鋅鋁鎂鍍層鋼板抗沖壓開裂性能分析

摘要：以鍍層厚度均為0.7 mm的DC56D+ZM鋼板和DC56D+Z鋼板為研究對象，利用板材成形拉延筋摩擦試驗機、板材綜合成形試驗機、掃描電鏡和MTS納米壓痕試驗機，試驗驗證鋅鋁鎂鍍層鋼板解決沖壓開裂的可行性和機理。結果表明：鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數較純鋅鍍層低25%，鋅鋁鎂鍍層鋼板成形極限性能優于純鋅鍍層鋼板；鋅鋁鎂鍍層細小的晶粒尺寸和較高的硬度使鍍層具有更低、更穩定的表面摩擦因數，可顯著提高鋼板的成形性能，能夠有效改善汽車零件的沖壓開裂問題。

關鍵詞：鋅鋁鎂鍍層 表面摩擦因數 門內板 沖壓開裂

中圖分類號：TG113.25" " 文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240058

Analysis of Anti Stamping Cracking Performance of Zn-Al-Mg Coated Steel Plate

Abstract： In this research， DC56D+ZM steel plate and DC56D+Z steel plate with coating thickness of 0.7 mm are taken as the research objects. The feasibility and mechanism of Zn-Al-Mg coated steel plate to solve stamping cracking are verified by using friction testing machine for sheet metal forming and stretching ribs， sheet comprehensive forming testing machine， scanning electron microscope， and MTS nanoindentation testing machine. The results show that the surface friction coefficient of the Zn-Al-Mg coating is 25% lower than that of the pure zinc coating. The forming limit performance of Zn-Al-Mg coated steel plates is better than that of pure zinc coated steel plates. Due to the finer grain size and higher hardness of the Zn-Al-Mg coating， the coating has a lower and more stable surface friction coefficient， which can significantly improve the forming performance of the steel plate and effectively improve the stamping cracking problem of automobile parts.

Key words：Zn-Al-Mg coating， Surface friction coefficient， Door inner panel， Stamping cracking

1 前言

熱鍍鋅鋼板以鋅為鍍層，因其鍍層均勻、附著力強和耐蝕性好等特點廣泛應用于汽車、建筑和家電等行業[1-4]。隨著熱浸鍍技術的發展，對鋼板的各項性能要求逐步提高，大大推動了新型鍍層鋼板的出現[5]。鋅鋁鎂鍍層鋼板的耐蝕性是純鋅鍍層鋼板的三倍乃至十幾倍[6]，基于此，汽車用鋅鋁鎂鍍層產品在厚度薄于純鋅鍍層的基礎上仍可獲得優異的抗腐蝕性能，降低了鋅的損耗和成本。同時，鎂元素的添加使鋅鋁鎂鍍層具有更高的硬度、更好的耐磨性和更低、更穩定的摩擦因數[7-10]。鋅鋁鎂鍍層鋼板的上述特點使其在汽車車身零件沖壓成形方面較傳統純鋅鍍層鋼板更具優勢，能夠從材料角度降低沖壓開裂的發生幾率。較低的摩擦因數有利于模具內的金屬流動，較高的鍍層硬度降低了汽車車身零件沖壓過程中的鍍層磨損，避免鋅粉堆積導致零件開裂。

沖壓開裂問題受鋼板、模具以及鋼板加工過程和潤滑條件等因素共同影響。基于鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數特性差異，探索鋅鋁鎂鍍層對汽車車身零件沖壓開裂問題的改善效果，以期為鋅鋁鎂鍍層鋼板在車身零件上的應用提供參考。

2 試驗材料

試驗選材為某熱鍍鋅產線生產的厚度為0.7 mm的純鋅鍍層鋼板DC56D+Z和鋅鋁鎂鍍層鋼板DC56D+ZM，鋼板合金成分和力學性能如表1和表2所示。

2種鍍層鋼板基板DC56D的成分相同，退火工藝如表3所示。軋硬板退火熱浸鍍后，2種鋼板的力學性能相近。

使用板材成形拉延筋摩擦試驗機FCTI-20 kN，依據YB/T 4286—2012《金屬材料薄板和薄帶摩擦系數試驗方法》中的平板摩擦法制定試驗，設定夾持力為4 000 N，拉延距離為100 mm，拉延速度為150 mm/min。對上述純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板同一位置分別進行多次摩擦，對比2種鋼板初始摩擦因數和多次摩擦后摩擦因數的變化，結果如圖1所示。鋅鋁鎂鍍層初始表面摩擦因數相比于純鋅鍍層低25%，經多次摩擦后，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數降低近10%，純鋅鍍層表面摩擦因數增長近34%。

使用Zwick BUP1000板材綜合成形試驗機，在2種鍍層鋼板表面不涂潤滑油的情況下，測試鋼板的成形極限，結果如圖2所示。可以看出，相同試驗條件下，鋅鋁鎂鍍層鋼板承受更大的應變才出現開裂，具有更優良的成形性。

