著應變的增加有明顯的降低趨勢。(2)當原材料的Rpc值在60個/cm以下時，Rpc隨應變幾乎不變。當原材料的Rpc值在90個/cm-120個/cm之間，在5%的應變下Rpc下降值為16個/cm-19個/cm；當原材料的Rpc較高時(大于150個/cm)，隨成形深度的增加Rpc值降低程度更加明顯，在5%的應變下Rpc均值下降40個/cm，在8%應變下Rpc均值下降48個/cm。

圖2 不同應變下的Rpc變化

波紋度Wsa1-5值隨應變作圖如圖3。由圖可見：四種材料的波紋度值隨應變增加均有明顯的增加。在5%應變下，1、2、3、4、5號四種材料的Wsa1-5均值增加分別為0.05 μm、0.02 μm、0.05 μm、0.04 μm、0.02 μm。

圖3 不同應變的波紋度變化

表面結構包含形狀、粗糙度、波紋度三個部分。鋼板表面結構是粗糙度、波紋度、形狀的集合，人眼看到的是這三者的綜合表現[9]。Ra表示粗糙度輪廓的算術平均偏差，Rpc代表粗糙度輪廓中每個單位長度的峰值數，其波長范圍為0.08 mm-2.5 mm；Wsa1-5表示波紋度輪廓的算術平均偏差，其波長范圍為1 mm-5 mm[10]。

鍍鋅鋼板表面結構參數源于軋輥表面結構復制過程，表面有無數微觀的凹凸不平的表面結構，這些凹凸不平的表面結構處于粗糙度的波長之內。當形變為3%-8%時這些凸起和凹陷的差值變化不大，因此導致在宏觀上Ra值變化不大。但是由于應變會帶來單位面積內凸起和凹陷的數量減小，因此造成了高Rpc值板材的下降較為明顯。而波紋度的波長為1 mm-5 mm，介于宏觀和微觀之間，其演變機制需要進一步研究。

近年來由于節能和環保的需求，汽車涂裝技術發生了巨大變革，以2C1B(免中涂工藝)為代表的新型涂裝技術正在迅速普及[11]。新型涂裝系統減少中涂工序，相比于傳統的三涂兩烘(3C2B)工藝漆膜厚度下降約20 μm-30 μm，這被認為將造成鋼板表面形貌傳遞的增加[12]。因此研究鋼板表面結構在成形之后的變化對于指導車廠、鋼廠制定鋼板表面結構參數控制策略具有重要意義。

4 結論

成形對粗糙度Ra值影響較小。

總體上Rpc隨著應變的增加而降低，且原材料的Rpc越高，隨應變增加的降低越明顯。

鋼板波紋度Wsa1-5值在0.15 μm-0.26 μm之間，隨應變增加波紋度增加。