加工變形對熱鍍鋅基合金鍍層性能的影響

楊培燕， 李 黎， 顧寶珊， 魯 強， 王 巖

(1.中國鋼研科技集團公司，北京 100081;2.先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室，北京 100081)

引 言

熱鍍鋅及其合金鋼板性能優越、品種繁多，廣泛應用于國民經濟的各個領域，特別是建筑業、汽車業和電器制造業是熱鍍鋅鋼板的主要用戶［1］。雖然現代熱鍍鋅產品種類很多，但所使用的產品主要集中在 Zn-0.2%Al即 Galvanized(GI)鍍層、Zn-5%Al即 Galfan(GF)鍍層以及 Zn-55%Al即Galvalume(GL)鍍層。熱鍍鋁-鋅合金，綜合了純鋅、純鋁鍍層各自的優點，具有良好的防腐蝕性能。因此，這類鍍層已引起國內外廣泛關注，我國對熱鍍Zn-Al合金的相關研究、生產及應用相對落后，還有很多問題需要解決［2］。

隨著熱鍍鋅產品的廣泛應用，使用時難免會進行機械加工，加工處理后，熱鍍鋅層的耐腐蝕性能有無變化及怎樣變化問題需要進一步探討，而國內外關于鍍層在加工變形后其耐腐蝕性能的變化的相關研究報道較少。為此本文研究了不同杯突變形量情況下鍍層的抗加工變形能力和耐蝕性能變化情況，并分別用掃描電鏡進行表面、斷面觀察，利用線性極化得出極化電阻值，同時討論了基板與鍍層厚度對變形后鍍層耐腐蝕行為的影響。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所用的GI、GF、GL三種熱鍍鋅鋼板均由國內某專業廠家提供，試樣尺寸均為60mm×60mm。

杯突變形試驗后觀察其表面形貌以及利用電化學測試其耐腐蝕性能的試樣的基板厚度及鍍層面質量如表1所示。

表1 試樣種類、厚度及成分

比較不同基板厚度加工變形后的耐腐蝕性能的試驗中，采用鋅層面質量相近基板厚度不同的材料變形后進行耐蝕性能比較，采用的實驗材料如表2所示。

表2 基板加工變形后耐蝕性能比較試驗材料

比較不同鍍層厚度加工變形后耐腐蝕性能的試驗中，采用基板厚度相近鍍層厚度不同的材料變形后進行耐蝕性能比較，采用的實驗材料如表3所示。

表3 不同鍍層厚度加工變形后耐蝕性能比較試驗材料

1.2 實驗方法

1.2.1 杯突試驗

杯突試驗在QBS型杯突試驗儀上進行。沖頭直徑為 Φ(20±0.05)mm，沖模直徑 為Φ(27±0.05)mm，固定杯直徑為 Φ(33±0.1)mm，試樣尺寸為60mm×60mm，試驗采用相同沖壓速度，不同杯突高度對三種鍍層性能的影響。沖壓速度采用 10mm/min，杯突高度分別選取 2.5，5.0，7.5及9.0mm。

1.2.2 鍍層形貌觀察

試樣在不同杯突高度變形后，使用日立S4300型掃描電子顯微鏡觀察分析表面形貌;采用Neophot-21型金相顯微鏡觀察分析鍍層的斷面形貌。

1.2.3 電化學試驗

采用電化學方法中的線性極化法評價鍍層變形后的耐腐蝕性能。采用三電極體系，利用M273恒電位儀(美國EG＆G PARC公司)與計算機組成的電化學測試系統測定鍍層在NaCl溶液中的線性極化曲線，試驗θ為25℃，介質濃度為0.02mol/L，掃描速度為20mV/min，測試軟件為M352;參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑金電極，待檢測試樣作為工作電極，試樣面積約為1cm2［3］。

2 結果與討論

2.1 鍍層抗變形性能比較

2.1.1 鍍層的表面形貌

三種熱鍍鋅鋼板試樣杯突變形后鍍層的表面形貌如圖1～圖4所示。

圖1 杯突變形2.5mm鍍層SEM照片

圖2 杯突變形5.0mm鍍層SEM照片

圖3 杯突變形7.5mm鍍層SEM照片

圖4 杯突變形9.0mm鍍層SEM照片

從圖1～圖4中可以看出，無論哪個杯突變形量，都表現為GL鍍層的裂紋密度最大，且深度最深，GF次之，GI最好;而且從圖1～圖4中還可以看出，三種鍍層的裂紋數量都隨著杯突變形量的增加而增加，且裂紋的形貌有變化，主要表現為裂紋之間的平均距離變小，有的形成二次裂紋網，更細的裂紋與第一組裂紋交叉［4］。圖4中顯示變形量達到9.0mm時，三種鍍層都有不同程度的鍍層脫落現象。

