合金化熱鍍鋅汽車(chē)外板的開(kāi)發(fā)

陳園林，魏海麗，楊芃，阮新建，張雨泉

（武漢鋼鐵股份有限公司，武漢 430083）

1 前言

隨著世界轎車(chē)產(chǎn)業(yè)向節(jié)能、環(huán)保、安全和舒適的方向發(fā)展，車(chē)身在向輕量化方向發(fā)展的同時(shí)，對(duì)耐蝕性能的要求也越來(lái)越高。合金化熱鍍鋅鋼板（Galvannealed Steel Sheet，簡(jiǎn)稱GA鋼板）以其優(yōu)良的耐蝕性能、涂裝性能和焊接性能等優(yōu)點(diǎn)已越來(lái)越多地應(yīng)用于中高檔轎車(chē)上[1]。

在使用鋼種為JAC340H的合金化熱鍍鋅鋼板沖壓轎車(chē)門(mén)外板過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)拉毛脫鋅缺陷，影響沖壓零件質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)奏。

生產(chǎn)上述產(chǎn)品的熱鍍鋅機(jī)組采用的工藝是美鋼聯(lián)法，帶鋼熱鍍鋅后，經(jīng)感應(yīng)合金化爐加熱段和電輻射管合金化爐均熱段進(jìn)行鋅層退火，然后經(jīng)風(fēng)冷和水冷冷卻至室溫左右。本次實(shí)驗(yàn)材料是牌號(hào)為JAC340H的烘烤硬化鋼，公稱厚度為0.7 mm，鋅層厚度為45/45 g/m2的合金化熱鍍鋅鋼板，典型化學(xué)成分如表1:

表1 單位：（%）

2 拉毛脫鋅缺陷的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素

在汽車(chē)零件沖壓成型過(guò)程中，材料在模具中發(fā)生滑動(dòng)。當(dāng)鋼板和模具之間的摩擦力大于合金化鍍層與基體之間的結(jié)合力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拉毛脫鋅缺陷。為了減輕，甚至消除拉毛脫鋅缺陷，就要增加合金化鍍層與基體之間的結(jié)合力，減小鋼板和模具之間的摩擦力。

2.1 影響合金化鍍層和基體之間結(jié)合力的因素

Lin C. S.等人的研究表明[2]，與Г-鋼基體界面、Г-（Г1+δ1）界面、Г-δ1界面相比，Г1-鋼基體界面或Г1-δ1界面的剪切強(qiáng)度是最大的。合金化鍍層的最佳組織結(jié)構(gòu)應(yīng)以鐵含量較低的相為主，在δ1相-鋼基體界面上有一層薄薄的Г1相組織；相應(yīng)地，合金化鍍層中的參考平均鐵含量在 10%左右為宜。

2.2 影響鋼板和模具之間的摩擦力的因素

鋼板和模具之間的摩擦力，與鋼板和模具之間的摩擦系數(shù)成正比，與鋼板和模具之間的面壓力成正比，與鋼板和模具之間的接觸狀態(tài)有關(guān)，與鋼板在模具中的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

研究表明[3]，當(dāng)合金化鍍層表面ζ相越多時(shí)，鋼板和模具之間的摩擦系數(shù)越大。

鋼板表面的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑效果越好、油膜厚度越大，鋼板和模具之間的摩擦系數(shù)越小。

鋼板厚度的均勻性和上下模具之間的配合度決定了鋼板和模具之間的接觸狀態(tài)。

鋼板的屈服強(qiáng)度、n值、r值等力學(xué)性能、鋼板和模具之間的接觸狀態(tài)以及壓邊圈和壓邊力等模具參數(shù)，決定了鋼板在模具中的流動(dòng)狀態(tài)。

3 改善拉毛脫鋅缺陷的措施及其效果

3.1 優(yōu)化合金化鍍層相結(jié)構(gòu)

3.1.1 優(yōu)化鋅液鋁含量

浦井正章等人[4]對(duì)鋅液低鋁含量（0.12%Al）和鋅液高鋁含量（0.16%Al）的鍍鋅層在合金化處理過(guò)程中各種合金相的演變過(guò)程的研究表明，低Al含量的鍍層從ζ相開(kāi)始形成到轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相是均勻進(jìn)行的，而高Al含量的鍍層，按其部位不同，ζ相及δ1相形成的時(shí)間有所不同，且不是均勻地按順序形成；當(dāng)合金化鍍層中的Fe含量達(dá)到11%時(shí)，低Al含量鍍層中的相結(jié)構(gòu)以細(xì)小的δ1相為主，且分布均勻；而高Al含量的鍍層是以柱狀δ1+塊狀ζ的混合相為主，且分布不均勻。

鋅液鋁含量太低，會(huì)產(chǎn)生大量的鋅鍋底渣，底渣太多會(huì)在鋼板上產(chǎn)生鋅渣、壓印等表面質(zhì)量缺陷。

確定鋅液鋁含量為0.13±0.01%。

3.1.2 優(yōu)化合金化均熱段爐溫

隨著合金化溫度的升高和合金化時(shí)間的延長(zhǎng)，鍍層中的鐵含量不斷增加，合金化鍍層組織中η和ζ相逐漸減少，δ1和 Γ1相增加，合金化溫度越高，則鍍層中相轉(zhuǎn)變的速率越快，鍍層的抗粉化性能越低[5]。

