熱鍍鋅無鉻自潤(rùn)滑涂層及性能試驗(yàn)研究

張愛萍，董學(xué)強(qiáng)，冉長(zhǎng)榮

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司 釩鈦資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 攀枝花 617000）

鍍層板（GI、GA、GL）在家電、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域使用，大多數(shù)需經(jīng)沖壓成形。由于模具與鋼板間的摩擦，鍍層在成形時(shí)容易出現(xiàn)掉粉、黑變等問題，不僅影響成形零件的外觀質(zhì)量、耐蝕性、涂裝性等，而且會(huì)加劇模具的磨損，降低其使用壽命。自潤(rùn)滑熱鍍鋅板是在鍍層鋼板表面進(jìn)行一種新型薄有機(jī)復(fù)合涂層處理，其涂層中含有特定的潤(rùn)滑劑，可減小成形時(shí)模具與鋼板間的摩擦，改善成形條件，有利于預(yù)防鍍層掉粉、黑變等問題，進(jìn)而滿足客戶的深加工要求[1—5]。進(jìn)行自潤(rùn)滑表面處理的熱鍍鋅板不僅能夠保證在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中的防腐，還能夠保證在加工過程中避免使用潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑劑，可直接進(jìn)行沖壓成形，且不會(huì)產(chǎn)生劃痕或其他缺陷，后續(xù)還可直接應(yīng)用或進(jìn)行涂裝處理，省略了涂油劑的使用和除油的操作工序，不但節(jié)約了制造成本，而且還降低了污染。因此，自潤(rùn)滑鍍鋅板是一種環(huán)境友好型薄有機(jī)涂層產(chǎn)品[4—8]。

日本是對(duì)自潤(rùn)滑鋼板研究最多的國(guó)家[9—14]，川崎制鐵和NKK都進(jìn)行了系列自潤(rùn)滑鋼板的開發(fā)研究，以滿足用戶不同的需要。川崎制鐵最新開發(fā)的有機(jī)涂層自潤(rùn)滑鋼板產(chǎn)品名稱為RIVER ZINC FS，其有機(jī)膜的基礎(chǔ)樹脂和潤(rùn)滑劑分別為醋酸乙烯樹脂和聚烯烴蠟，與不含有機(jī)膜的涂油電鍍鋅板相比，該潤(rùn)滑鋼板不僅具有優(yōu)異的成形性能，而且具有良好的耐蝕性和耐指紋性。但在表面導(dǎo)電性（包括接地性、電磁屏蔽性、焊接性）要求較高的條件下，RIVER ZIVC FS不能很好地滿足用戶要求。由此，川崎又開發(fā)了具有優(yōu)異導(dǎo)電性能的RIVER ZIVC FE自潤(rùn)滑鋼板。RIVER ZIVC FE板的涂層特點(diǎn)是在鍍鋅板表面形成了具有高耐蝕性的鉻化層，潤(rùn)滑劑聚烯烴蠟（粒徑＜3 μm）呈島狀分布于鉻化層中。NKK新近開發(fā)的以聚氨酯為基礎(chǔ)樹脂、聚乙烯為潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑鋼板 UZ-SL與 20世紀(jì) 80年代開發(fā)的有機(jī)潤(rùn)滑板UZ-L2，常用于需進(jìn)行復(fù)雜沖壓成形而且要求成形后保持良好外觀的部件。UZ-L2和UZ-SL具有優(yōu)良自潤(rùn)滑性，在沖壓成形過程中不必加潤(rùn)滑油，并且成形后有非常好的外觀。為滿足汽車行業(yè)對(duì)低成本、優(yōu)異成形性和焊接性能鍍鋅板的需求，NKK還開發(fā)了一種Ni基無機(jī)涂層自潤(rùn)滑鍍鋅板。該無機(jī)型潤(rùn)滑板的潤(rùn)滑性能與涂油鍍鋅板相當(dāng)，但具有良好的點(diǎn)焊性、磷化性、可涂裝性和高耐蝕性能。

國(guó)內(nèi)企業(yè)在自潤(rùn)滑涂層鋼板方面的研究較少，僅寶鋼可生產(chǎn)電鍍鋅自潤(rùn)滑板。2006年 9月，寶鋼開發(fā)了一步法無鉻自潤(rùn)滑電鍍鋅產(chǎn)品生產(chǎn)工藝與一步法無鉻自潤(rùn)滑涂料試生產(chǎn)無鉻自潤(rùn)滑電鍍鋅產(chǎn)品，試生產(chǎn)的新產(chǎn)品符合歐盟RoHS指令等國(guó)內(nèi)外的環(huán)保規(guī)定，并且具有優(yōu)異的沖壓潤(rùn)滑性、皮膜延展性、沖壓成形后的耐堿耐溶劑性和耐腐蝕性能。筆者通過對(duì)集環(huán)保性、耐蝕性、耐指紋性、自潤(rùn)滑性、導(dǎo)電性、焊接性、涂裝性等多功能于一體的熱鍍鋅板自潤(rùn)滑涂層的研究，成功開發(fā)出了自潤(rùn)滑鋼板，文中對(duì)其性能進(jìn)行了深入探索。

