鋅鋁鎂鋼板的防腐及涂裝性評(píng)價(jià)

楊忠，馬風(fēng)雪，孫浩，張新旺，張欣然

（吉利汽車集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315336）

20世紀(jì)70年代以后，熱鍍鋅鋼板被逐漸用于汽車車身制造；20世紀(jì)90年代初期，日本和美國(guó)開(kāi)始研究在熱鍍鋅鋼板中添加Mg和Al元素的效果；20世紀(jì)90年代中期，日本率先開(kāi)發(fā)出鋅鋁鎂鍍層鋼板，用于鋼結(jié)構(gòu)，其耐腐蝕性能比純鋅鍍層高3倍以上；21世紀(jì)初，歐洲鋼鐵企業(yè)將改良后的鋅鋁鎂鍍層鋼板用于汽車車身制造。在國(guó)內(nèi)，鋅鋁鎂鍍層鋼板的實(shí)驗(yàn)室階段研究始于2008年，2017年開(kāi)始逐步在各車企中得到認(rèn)可及應(yīng)用。

鋅鋁鎂鍍層組織除Zn相外，還有Zn/MgZn2二元共晶相、Zn/Al/MgZn2三元共晶相，從2011年開(kāi)始，各國(guó)汽車行業(yè)及車企陸續(xù)發(fā)布相應(yīng)的鋅鋁鎂鍍層鋼板標(biāo)準(zhǔn)，其中德國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)的VDA 239-100標(biāo)準(zhǔn)要求Al含量為1% ~ 3%，Mg含量為1% ~ 2%。

1 腐蝕試驗(yàn)

腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，腐蝕評(píng)價(jià)是新鋼板評(píng)價(jià)最重要的內(nèi)容之一。試驗(yàn)采用首鋼的熱鍍鋅鋼板和鋅鋁鎂鋼板兩種鍍層鋼板進(jìn)行對(duì)比，雙面鍍層質(zhì)量均為50 g/m2，分別從腐蝕深度、紅銹出現(xiàn)時(shí)間、切口腐蝕、焊接腐蝕、膜下腐蝕等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 腐蝕深度試驗(yàn)

先使用酒精進(jìn)行板面除油，然后使用帕卡MU320A防銹油對(duì)板面重新涂油，晾至24 h后參照GB/T 1771–2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》進(jìn)行336 h的腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)完后清除板面腐蝕產(chǎn)物(如圖1所示)，按式(1)計(jì)算腐蝕深度H1。由表1可知，熱鍍鋅板試驗(yàn)后平均腐蝕深度為10.3 μm，鋅鋁鎂板只有2.9 μm。

圖1 336 h腐蝕深度試驗(yàn)后的熱鍍鋅板(a)和鋅鋁鎂板(b)Figure 1 Hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b) after 336-hour corrosion depth test

表1 腐蝕深度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of corrosion depth test

式中H0為試驗(yàn)前鋼板原始厚度，m0為試驗(yàn)前鋼板的原始質(zhì)量，m1為試驗(yàn)除銹后鋼板的質(zhì)量。

1.2 紅銹出現(xiàn)時(shí)間試驗(yàn)

先使用酒精進(jìn)行板面除油，然后使用帕卡MU320A防銹油對(duì)板面重新涂油，晾至24 h后按GB/T 1771–2007進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，每隔24 h觀察板面。如圖2所示，熱鍍鋅板在96 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹，鋅鋁鎂板在336 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹。

圖2 出現(xiàn)紅銹的熱鍍鋅板(a)和鋅鋁鎂板(b)板面Figure 2 Hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b) with red rust

1.3 切口腐蝕試驗(yàn)

板材沖孔(直徑20 mm)后先使用酒精進(jìn)行板面除油，然后使用帕卡MU320A防銹油對(duì)板面重新涂油，晾至24 h后按GB/T 1771–2007進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，每隔24 h觀察板面沖孔切口邊緣的紅銹情況。如圖3所示，熱鍍鋅板從96 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹，鋅鋁鎂板從336 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹。

圖3 熱鍍鋅板(a)和鋅鋁鎂板(b)的切口腐蝕Figure 3 Corrosion of punched holes in hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b)

1.4 焊接腐蝕試驗(yàn)

板材搭接進(jìn)行點(diǎn)焊及弧焊，以酒精除油后使用帕卡MU320A防銹油重新涂油，晾至24 h后按GB/T 1771–2007進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，每隔24 h觀察板面焊點(diǎn)及焊縫處的紅銹情況。如圖4和圖5所示，熱鍍鋅板上的焊點(diǎn)從96 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹，鋅鋁鎂板的焊點(diǎn)從336 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹；熱鍍鋅板的焊縫從48 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹，鋅鋁鎂板的焊縫從120 h開(kāi)始出現(xiàn)紅銹。

圖4 熱鍍鋅板(a)和鋅鋁鎂板(b)的焊點(diǎn)腐蝕Figure 4 Corrosion of solder joints on hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b)

圖5 熱鍍鋅板(a)和鋅鋁鎂板(b)的焊縫腐蝕Figure 5 Corrosion of weld on hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b)

1.5 膜下腐蝕試驗(yàn)

鋼板分別進(jìn)行2種前處理，電泳后的板面劃線并按Q/JL J130006《加速模擬大氣腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行1 008 h加速腐蝕試驗(yàn)。表2給出的結(jié)果顯示，2種鍍層的膜下腐蝕程度相當(dāng)。

表2 膜下腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Result of under-film corrosion test