綜上所述，鋅鋁鎂鍍層鋼板相較于純鋅鍍層鋼板具有更低、更穩定的表面摩擦因數，使鋅鋁鎂鍍層鋼板在變形過程中具有更好的成形性能。

為驗證鋅鋁鎂鍍層鋼板成形性能，選取某車型油底殼零件進行0.7 mm厚度純鋅鍍層DC56D+Z鋼板和鋅鋁鎂鍍層DC56D+ZM鋼板的沖壓對比試驗。沖壓設備為800 t液壓拉伸試驗機，沖壓參數均設定為主缸壓力16 MPa、壓邊力9 MPa，2種鍍層鋼板表面均不涂潤滑油，沖壓結果如圖3所示。純鋅鍍層鋼板沖壓的油底殼在深拉延位置出現開裂，鋅鋁鎂鍍層鋼板沖壓油底殼成形良好，無開裂問題。

綜上，鋅鋁鎂鍍層鋼板是一種相較于純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數更低、更穩定的新型合金鍍層鋼板。鋅鋁鎂鍍層可以提升鋼板的成形極限，在實際應用中，具有比純鋅鍍層鋼板更好的成形性能。

3 應用場景

汽車車門內板是車身深沖難度最大的零件，極易發生沖壓開裂問題。為驗證鋅鋁鎂鍍層鋼板在改善汽車車身零件沖壓開裂問題中的效果，選用某車型的后車門內板進行0.7 mm厚度純鋅鍍層DC56D+Z和鋅鋁鎂鍍層DC56D+ZM鋼板的對比沖壓試驗。在沖壓前，使用Argus網格應變儀對該零件進行網格試驗分析，網格試驗選取如圖4所示的A、B、C、D、E共5個區域作為研究對象。沖壓前先在純鋅鋼板相應部位打印好網格，待零件沖壓成形后，對網格區域進行掃描，從而得到零件各區域的成形極限圖，網格分析整體見圖4。

從網格分析結果可知，此零件A區、B區成形安全裕度lt;10%，屬于易開裂位置，如圖5、圖6所示，減薄云圖中紅色區域為易減薄開裂位置，成形極限圖從上到下的3條線分別代表0%、5%和10%安全裕度。

C區成形安全裕度≥10%，但因焊縫區受力復雜，差厚比的變化使厚板側材料流動困難，焊縫容易向薄板側偏移，薄板側材料容易發生減薄開裂，D區也存在減薄開裂風險，但成形安全裕度≥10%，較充足，如圖7～圖9所示。

零件造型不改動的條件下，解決拼焊板的焊縫開裂的關鍵是增大兩側的材料流入量，避免發生減薄開裂。

基于以上分析，使用舒樂沖壓機，分別沖壓純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板100片。設定壓機壓力為（0.61±0.02） MPa，沖次為20次/min，壓邊圈壓力為33 kN，純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層鋼板表面均涂面密度為0.6 g/m2的同種潤滑油。沖壓后，鋅鋁鎂鍍層鋼板無開裂，純鋅鍍層鋼板開裂達14件，A區域開裂7件，B區域開裂3件，C區域開裂4件。將沖壓拉延后的零件進行對比，鋅鋁鎂鍍層鋼板的邊部流入量比純鋅鍍層鋼板大5～8 mm。

綜上所述，對于純鋅鍍層鋼板沖壓存在沖壓開裂問題的汽車后門內板零件，鋅鋁鎂鍍層鋼板因其表面更低、更穩定的摩擦因數，在沖壓過程中鋼板有更好的流動性，能夠有效降低開裂發生率。

4 機理分析

使用掃描電鏡對純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層表面物相進行分析，純鋅鍍層晶粒尺寸主要分布在240～560 μm范圍內，如圖10所示。

鋅鋁鎂鍍層純鋅相晶粒尺寸≤50 μm，鋅鎂和鋅鋁鎂共晶相尺寸≤5 μm，如圖11所示。對比可知，鋅鋁鎂鍍層晶粒尺寸遠小于純鋅鍍層晶粒，鋅鋁鎂鍍層通過晶粒細化可以達到更高的強度和硬度。

為進一步確認鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層硬度的差別，使用MTS納米壓痕試驗機測試純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層的硬度，泊松比設定為0.25，其他參數采用設備默認值，檢測位置如圖12所示。純鋅鍍層硬度為1.0～1.1 GPa，鋅鋁鎂鍍層純鋅相1.35～1.45 GPa，鋅鋁鎂鍍層共晶相硬度為1.7～1.8 GPa。鋅鋁鎂鍍層因更細的晶粒、更高的鍍層硬度，在摩擦過程中表現出更低更穩定的摩擦因數。