1 對(duì)熱鍍鋅板自潤(rùn)滑涂層的表征及性能測(cè)試

1）涂層結(jié)構(gòu)。采用日本JSM-7100F型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層微觀形貌，利用IE 300 X型能譜儀（EDS）對(duì)涂層成分進(jìn)行分析。

2）膜重。使用X射線熒光光譜儀測(cè)量，采用自潤(rùn)滑液標(biāo)準(zhǔn)曲線。

3）耐蝕性。通過中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)臀g性。試驗(yàn)條件及方法按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》執(zhí)行，設(shè)備為YWX/Q-020鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱。試樣為攀鋼生產(chǎn)的自潤(rùn)滑熱鍍鋅板（106組，板厚分別為0.5、0.6、0.8、1.2 mm），剪切成規(guī)格75 mm×150 mm，且用透明膠帶在距邊部5 mm處進(jìn)行封邊，以防止邊部銹蝕影響結(jié)果。連續(xù)噴霧試驗(yàn)周期為72 h，根據(jù)每個(gè)試驗(yàn)周期后試樣表面產(chǎn)生的白銹所占百分比來評(píng)價(jià)腐蝕情況。評(píng)價(jià)方法參考GB/T 6461—2002《金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試驗(yàn)的評(píng)級(jí)》。

4）潤(rùn)滑性。采用 mm-200型環(huán)塊摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試摩擦系數(shù)。對(duì)偶件材料為45#淬火鋼，硬度值為(50±3)HRC，外徑為φ40 mm，內(nèi)徑為φ15 mm，厚度 B=10 mm。對(duì)偶件先用砂紙打磨表面，磨到光滑為止，再用丙酮擦拭。將樣塊裝好，并在低速1200 r/min、定載荷50 N的條件下啟動(dòng)機(jī)器，每隔半分鐘記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間8 min。在上述條件下，分別測(cè)試不同膜厚的自潤(rùn)滑涂層鋼板及普通鈍化板鋼板的摩擦系數(shù)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)分析涂層的自潤(rùn)滑效果。

5）耐熱性。試樣在熱風(fēng)爐內(nèi)以300 ℃加熱烘烤30 min，然后采用德國(guó)BYK色差儀測(cè)量加熱烘烤前后的色差值 ΔL、Δa、Δb，計(jì)算 ΔЕ＝(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2，再根據(jù)△E值判斷涂層的耐熱性。

6）耐指紋性[15]。采用德國(guó) BYK色差儀測(cè)量，用脫脂棉蘸取少量白色凡士林均勻涂于試樣表面，測(cè)量試樣涂敷凡士林前后的色差值ΔL、Δa、Δb，計(jì)算 ΔЕ＝(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2，再根據(jù)△E值進(jìn)行評(píng)價(jià)。

7）耐水性。將約2 mL 90～100 ℃的去離子水滴于試樣表面，自然干燥后，觀察試驗(yàn)部位有無印跡。試驗(yàn)后，若試驗(yàn)部位無明顯的印跡，則涂層具有良好的耐水性。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層結(jié)構(gòu)

熱鍍鋅自潤(rùn)滑板表面涂層的形貌及成分結(jié)果見圖1及表1。由表1可見，熱鍍鋅自潤(rùn)滑板鈍化膜層主要成分為 C、O、F、Al、Si、P、Ti，不含Cr，是一種環(huán)保涂層，其中C、O的含量最高，是一種以有機(jī)樹脂為主成膜物質(zhì)的鈍化膜層。由表面形貌與成分可知，膜層表面平整光滑，且十分致密，未見有裂痕、孔隙，這將有助于涂層具有良好的耐蝕性；膜層中含有大量的F元素，而含氟物質(zhì)一般均具有良好的潤(rùn)滑性，作為潤(rùn)滑劑填充在膜層中可使膜層具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性。

表1 表面成分Tab.1 The composition of the coatings wt.%

2.2 涂層耐蝕性

涂層耐蝕性是涂層性能中最為重要的指標(biāo)之一，也是用戶最為關(guān)心的性能之一。良好的涂層耐蝕性才能保證原料鋼板在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中不發(fā)生腐蝕，避免影響后續(xù)工序的加工和生產(chǎn)。試樣耐蝕性測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖 2可知，隨著膜層厚度的增加，涂層在NSST/72 h條件下的銹蝕面積減少，即耐蝕性逐漸增強(qiáng)。熱鍍鋅自潤(rùn)滑板的膜厚基本控制在 0.5～2.0 g/m2，在此膜厚范圍內(nèi)，涂層在NSST/72 h條件下的銹蝕面積小于5%，達(dá)到無鉻鈍化的耐蝕性水平，滿足用戶的使用要求。當(dāng)膜厚大于0.9 g/m2時(shí)，涂層在NSST/72 h條件下基本無銹蝕，耐蝕性能更加優(yōu)異。由于用戶對(duì)涂層的耐蝕性要求越來越高，因此膜厚可控制在0.9 g/m2以上，可確保涂層具有更穩(wěn)定、優(yōu)異的耐蝕性。

