脫鋅對鍍鋅板力學性能的影響

康 勃,向 前,熊立波,陳慈輝,張宏嶺

(武漢鋼鐵有限公司 質(zhì)檢中心,武漢 430080)

鍍鋅板是在普通鋼基板表面鍍上一層金屬鋅，鍍鋅是應用最廣泛的金屬防腐方法，可有效提高鋼板的防腐性能，以延長鋼板的服役壽命。鍍鋅板廣泛應用于建筑、汽車、家電等行業(yè)[1-2]。

鋅層雖然可以防止鋼板表面遭受腐蝕，延長其使用壽命，但對鋼板力學性能的影響需要進一步研究。JIS G 3302—2012《熱浸鍍鋅薄鋼板及鋼帶》中提出，進行拉伸試驗時應當選擇鋼板去除鋅層后的實測厚度來進行強度的計算。同時，由于鋼板力學性能與沖壓成型性能息息相關，是衡量鋼板能否加工成最終零件形狀的重要因素，脫鋅可能也會對材料成型性能產(chǎn)生較大影響。

為此，筆者選取幾種不同類型、不同用途鋼種、基板厚度和鋅層質(zhì)量不同的鍍鋅板，進行脫鋅前后的力學性能對比，分析脫鋅對力學性能的影響，為生產(chǎn)實際中判斷材料的成型性能和沖壓件的合理化選材提供支撐。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

首先探討不同類別鍍鋅板脫鋅對力學性能的影響，選取電鍍純鋅板、熱鍍純鋅板、熱鍍鋅無間隙原子鋼板、熱鍍鋅雙相鋼板、熱鍍鋅低合金高強度鋼板分別進行脫鋅前后力學性能的比較，試樣具體信息見表1。

表1 不同類別鍍鋅板試樣信息Tab.1 Sample information of different types of galvanized sheet

同時，以熱鍍純鋅鋼板為例，選取不同規(guī)格厚度、不同鋅層質(zhì)量的試樣，進一步探討脫鋅對力學性能的影響，試樣具體信息見表2。

表2 不同規(guī)格厚度鍍鋅板試樣信息Tab.2 Sample information of different specifications and thicknesses of galvanized sheet

1.2 試驗方法

按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學性能試驗取樣位置及試樣制備》要求，在鋼板板寬1/4處同時沖取2塊鋼板，對沖壓后的鋼板利用數(shù)控銑床精加工成滿足標準要求的拉伸試樣，試樣寬20 mm，標距80 mm，1塊進行鍍鋅板力學性能試驗，另1塊去除鋅層后測試基板的力學性能。

采用化學法去除鋅層,將3.5 g六次甲基四胺(C6H12N4)溶解于500 mL濃鹽酸(質(zhì)量濃度為1.19 g·mL-1)中，用去離子水稀釋至1 000 mL，配置成脫鋅液。室溫下，將試樣浸入到脫鋅液中浸泡至鍍層完全溶解，采用流水及乙醇進行清洗，將鋼板表面水分清除后涂油備用。

試驗采用MTS公司生產(chǎn)的ATS5105 100 kN型全自動拉伸試驗機，該試驗機通過國家鋼鐵材料測試中心計量評定，力值傳感器、橫向和縱向引伸計均為0.5級。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 5027—2016《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應變化(r值)的測定》、GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應變硬化指數(shù)(n值)的測定》的要求分別測定試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、n值和r值，其中，對于呈現(xiàn)不連續(xù)屈服的鋼板選取下屈服強度ReL作為試樣的屈服強度，對于呈現(xiàn)連續(xù)屈服的試樣選取規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2作為試樣的屈服強度。采用全自動拉伸試驗機對鋼板的實際寬度、厚度進行測量，減少了脫鋅前后采用同一橫截面面積計算帶來的誤差，更能反映鋼板真實強度；n值和r值由縱向、橫向引伸計全程跟蹤測量，減少了人工測量帶來的計算誤差[3-4]。

2 試驗結果與分析

鍍鋅板脫鋅前后的力學性能試驗結果如表3所示。可以看出，不論是電鍍純鋅板、熱鍍純鋅板，還是熱鍍鋅無間隙原子鋼板、熱鍍鋅雙相鋼板、熱鍍鋅低合金高強度鋼板，脫鋅前后力學性能都略有不同。脫鋅后試樣的屈服強度和抗拉強度呈減小趨勢，下降幅度不超過1.5%，表明脫鋅對強度的影響有限。脫鋅前后屈服強度和抗拉強度的變化較小，斷后伸長率的變化也較小，斷后伸長率增加小于1.0%，脫鋅對斷后伸長率的影響不顯著。脫鋅前后n值、r值的變化率較大，表明脫鋅對n值、r值的影響顯著，其中對r值的影響最大。