通過以上的分析可以看出，GI鍍層的加工成型性能最好，GF鍍層次之，GL鍍層最差。

2.1.2 鍍層的斷面形貌

三種熱鍍鋅鋼板試樣加工變形后鍍層的斷面形貌如圖5圖～8所示。

從圖5中可以看出，杯突變形量為2.5mm時，GI、GF試樣都未出現穿透鍍層的裂紋，裂紋深度分別為5.5μm和14μm;從圖6中可以看出，杯突變形量為5mm時，GI、GF試樣相繼出現穿透鍍層的裂紋，但GF的裂紋寬度遠遠大于GI。從圖5～圖8比較可以看出，隨著杯突變形量的增加，GF和GL試樣的裂紋寬度逐漸增加，穿透鍍層裂紋的數量逐漸增加，裂紋間距逐漸減小。但GI試樣并未出現此種現象，僅是在杯突變形量為5.0mm時，出現一條穿透鍍層的裂紋，隨著變形量的增加，并未明顯表現出穿透鍍層裂紋數量的增加。

因此通過比較可以看出，GI鍍層的抗變形性能最好，GF鍍層其次，GL鍍層最差，這與掃描電鏡的觀察結果一致。

圖5 杯突變形2.5mm鍍層斷面照片

圖6 杯突變形5.0mm鍍層斷面照片

圖7 杯突變形7.5mm鍍層斷面照片

圖8 杯突變形9.0mm鍍層斷面照片

通過對不同變形量下，三種鍍層的掃描電鏡照片和斷面金相照片進行分析，都說明GI鍍層的加工成型性最優，GF鍍層其次，GL鍍層最差。

GL鍍層之所以成型性差可能與它的組織結構有關，由于GL鍍層中存在針狀富硅相，且鍍層主要為粗大樹枝晶，易于在樹枝晶的間隙間形成裂紋，造成GL鍍層的成型性能不好［5］。

2.2 變形對鍍層耐腐蝕性能的影響

2.2.1 變形對電化學耐腐蝕性能比較

三種試樣分別在經過 2.5、5.0、7.5 和 9.0mm杯突變形后，在0.02mol/L NaCl溶液中進行線性極化，測定其極化電阻Rp值，測定結果如表4。

表4 不同變形量極化電阻Rp值的比較

從表4可以看出，隨著變形量的增加，三種鍍層的Rp值均是呈現下降趨勢。對于GI鍍層，變形量為 0、2.5、5.0 及 7.5mm 時，Rp值變化不大，而在變形量為9.0mm時，Rp值出現了驟降;對于GF和GL鍍層，在變形量為5.0mm時，Rp值就出現了驟降。對于三種鍍層耐腐蝕性的比較可以看出，在未變形時GL鍍層在0.02mol/L NaCl溶液中的耐腐蝕性能最好，GF鍍層次之，GI鍍層最差，這與很多文獻的報道一致。而隨著變形量的增加，GF鍍層呈現出較大的優勢，其Rp值下降的趨勢較小［6］。

2.2.2 基板厚度對鍍層耐腐蝕性能的影響

不同厚度的基板經杯突變形后的極化電阻值變化如圖9～圖11所示。

圖9 GI鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

圖10 GF鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

圖11 GL鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

圖9－圖11為相同鍍層質量、不同基板厚度的GI、GF、GL 鍍層變形后在0.02mol/L NaCl溶液中的極化電阻值隨變形量增加而產生變化的曲線。從圖9中可以看出，GI鍍層的四個基板厚度隨著變形量的增加，Rp值均呈現降低趨勢，而且四種基板厚度的Rp值在每個變形量下，相差均不大，因此，基板厚度對GI鍍層變形后的耐腐蝕性能影響不大;GF鍍層也是如此，說明基板厚度對變形后GI和GL鍍層的耐腐蝕性能變化影響均不大。