2.3 涂層潤(rùn)滑性

自潤(rùn)滑性是熱鍍鋅板自潤(rùn)滑涂層的最重要指標(biāo)，良好的自潤(rùn)滑性可保證鍍層在沖壓成形時(shí)避免出現(xiàn)掉粉、黑變等問題。對(duì)兩種不同膜厚自潤(rùn)滑涂層的熱鍍鋅板及普通鈍化板進(jìn)行了潤(rùn)滑性測(cè)試，其中A樣的膜厚為0.84 g/m2，B樣的膜厚為1.25 g/m2，測(cè)試結(jié)果見圖4。

由圖可知，在開始時(shí)，熱鍍鋅自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)均在 0.10以下，而普通鈍化板為 0.20；在一定的時(shí)間內(nèi)，熱鍍鋅自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)在較低范圍波動(dòng)，而普通鈍化板的摩擦系數(shù)迅速增大；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，自潤(rùn)滑涂層的摩擦系數(shù)逐漸增大，這是由于表面膜層在摩擦過程中不斷磨損，膜層厚度降低，從而自潤(rùn)滑性降低。A樣的摩擦系數(shù)高于B樣，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而變化較慢，由此可知，膜層越厚，涂層中的自潤(rùn)滑成分越多，自潤(rùn)滑性越好，且磨損越慢。該自潤(rùn)滑板可直接沖壓成形，滿足用戶的使用要求。

2.4 涂層耐熱性

熱鍍鋅板在加工成形過程中，有時(shí)需進(jìn)行單面噴涂烘烤，色變會(huì)影響涂層的外觀質(zhì)量。目前對(duì)涂層耐熱性沒有較為明確的規(guī)定，一般只要不影響正常使用即可。耐熱性的色差測(cè)試結(jié)果見圖5和圖6。可以看出，試樣經(jīng)300 ℃加熱烘烤20 min后，涂層均出現(xiàn)一定程度的黃變，ΔE約在 4～12，與現(xiàn)有的無鉻鈍化膜層相當(dāng)。自潤(rùn)滑涂層在烘烤后，ΔE隨膜厚的增加而不斷增大，即涂層的耐熱性變差。這是由于涂層中含有大量的有機(jī)物，膜層越厚，有機(jī)物越多，高溫烘烤時(shí)發(fā)生分解的越多，因而黃變更為嚴(yán)重。當(dāng)膜重低于1.6 g/m2時(shí)，ΔE基本小于10，涂層黃變程度較為穩(wěn)定，因此將膜厚控制在1.6 g/m2以下，可確保涂層的耐熱性滿足用戶的要求。

2.5 涂層耐指紋性

為避免操作工在零件制作過程中將指紋印留在零件表面而影響涂裝附著性或外觀質(zhì)量，要求熱鍍鋅鋼板具有一定的耐指紋性，一般家電廠商要求的色差 ΔE≤3。試樣涂敷凡士林后的色差與膜厚的關(guān)系見圖 7。由圖可知，自潤(rùn)滑試樣涂敷凡士林后，ΔЕ均低于1，具有優(yōu)良的耐指紋性，滿足一般家電用戶的要求。隨著膜厚的增加，ΔЕ有減小的趨勢(shì)，即自潤(rùn)滑涂層厚度越小，耐指紋性就越好。

2.6 涂層耐水性

包裝好的鋼卷在運(yùn)輸及儲(chǔ)存過程中，在空氣較潮濕、溫度較高的環(huán)境下，表面會(huì)產(chǎn)生水汽的凝聚，因而要求涂層要具有良好的耐水性。熱鍍鋅自潤(rùn)滑板涂層耐水性試驗(yàn)結(jié)果見圖8。可見：試樣的試驗(yàn)部位均有輕微水跡，耐水性良好，且當(dāng)膜厚增加時(shí)水跡未見有明顯變化，即膜厚對(duì)自潤(rùn)滑涂層的耐水性能無明顯影響。

3 結(jié)論

1）熱鍍鋅板自潤(rùn)滑膜層為環(huán)保涂層，表面平整光滑，且十分致密，未見有裂痕、孔隙，膜層中的含氟物質(zhì)為涂層提供潤(rùn)滑性。

2）自潤(rùn)滑涂層板的摩擦系數(shù)小于 0.15，涂層具有良好的潤(rùn)滑性能，滿足用戶的使用要求。膜層越厚，自潤(rùn)滑性越好。

3）自潤(rùn)滑涂層具有良好的耐蝕性、耐水性、耐熱性和耐指紋性，達(dá)到現(xiàn)有的無鉻鈍化水平。

4）自潤(rùn)滑涂層的耐熱性隨膜厚的增大而變差，耐蝕性和耐指紋性則隨膜厚的增加而增強(qiáng)，膜厚對(duì)耐水性沒有明顯影響。

5）控制涂層膜厚為0.9～1.6 g/m2，可確保涂層具有更加優(yōu)良穩(wěn)定的自潤(rùn)滑性、耐蝕性和耐熱性。