為進一步貼近汽車零件實際沖壓條件評價鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數的差異，使用板材成形拉延筋摩擦試驗機FCTI-20 kN，依據YB/T 4286—2012《金屬材料 薄板和薄帶 摩擦系數試驗方法》中的平板摩擦法制定試驗，拉延距離100 mm，在不同夾持力、不同溫度和不同拉延速度下分別對比鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數。每組取10個檢測點的均值作為最終試驗結果，試驗結果如表4～表6所示。

當夾持力分別為3 000 N、6 000 N時，鋅鋁鎂鍍層鋼板、純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數無明顯差異，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數比純鋅鍍層低16.5%～17.5%；當夾持力為9 000 N時，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦因數均有明顯提升，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數比純鋅鍍層低8%。

鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦因數隨溫度升高，呈遞增趨勢，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數仍明顯小于純鋅鍍層8%～20%。鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦系數均隨拉延速度升高而降低，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦系數仍低于純鋅鍍層25%～28%。

拉深成形工藝中，摩擦因數對板料成形性能的影響具有雙重性。對于凸緣、凹模圓角和凸模圓角等變形區或走料區，摩擦因數小可增加板料的流動性，提高零件的成形性能。而針對傳力區，零件主要受徑向拉應力，增大凸模與板料摩擦，有利于減小徑向拉應力，降低傳力區的開裂風險。但在板料拉延過程中，凸模鍍鉻硬化后表面變得很光滑，板料摩擦因數的降低對摩擦力減小帶來的傳力區開裂的不利影響有限，但摩擦因數降低，可明顯降低壓邊圈、凹模圓角等變形區的摩擦阻力，板料流動性提高，零件開裂發生率降低。綜合看來，板料拉延過程中，壓邊圈為主要變形區。此部分的摩擦對成形性能的影響要大于傳力區，因此減小摩擦對板料拉延成形是有利的。

綜上所述，鋅鋁鎂鍍層因其更細的晶粒度和更高的硬度，具有比純鋅鍍層更低、更穩定的表面摩擦因數，這種優勢在不同夾持力、不同溫度和不同拉延速度下均穩定存在。

5 結論

a.鋅鋁鎂鍍層鋼板因其表面由硬度更高、晶粒更細小的純鋅相和共晶相組成，表面摩擦因數比傳統純鋅鍍層鋼板低25%左右。

b.鋅鋁鎂鍍層鋼板表面更低、更穩定的摩擦因數使其具有更優良的成形極限性能。對于沖壓成形安全裕度不足、容易開裂的汽車車身零件，可以起到優化沖壓開裂，提升沖壓安全裕度的效果。

c.通過使用鋅鋁鎂鍍層鋼板替換純鋅鍍層鋼板，可以大幅提升汽車車身零件沖壓成形效果，提升安全裕度，改善效果穩定可推廣。

參考文獻：

[1] 張啟富， 劉邦津， 黃健中. 現代鋼帶連續熱鍍鋅[M]. 北京： 冶金工業出版社， 2007： 23-44.

[2] 李九嶺. 熱鍍鋅實用數據手冊[M]. 北京： 冶金工業出版社， 2012： 85-88.

[3] 馮剛， 侯靜， 張琳. 鋼鐵成分及添加元素對熱鍍鋅組織和性能的影響[J]. 材料熱處理技術， 2011， 40 （4）： 118-121.

[4] 李江文， 余衛華， 李杰， 等. 重量法測定電鍍鋅板和熱鍍鋅板鍍鋅質量的比較[J]. 冶金分析， 2014， 34 （10）： 14-20.

[5] 楊洪剛， 李鋒， 呂家舜. Z1.6A1.6M合金鍍層組織結構及性能研究[J]. 鞍鋼技術， 2014（1）： 38-42.

[6] 董禮男， 岳崇祥， 張珂， 等. ICP-AES法測定熱鍍鋅?鋁?鎂合金層中Al、Mg、Fe的含量[J]. 電鍍與涂飾， 2019， 38 （21）： 1191-1194.

[7] 袁訓華， 林源， 張啟富. 熱鍍鋅鋁鎂鍍層的切邊保護性能和耐腐蝕機理[J]. 中國有色金屬學報， 2015， 25 （9）： 2453-2463.

[8] 宋裕. 熱浸鍍鋅?鋁?鎂合金鍍層鋼板的研究與應用現狀[J]. 電鍍與涂飾， 2019， 38 （9）： 442-446.

[9] 周誼軍， 代云紅， 蔣光銳. 近20年全球鋅鋁鎂鍍層鋼板技術專利分析[J]. 鋼鐵， 2016， 51 （11）： 7-13.

[10] 生海， 郝玉林， 劉興全， 等. 組織結構對鋅?鋁?鎂合金熱浸鍍層耐蝕性的影響[J]. 電鍍與涂飾， 2017， 36 （5）： 239-242.