1.6 腐蝕機(jī)理

從腐蝕深度、紅銹出現(xiàn)時(shí)間、切口腐蝕、焊接腐蝕等試驗(yàn)結(jié)果可知，鋅鋁鎂鍍層對(duì)基體金屬的防腐能力遠(yuǎn)優(yōu)于熱鍍純鋅，其原因?yàn)椋簾徨兗冧\鍍層鋼板的腐蝕產(chǎn)物以ZnO為主，ZnO為疏松的半導(dǎo)體，在腐蝕溶液中極易脫落，不具備對(duì)基底金屬的防腐性能；而鋅鋁鎂鍍層中的Mg元素可降低腐蝕液的OH?濃度，抑制腐蝕初始產(chǎn)物Zn(OH)2向ZnO轉(zhuǎn)化，腐蝕產(chǎn)物主要是致密的ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O和Zn4CO3(OH)6·H2O，且ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O具有優(yōu)良的絕緣性，可延緩腐蝕進(jìn)程[1]。2種鋼板的腐蝕過(guò)程如圖6所示。

圖6 熱鍍鋅板及鋅鋁鎂板平面腐蝕示意圖Figure 6 Schematic diagram of general corrosion of hot-dip galvanized steel sheet and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet

另外，鋅鋁鎂鍍層中的合金元素在大氣腐蝕環(huán)境中形成可溶于水的離子，隨著液膜流動(dòng)逐漸覆蓋切口(如圖7所示)，形成狀態(tài)穩(wěn)定的保護(hù)膜，覆蓋切口位置的紅銹，因此顯著提高了切口的耐蝕性。

圖7 熱鍍鋅板及鋅鋁鎂板切口腐蝕示意圖Figure 7 Schematic diagram of corrosion at cuts of hot-dip galvanized steel sheet (a) and Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet (b)

膜下腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋅鋁鎂鍍層鋼板及熱鍍鋅鋼板的膜下腐蝕擴(kuò)散結(jié)果相當(dāng)。這主要是因?yàn)?種鍍層板材電泳后腐蝕擴(kuò)散以電泳膜起泡為主，漆膜劃線處裸露的鍍層(鋅鋁鎂鍍層或純鋅鍍層)作為陽(yáng)極開(kāi)始電化學(xué)腐蝕，保護(hù)了基體金屬，但2種鍍層的平面腐蝕速率相當(dāng)，因此表現(xiàn)出膜下腐蝕程度相當(dāng)。

2 涂裝性試驗(yàn)

涂裝性試驗(yàn)主要考察鋅鋁鎂板在汽車涂裝前處理、電泳處理過(guò)程中的施工性及其對(duì)漆膜外觀與性能的影響，是新鋼板導(dǎo)入時(shí)重要的評(píng)價(jià)項(xiàng)目之一。

2.1 脫脂性試驗(yàn)

鋅鋁鎂板在帕卡SF-2070脫脂液主要參數(shù)(游離堿度、槽液溫度)的上、下限交叉條件下，按Q/JL J125004《車身用涂裝前處理材料及轉(zhuǎn)化膜技術(shù)規(guī)范》要求進(jìn)行脫脂性驗(yàn)證。由表3可知，脫脂效果、刻蝕率、脫脂后板面外觀等方面的評(píng)價(jià)均合格。

表3 鋅鋁鎂板脫脂性試驗(yàn)Table 3 Degreasing test of Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet

2.2 磷化性驗(yàn)證

鋅鋁鎂板在實(shí)驗(yàn)室按表4所列前處理工藝進(jìn)行處理，處理完成后評(píng)價(jià)磷化膜性能。結(jié)果顯示，鋅鋁鎂板與磷化配套性能好，磷化膜外觀均勻致密，結(jié)晶覆蓋率為100%，結(jié)晶尺寸為4 μm，膜重為2.8 g/m2，耐堿后膜重?fù)p失率為3.5%，產(chǎn)渣量為1.2 g/m2，符合Q/JL J125004的要求。

表4 實(shí)驗(yàn)室前處理處理工藝Table 4 Pretreatment process in laboratory

另外，模擬鋅鋁鎂鍍層因刻蝕而向磷化液帶入金屬離子，考察磷化膜性能受到的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著Al、Mg離子濃度在磷化液中升高，膜重與耐堿試驗(yàn)后的膜重?fù)p失率均符合Q/JL J125004要求。試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表5和圖8。

圖8 鋅鋁鎂板堿蝕試驗(yàn)前(a)、后(b)磷化膜的SEM照片F(xiàn)igure 8 SEM images of phosphating film on Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet before (a) and after (b) alkali corrosion test

表5 鋅鋁鎂板鍍層金屬被帶入磷化液后對(duì)磷化膜性能的影響Table 5 Effect of incorporation of metals from Zn–Al–Mg alloy coating into phosphating bath on properties of phosphating film

2.3 電泳性驗(yàn)證

與關(guān)西LB-810電泳漆配套試驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)表6)顯示，鋅鋁鎂板的施工性、電泳后漆膜外觀及性能與熱鍍鋅板相當(dāng)，說(shuō)明其電泳涂裝性良好。

表6 鋅鋁鎂板與電泳漆的配套性能Table 6 Compatibility of Zn–Al–Mg alloy coated steel sheet with electrophoretic paint

3 結(jié)論

鋅鋁鎂鍍層具有優(yōu)異的金屬防腐能力，從時(shí)間維度評(píng)價(jià)，其防腐能力是熱鍍純鋅鍍層的2倍以上，主要是因?yàn)殇\鋁鎂鍍層的腐蝕產(chǎn)物致密、絕緣，可以延緩基體金屬的腐蝕；同時(shí)鋅鋁鎂板的涂裝性優(yōu)良，與熱鍍鋅板無(wú)異。基于此，鋅鋁鎂鍍層鋼板可以滿足車身防腐及涂裝性要求。