從圖11中可以看出，基板厚度對GL鍍層變形后耐腐蝕性能的影響稍有不同，隨著變形量的增加，三種基板厚度鍍層的電化學耐腐蝕性也大體呈現下降趨勢，但是0.318mm和0.504mm厚度的基板在變形量2.5～5.0mm時，出現了平臺，說明這兩種厚度的基板在此變形量階段腐蝕性能變化不大，而且從圖11中可以看出，在初始變形階段，0.318mm厚度基板的Rp值與0.737mm厚度基板的Rp值相差較大，但隨著變形量的增加，三種基板厚度的Rp值越來越接近，因為達到一定變形量時，無論哪種基板厚度的鍍層耐腐蝕性能都已經較差，因而區別并不明顯。

通過圖9～圖11的比較可以看出，基板厚度對GL鍍層耐腐蝕性能的影響要稍強于GI和GF鍍層，但對隨著變形量增加，三種鍍層耐腐蝕性能均下降的規律影響并不大。

2.2.3 鍍層厚度對變形后的鍍層耐腐蝕性能影響

相同基板厚度不同鍍層面質量的三種鍍層變形后在0.02mol/LNaCl溶液中極化電阻值的變化如圖12～圖14所示。

圖12 GI鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

圖13 GF鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

圖14 GL鍍層加工變形后耐腐蝕性能變化

由圖12中可以看出，GI鍍層的三個鍍層厚度隨著變形量的增加，Rp值均呈現降低趨勢，而且任何變形量下，三種鍍層厚度的Rp值都很接近，因此，鍍層厚度相差不大時，對GI鍍層變形后的耐腐蝕性能影響不大，鍍層厚度對GF和GL鍍層變形后耐腐蝕性能的影響與GI鍍層的基本一致。

因此，在鍍層厚度相差不多時，并不會對鍍層加工變形后的耐腐蝕性能造成多大的影響。

通過以上分析可以看出，基板厚度和鍍層厚度對三種鍍層變形后的耐腐蝕性能影響均不大;在相同情況下，未變形時GL鍍層在0.02mol/L NaCl溶液中的耐腐蝕性能最好，GF鍍層次之，GI鍍層最差;但經過不同程度的加工變形后，GF鍍層的電化學耐腐蝕性能下降最不明顯，其綜合性能最優。主要原因是對于GF鍍層，鋁的加入，使鍍層表面形成一層Al2O3保護層，從而減緩了Zn的電腐蝕性，由于同時存在Zn的犧牲陽極保護和鋁的自鈍化保護特性，使含鋁鍍層具有優異的耐腐蝕性［7］。而成型性由于GL鍍層中不存在脆性的金屬間化合物，避免了裂紋形核，而且細微的共晶組織可有效阻止裂紋的擴展。

3 結論

1)通過對GI、GF及GL三種鍍層SEM微觀表面分析以及斷面金相分析，可以看出，GI鍍層的抗加工變形性能最優，GF鍍層次之，GL鍍層最差。

2)通過對GI、GF及GL三種鍍層加工變形后在NaCl溶液中Rp值的比較可以看出，GF鍍層加工變形后電化學耐腐蝕性能下降最不明顯，其綜合性能最優。

3)通過比較不同基板厚度和不同鍍層厚度下的耐腐蝕情況，可以看出，基板厚度和鍍層厚度對鍍層變形后的耐腐蝕性能影響均不大。

［1］ 王云坤，宋東明.淺述熱浸鋅鍍層的結構及性能［J］.金屬世界，2007，(6):47-52.

［2］ 張啟富.新一代鋼鐵材料涂鍍技術［C］//中國2008帶鋼連續熱浸鍍鋅發展論壇論文集.北京，2008:447-448.

［3］ 曹楚南.腐蝕電化學［M］.北京:化學工業出版社，1995:55-59.

［4］ Alpas A T，Inagaki J.Effect of Microstructure on Fracture Mechannisms in Galvannealed Coatings［J］.ISIJ International，2000，40(2):172-181.

［5］ 盧錦堂，江愛華，車淳山，等.熱浸Zn-Al合金鍍層的研究進展［J］.材料保護，2008，(7):47-50.

［6］ 李黎，顧寶珊，楊培燕.杯突變形對鋅合金鍍層耐腐蝕性能的影響［J］.物理測試，2011，29(1):5-9.

［7］ 王云坤，宋東明.熱鍍鋅鋼板鍍層種類、結構及性能［J］.腐蝕與防護，2008，29(4):202-206.