表3 鍍鋅板脫鋅前后的力學性能Tab.3 Mechanical properties of galvanized sheet before and after dezincification

針對變化趨勢略大的n值、r值指標，選取同一鍍鋅量水平、不同厚度的熱鍍鋅板進一步研究脫鋅后n值、r值的變化情況，試驗結果見表4和圖1。可見脫鋅后n值、r值的變化率與基板厚度有關，均隨著基板厚度的增加而減小，但n值的變化幅度小于r值的變化幅度。

表4 不同厚度鍍鋅板脫鋅后n值和r值的變化Tab.4 Change of n value and r value after dezincification of galvanized sheet with different thickness

圖1 不同厚度鍍鋅板脫鋅后n值和r值的變化曲線Fig.1 Change curves of n value and r value after dezincification of galvanized sheet with different thickness

此外，選取同一規(guī)格厚度、不同鍍鋅量水平的熱鍍鋅板進一步研究脫鋅前后n值、r值的變化情況，試驗結果見表5和圖2。可見脫鋅后n值、r值的變化率與鍍鋅板的鋅層質(zhì)量有關，隨著鋅層質(zhì)量的增大而增加，但n值的變化幅度會小于r值的變化幅度。

表5 不同鍍鋅量鍍鋅板脫鋅后n值和r值的變化Tab.5 Change of n value and r value after dezincification of galvanized sheet with different galvanized coating mass

圖2 不同鍍鋅量鍍鋅板脫鋅后n值和r值的變化曲線Fig.2 Change curves of n value and r value after dezincification of galvanized sheet with different galvanized coating mass

均勻塑性變形階段服從體積不變原理，即在拉伸過程中沿試樣長度方向、寬度方向、厚度方向的應變和為零。當試樣承受縱向拉伸時，試樣的寬度、厚度方向會發(fā)生相應的變形，由于基板與其表面附著的鋅層存在一定的作用力，從而限制了基板在拉伸過程中長度方向和寬度方向的應變量，使試樣在厚度方向的應變增加，從而造成了鍍鋅板r值和斷后伸長率的減小。另外，鋅層與其基板間結合力的存在也可能是造成試樣強度細微變化的原因。當單向拉伸應變達到5%時，鋅層表面就已經(jīng)產(chǎn)生了橫向裂紋；當應變?yōu)?0%時，部分區(qū)域的橫向裂紋已十分密集；當應變達到15%時，裂紋已經(jīng)遍布試樣的大部分區(qū)域[5]。所以鋅層表面產(chǎn)生的橫向裂紋是導致r值下降的主要原因。試驗中的r值均在應變15%時取得。

r值是鋼板變形時沿寬度方向和厚度方向真應變的比值，是鋼板成型性能的一個重要指標，直接關系到后續(xù)沖壓工藝的設計實施。r值的變化主要是由鍍層和基板的變形不協(xié)調(diào)引起的。由于基板的厚度遠大于鍍層厚度，在厚度方向上起主導作用，當鍍層延展性不足時厚度應變將增加以補償寬度方向應變的降低，這將導致寬度-厚度應變比的降低即r值降低。隨著拉伸過程的進行，試樣承載面積的減小也造成了n值的下降。

在同等變形量下，鍍層較厚的試樣較鍍層薄的試樣其表面開裂程度相對嚴重[6]。唐荻等[5]指出鍍鋅板的r值總比基板的r值小，比鋅層的r值大。由于熱鍍鋅鋼板的表面熱鍍了一層鋅層，在基板與鋅層之間會形成薄且較脆的Fe2Al2Zn合金過渡層，增加了基板材料的變形阻力，使r值降低。

3 結論

(1) 對于鍍鋅板來說，脫鋅會使基板r值、n值、斷后伸長率升高，屈服強度和抗拉強度略微降低，脫鋅層對r值的影響略大一些。

(2) 脫鋅后r值、n值的變化與基板厚度和鍍鋅板的鋅層質(zhì)量相關。脫鋅后r值、n值的變化率隨著基板厚度的增加而減小，隨著鋅層質(zhì)量的增加而增加；n值的變化幅度小于r值的變化幅度。r值是形變敏感參數(shù)，是鋼板成型性能的一個重要指標。

(3) 鋼板在實際沖壓成型的過程中并非只進行單軸拉伸變形，而是受到各個方向的作用力而變形，鋅層裂紋不會集中在單一方向而是呈現(xiàn)無規(guī)則的網(wǎng)狀，這使得鋅層阻礙基板變形的能力大幅下降，最終并未對鍍鋅板的實際成型性能產(chǎn)生影響。