熱浸鍍鋅鋁鎂與純鋅鍍層鋼板成形性能對比研究

單 梅，葛 浩，崔 磊 ，何丹丹

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心 安徽馬鞍山 243000)

為適應汽車高耐蝕性能的要求，中高端汽車車身一般選用鍍層鋼板，鍍鋅板具有優良的耐大氣腐蝕性能，早期的鍍層鋼板以鍍鋅板為主。為了開發出更高耐蝕性能的鍍層鋼板，在鍍鋅板的基礎上添加Al和Mg等合金鍍層元素形成鋅鋁鎂鍍層產品[1]-[2]，鋅鋁鎂鍍層有更優的耐蝕性、耐磨性和涂裝等性能，被廣泛應用。歐洲的研究人員在汽車車身上成功應用了鋅鋁鎂鍍層板并研發了多種組合成分的鋅鋁鎂鍍層產品成功應用于汽車車身[3]-[7]。前期，關于鋅鋁鎂鍍層的研究主要集中在鍍層分析、耐蝕性、焊接、膠粘和涂裝等方面[8]-[11]，而與實際沖壓成形緊密相關的表面形貌、摩擦系數等方面的研究相對較少。本文以連續熱鍍鋅生產線生產的純鋅和鋅鋁鎂鍍層鋼板為研究對象，研究了純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層的表面摩擦系數和拉延成形性能對比情況。

1 材料和方法

1.1 試驗用材料

試驗用鋼基板為厚度0.65毫米的H180YD，試驗材料為連續熱鍍鋅產線生產的純鋅鍍層鋼板(Z)和鋅鋁鎂鍍層鋼板(ZAM)。

1.2 試驗方法

模擬拉延試驗：將試樣加工成長400 mm，寬40 mm的長條狀，在型號為AG-X的DRAWBEAD模擬試驗機上進行模擬拉延，模擬拉伸控制變量為側壓力，其余參數相同，側壓力采取4 MPa、5 MPa、7 MPa和9 MPa，試驗模具采用自制拉延筋方5#模具，拉延速度1000 mm/min，拉延距離150 mm，同時收集脫落的金屬粉末，試驗編號與參數如表1所示。每個側壓力采取一根試樣多次拉延模式，一次拉延后回到開始位置繼續下一次拉延，直至達到試驗鋼拉延極限。

表1 試驗鋼模擬拉延參數和試樣編號

摩擦系數測量：將試樣加工成200*200 mm，在用酒精徹底去除試樣表面油污等雜質。使用型號為9505DF1的滑度儀，試驗法向載荷統一為2kg，試驗拉速為508 mm/min。

粗糙度測量：使用型號為HO mmEL T8000R的波紋度儀，正反面各取3個點進行粗糙度測量。

掃描電鏡觀察：對模擬拉延后極限的試驗鋼取樣，利用SEM對試樣進行表面形貌分析。

2 結果與討論

2.1 純鋅與鋅鋁鎂鍍層表面摩擦系數和表面粗糙度對比

表2為純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層試驗鋼的表面摩擦系數對比情況，表3數據表明鍍層相同時延軋向和垂直軋向表面摩擦系數差別不大，但鋅鋁鎂鍍層產品比純鋅鍍層產品表面摩擦系數偏小約8%。表面摩擦系數越低，則表面潤滑性能越好，因此，鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層的表面潤滑性好。

表3為純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層試驗鋼的表面粗糙度對比情況，表4數據表明純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層表面粗糙度相當。

表2 試驗鋼表面摩擦系數測量值/(μ)

表3 試驗鋼表面粗糙度測量值

2.2 純鋅與鋅鋁鎂鍍層拉延對比

圖1為試驗鋼在不同側壓力下的拉延行程載荷曲線。從圖中數據可看出，隨著側壓力的增加鋅鋁鎂鍍層(ZAM)和純鋅鍍層(Z)試驗鋼的拉延極限次數均降低。當側壓力為4MPa時如圖1(a)和(b)，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼均為連續拉延12次達到極限次數。鋅鋁鎂鍍層的拉延行程載荷曲線更平滑，在第11次拉延出現波動，但是純鋅鍍層在第9次拉延就出現波動。當側壓力為5MPa時如圖1(c)和(d)，鋅鋁鎂鍍層試驗鋼在連續拉延7次達到極限，7次拉延的行程載荷曲線均平穩，未出現隨行程增加載荷增加的現象。而純鋅鍍層試驗鋼在連續拉延7次后，第7次的行程載荷曲線，隨著拉延行程的增加，載荷逐漸上升。當側壓力為7MPa時如圖1(e)和(f)，鋅鋁鎂鍍層試驗鋼在連續拉延6次達到拉延極限次數，前5次拉延的行程載荷曲線均平穩，第6次拉延的行程載荷曲線出現波動，而純鋅鍍層試驗鋼在連續拉延5次時達到拉延極限次數，且第4次拉延載荷曲線出現波動，第5次拉延曲線波動很大，隨著行程的增加，載荷逐漸上升且上升幅度加大。當側壓力為9MPa時如圖1(g)和(h)，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼均為連續拉延4次即達到極限次數。鋅鋁鎂鍍層試驗鋼在連續拉延4次拉延的行程載荷曲線均平穩，而純鋅鍍層試驗鋼在連續拉延3次開始，隨著行程的增加，載荷逐漸上升。

圖2為鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼在不同側壓力下多次拉延后金屬粉末脫落情況。從圖可觀察到，在側壓力相同時，連續拉延次數相同的情況下，鋅鋁鎂鍍層試驗鋼比純鋅鍍層試驗鋼金屬粉末脫落量少，如當側壓力為4MPa時，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼的拉延極限次數均為12次，鋅鋁鎂鍍層試驗鋼的金屬粉末脫落量明顯比純鋅鍍層試驗鋼的金屬粉末脫落量少。

圖3為鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼在7MPa側壓力下多次拉延后宏觀和表面形貌SEM圖片對比，圖4為鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼不同側壓力下多次拉延后表面掃描微觀形貌對比。從圖可觀察到，兩種鍍層試驗鋼在多次拉延試驗后，表面均存在拉延痕跡，微觀上均存在鍍層被破壞。在側壓力相同時，鋅鋁鎂鍍層試驗鋼比純鋅鍍層試驗鋼表面拉痕少，鍍層表面被破壞程度低。

圖1 不同鍍層試驗鋼不同側壓力下多次拉延行程載荷曲線

圖2 試驗鋼不同側壓力下多次拉延金屬粉末脫落情況

圖3 不同鍍層試驗鋼7MPa側壓力下多次拉延后表面形貌對比

圖4 不同鍍層試驗鋼不同側壓力下多次拉延后表面掃描微觀形貌對比

3 結論

鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼表面粗糙度相當，鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層試驗鋼表面摩擦系數偏小約8%。表面摩擦系數越低，則表面潤滑性能越好，因此，鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層的表面潤滑性好。

隨著側壓力的增加鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層試驗鋼拉延極限次數降低。當側壓力相同拉延次數相同時，鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層的拉延穩定性好，拉延后試驗鋼表面金屬粉末脫落量少，且鍍層表面被破壞程度小。因此，鋅鋁鎂鍍層比純鋅鍍層試驗鋼的成形性能更優。