鋅鋁鎂沖壓后表面黑點缺陷原因分析

魏煥君 張春花 田秀剛 梅淑文 郭健

摘 要：針對唐鋼鍍鋅鋁鎂板在沖壓過程中出現的表面黑點現象，使用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）及能譜儀等檢測儀器進行檢測，分析其沖壓后表面出現黑點的原因，結果表明，在鋅鋁鎂鍍層鋼板沖壓過程中，鍍層開裂，潤滑油夾雜著異物顆粒在寬裂紋處聚集，表現為黑點缺陷。

關鍵詞：鍍鋅鋁鎂板；沖壓件；裂紋；黑點

CAUSE ANALYSIS OF ZAM SURFACE BLACK SPOT DEFECT AFTER STAMPING

Wei Huanjun? ? Zhang Chunhua? ? Tian Xiugang? ? Mei Shuwen? ? Guojian

（Tangshan Iron and Steel Group Co.，Ltd.? ? Tangshan? ? 063000，China）

Abstract：In response to the phenomenon of black spots on the surface of hot-dip galvanized aluminum magnesium plates of Tangshan Iron and Steel during the stamping process， detection instruments such as optical microscopy （OM）， scanning electron microscopy （SEM）， and energy dispersive spectroscopy were used to analyze the reasons for the appearance of black spots on the surface after stamping. The results showed that during the stamping process of hot-dip galvanized aluminum magnesium coated steel plates， the coating cracked， and lubricating oil mixed with foreign particles gathered at the wide cracks， resulting in black spot defects.

Key words： galvanized aluminum magnesium sheet; stamping parts; crack; black spot

0? ? 前? ? 言

鋅鋁鎂鍍層耐腐蝕性能優異，且有切口自愈性，其耐腐蝕效果相當于熱浸鍍鋅鋼板的15倍，相當于熱浸鍍鋅鋁合金鋼板的5倍 ～ 8倍，且耐紅銹性高，此外ZAM鍍層硬度高，其維氏硬度為140 ～ 160 HV[1]，具有卓越的耐磨損性。因此被廣泛應用于光伏支架、家用電器、高鐵、大型變電站、立體停車場、倉儲設備、汽車機電設備及其他金屬成形領域[2-3]。隨著鋅鋁鎂產品銷量的增加，前人對鋅鋁鎂耐蝕性研究比較多，對生產和沖壓過程中的質量問題研究較少，本文主要針對鋅鋁鎂板沖壓后出現的表面黑點問題進行原因分析。

1? ? 存在的問題

某廠生產的規格為2.0 mm×1 257 mm的鍍鋅鋁鎂板，牌號為DX53D+ZM，其工藝流程為：材料經統一落料后沖壓成電機殼，表面出現了黑點缺陷，見圖1，該電機殼表面存在一處密集黑點，無手感，黑點大小不一，只存在一面，另一面無問題。

2? ? 理化檢測

2.1? ? 鍍層化學成分

取鋅鋁鎂未沖壓前原板，做鍍層化學成分檢測，結果見表1，結果表面鍍層為低鋁鍍層。

2.2? ? 黑點缺陷檢測

取黑點處樣品，用超聲波清洗后放金相顯微鏡下觀察。

顯微鏡下顯示，黑點缺陷處鍍層開裂嚴重，在開裂處可見明顯異物填充開裂處縫隙（見圖2），針對異物采用ZESS場發射掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDS），進行檢測，結果見圖3。結果表明，黑點缺陷處粘附的異物為油污等污染物。

2.3? ? 鍍層金相組織分析

2.3.1? ? 鍍層形成原理

鋅鋁鎂熱浸鍍的過程是將帶鋼浸入到熔融的Zn-Al-Mg三元合金的鍍液中，使Zn-Al-Mg熔液在帶鋼表面凝固形成鍍層。成分不同，形成的鋅鋁鎂鍍層的組織不同。根據Al的質量分數（WAl）不同，鋅鋁鎂板一般分為三大類，即低鋁（1%≤WAl≤5%）、中鋁（6%≤WAl≤13%）和高鋁（47%≤WAl≤57%）鋅鋁鎂板。根據黑點缺陷板的鍍層成分檢測結果，屬于低鋁鋅鋁鎂板。