確定合金化爐均熱段爐溫為540-450℃的階梯控制[6]。

3.1.3 優(yōu)化鋅層厚度均勻性

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，均勻的鋅層厚度有利于減少?zèng)_壓脫鋅的發(fā)生。在相同生產(chǎn)工藝情況下，A類試樣沖壓時(shí)脫鋅，而B(niǎo)類試樣沖壓時(shí)不脫鋅。A類試樣和B類試樣的上下表面、邊中邊的典型鋅層厚度如表2:

表2 單位：g/m2

3.1.4 合金化鍍層相結(jié)構(gòu)改善的效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，在相同的沖壓參數(shù)下，C類試樣沖壓時(shí)脫鋅，其鍍層的典型輝光放電光譜（Glow Discharge Optical Emission Spectrometry）如圖1，其鍍層的典型表面微觀形貌如圖3；D類試樣沖壓時(shí)不脫鋅，其鍍層的典型輝光放電光譜（Glow Discharge Optical Emission Spectrometry）如圖2，其鍍層的典型表面微觀形貌如圖4:

通過(guò)上圖可以看出C類試樣表面的ζ相（柱狀Fe-Zn相）較多，而D類試樣表面幾乎觀察不到ζ相，同時(shí)C類試樣合金化鍍層中Fe含量分布不均勻，合金層中沒(méi)有平滑的平臺(tái)。相結(jié)構(gòu)不是以δ1相為主的合金化相層是造成沖壓脫鋅的主要原因。

3.2 優(yōu)化鋼板在模具中的滑動(dòng)狀態(tài)

3.2.1 優(yōu)化涂油量

為了減少鋼板表面和模具之間的摩擦力，增加潤(rùn)滑性，鋼板表面選擇涂油量為雙面極重涂油，單面涂油量2.0 g/m2。

3.2.2 優(yōu)化力學(xué)性能

為避免沖壓過(guò)程中產(chǎn)生拉毛脫鋅和起皺現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)前期此零件使用情況的進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定鋼板的屈服強(qiáng)度范圍為210～260 Mpa，控制目標(biāo)為210～240 Mpa。

3.2.3 優(yōu)化模具工藝參數(shù)

通過(guò)對(duì)沖壓拉延模具的間隙調(diào)整、模面打磨和拋光，使機(jī)臺(tái)研配型面貼合率達(dá)85%以上；同時(shí)將沖壓壓力減少5%，可以很好的減輕沖壓拉毛脫鋅問(wèn)題。

3.2.4 優(yōu)化滑動(dòng)狀態(tài)后的效果

在同等沖壓工藝參數(shù)下，鍍層表面相結(jié)構(gòu)是δ1相為主的合金化熱鍍鋅鋼板，不同表面涂油量和屈服強(qiáng)度，沖壓后零件質(zhì)量情況如下表3:

表3

4 結(jié)論

解決使用合金化熱鍍鋅鋼板沖壓車(chē)門(mén)等外露件時(shí)出現(xiàn)的拉毛脫鋅缺陷，可從如下方面采取措施：鋅液鋁含量、鋅液溫度、鋅層厚度均勻性、優(yōu)化合金化爐均熱段的爐溫以及優(yōu)化性能控制范圍和表面涂油量。改善措施取得了良好效果，批量使用改善后的合金化熱鍍鋅鋼板未出現(xiàn)沖壓拉毛脫鋅現(xiàn)象，滿足了汽車(chē)用戶的要求。

[1]張理?yè)P(yáng),李俊,左良.汽車(chē)用合金化熱鍍鋅鋼板的發(fā)展趨向. 鋼鐵釩鈦,2004, 第25 卷第4 期.

[2]Lin C S, Meshil M. Effect of Steel Chemistry on the Microstructure and Mechanical Properties of the Commercial Galvanneal Coatings. In: Hartmann J E ed. The Use and Manufacture of Zinc and Zinc Alloy Coated Sheet Steel Products into the 21st Century.Chicago: The Iron and Steel Society, 1995. 477～484.

[3]張啟富等編著. 現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2007.1：503.

[4]浦井正章, 有村光史, 寺田誠(chéng)ほか. 合金化溶融亞鉛あつき鋼板のパウダリング特性に及ぼすあつきなびに合金化條件の影響. 鉄と鋼.1991，77（7）：971～978.

[5]郝曉東, 袁訓(xùn)華, 張雪華,張啟富. 合金化時(shí)間和溫度對(duì)IF 鋼鍍層抗粉化性能的影響. 鋼鐵研究,2008,第36卷第3 期.

[6]黃先明, 劉立斌等, 熱鍍鋅烘烤硬化鋼板合金化退火過(guò)程中鍍層表面合金相形成過(guò)程的研究, 礦冶工程, 2007年, 第27卷第5期 .