鋅鋁鎂板的連續熱浸鍍過程，實質是鋼基表面和液態的鍍液之間發生一系列的物理化學反應和鍍液在鋼表面的凝固過程。首先帶鋼進入鍍液就發生鋼基在熔體中的浸潤，鋼基表面的Fe原子溶解，并很快與鍍液中的Zn/Al原子反應，生成Fe2Al5金屬間化合物層，未反應的Fe原子向熔池中擴散，同時熔池中的原子也向鐵基擴散。

前人研究了鋅鋁鎂金屬間化合物層厚度與溫度和時間及成分的關系，表明合金層的厚度隨溫度的升高和時間的延長變厚[4]。圖4為鋅鋁鎂三元合金相圖[5]，根據成分和相圖分析，對于低鋁鋅鋁鎂，隨著溫度的降低，先析出粗大的富鋅相，溫度繼續降低，隨著液相成分的變化，達到Zn/MgZn2共晶反應點，生成相對粗大的二元共晶組織，繼續凝固，由于鋁被排到液相中，使成分點達到三元共晶點，最終形成三元共晶組織。因此Zn-1.03Al-1.47Mg鍍層相結構為初生鋅相、粗大的Zn/MgZn2二元共晶組織，Zn和MgZn2呈片層狀分布（見圖5b），其中亮白色為Zn相，灰色為MgZn2相，繼續凝固，形成Zn/MgZn2/Al三元共晶組織。共晶相中Zn的存在形式有兩種，一種是呈條帶狀與條帶狀的MgZn2交替分布，另一種在MgZn2交界處以點狀存在，Al為黑色的環裝，核心為點狀的Zn（見圖5b）。

2.3.2? ? 鍍層金相組織分析

用線切割切取包含黑點缺陷的金相樣品，鍍層橫截面經熱鑲嵌后進行粗磨、細磨、拋光處理，在ZESS金相顯微鏡下觀察，結果表明，在黑點缺陷處鍍層開裂，裂紋深度直達鋼基（見圖6），正常處鍍層表面存在微裂紋（見圖7）。

采用線切割切取金相樣品，拋光后觀察鍍層表面組織，結果顯示，Zn-1.03%Al-1.47%Mg鍍層組織主要有初生Zn相，Zn/MgZn2二元共晶相，Zn/MgZn2/Al三元共晶相。在黑點缺陷處鍍層存在明顯的寬裂紋，MgZn2這種化合物是硬而脆的相，正因為硬度高，所以加工時鍍層抗劃傷性能比較好，但是脆性大，在加工時鍍層就容易開裂，見圖9，裂紋萌生于共晶相和富鋅相之間。

將沖壓后黑點缺陷位置用線切割切取10 mm ×10 mm樣品，采用創新的檢測方法，可以清晰顯示裂紋開裂的相，在粗大的MgZn2處形成寬裂紋，裂紋深度直達鋼基表面，在沖壓過程中潤滑油及污染物會進入裂紋，形成宏觀的黑點缺陷。

3? ? 結? ? 論

1）低鋁鋅鋁鎂鍍層相結構為初生鋅相、Zn/MgZn2共晶組織、Zn/MgZn2/Al三元共晶組織。

2）當板材沖壓后，鍍層各相的變形能力不同，富鋅相的變形能力強，MgZn2這種化合物是硬而脆的相，正因為硬度高，所以加工時鍍層抗劃傷性能比較好，但是脆性大，在加工時鍍層就容易開裂，裂紋萌生于共晶相和富鋅相之間。

3）當鍍層在沖壓時存在直達鋼基表面的寬裂紋，沖壓過程中的潤滑油及污染物就會粘附在鍍層表面，形成黑點缺陷。

參考文獻

[1]? ? 董世文，駱永偉，王向飛，等.鋅鋁鎂鍍層板的形貌分析[J].材料保護，2020，53（12）：146-151

[2]? ? 謝英秀，金鑫焱，王利.熱浸鍍鋅鋁鎂鍍層開發及應用進展[J].鋼鐵研究學報，2017，29（3）：167-174

[3]? ? 李鋒，呂家舜，楊洪剛，等.鋅鋁鎂鍍層鋼板的研究進展[J].軋鋼，2013，30（4）：45-51

[4]? ? Giorgi M.L.Guillot Theoretical Model of the Interfacial Reactions between Solid Iron and Liquid Zinc-Aluminium Alloy[J].Materials Science，2005，40（9-10）：2263-2268

[5]? ? 王定宇.上海金屬[M].上海：上海市金屬學會出版社，1991.