鋅鋁鎂鍍層鋼板耐腐蝕性能研究

劉旭亮，劉云，孫震，李衛(wèi)紅，袁超，姜發(fā)同，竇瑞華

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

引言

隨著國家雙碳政策的頒布，碳減排成為各家主機(jī)廠研究的重點(diǎn)方向。而對(duì)于汽車行業(yè)用量巨大的鋼板來說，提高其耐腐蝕性能以延長(zhǎng)其使用壽命，也是碳減排的一個(gè)方向。目前汽車行業(yè)常用的鋼板類型有裸板（UC）、熱鍍純鋅鋼板（GI）、鋅鐵合金鋼板（GA）和電鍍鋅鋼板（EG）。近年來新開發(fā)了一種合金鍍層，在鋅的基礎(chǔ)上加入鋁和鎂，即鋅鋁鎂鍍層，其耐腐蝕性能優(yōu)異[1,2]。其中有中Al 含量的鍍層，如新日鐵的Super Dyma，其鋁含量為11 %（wt %，下同）；也有低Al 含量的鍍層，如奧鋼聯(lián)的Corrender，其鋁含量為2 %[3,4]。不同鋅鋁鎂鍍層的鎂含量都不超過3 %。因?yàn)楫?dāng)鎂含量超過3 %后，凝固時(shí)出現(xiàn)二次結(jié)晶的粗粒MgZn2，會(huì)降低其耐腐蝕性能[5]。國內(nèi)的寶鋼、首鋼等鋼鐵公司也發(fā)布了低鋁含量的鋅鋁鎂鍍層鋼板標(biāo)準(zhǔn)，鋁的含量控制在3 %以內(nèi)，鎂的含量控制在2 %以內(nèi)。同時(shí)，吉利、長(zhǎng)城、長(zhǎng)安等國內(nèi)主機(jī)廠也紛紛研究其在汽車上的應(yīng)用。

為了驗(yàn)證鋅鋁鎂鍍層的耐腐蝕性能，以及其在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景，本文對(duì)比研究了鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板的耐腐蝕性能以及在整車廠涂裝車間磷化電泳后的耐腐蝕性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用國內(nèi)某鋼廠相同冷軋基板的熱鍍鋅鋁鎂鍍層（ZM 50/50）和熱鍍純鋅鍍層（GI 50/50）鋼板，鋅鋁鎂鍍層各化學(xué)元素的重量百分比如表1。

表1 鋅鋁鎂鍍層主要化學(xué)成分(wt/%)

如圖1 所示，鋅鋁鎂鍍層由富Zn 相、Zn-MgZn2二元共晶和Zn/Al/MgZn2三元共晶組織組成[6]，其中較粗大的是二元共晶組織，較細(xì)密的是三元共晶組織。MgZn2比純鋅具有更低的陽極溶解電流，因此可以提升耐腐蝕性能。鋅鋁鎂鍍層還具有較高的硬度和較低的摩擦系數(shù)，在汽車零件的沖壓過程中減少開裂和劃傷的風(fēng)險(xiǎn)，提高沖壓成型的良品率，同時(shí)能夠減少在沖壓過程中的掉鋅量和模具的清洗保養(yǎng)次數(shù)。這也是鋅鋁鎂鍍層鋼板能在汽車行業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

圖1 鋅鋁鎂和純鋅鍍層形貌

1.2 試驗(yàn)方法

本次采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)（NSS）對(duì)鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板的耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比研究，試驗(yàn)過程符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》。

鋼板磷化電泳是在我司某整車制造基地涂裝車間對(duì)兩種鋼板同時(shí)進(jìn)行掛片隨車磷化和電泳，電泳層厚度為20 um 左右。隨后采用專業(yè)劃線工具對(duì)鋼板表面進(jìn)行劃線處理，劃線穿透整個(gè)涂層，直至露出金屬基體，劃線寬度為0.5 mm，再進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中采用Imager.M2m 金相顯微鏡和FEI teneo掃描電子顯微鏡等設(shè)備，分析截面形貌、腐蝕深度等，確認(rèn)其耐腐蝕性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原鋼板的耐腐蝕性能

圖2所示為鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層鋼板在中性鹽霧腐蝕的表面形貌，試驗(yàn)時(shí)間分別是14 d、28 d 和42 d。從圖中可以看出，在中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行到14 d 時(shí)，鋅鋁鎂鍍層鋼板還沒有出現(xiàn)紅銹，而此時(shí)純鋅鍍層鋼板表面絕大部分已被紅銹所覆蓋。而當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到28 d 時(shí)，鋅鋁鎂鍍層鋼板表面僅僅出現(xiàn)少量的紅銹，而純鋅鍍層的表面已經(jīng)全部被紅銹覆蓋。42 d 后，純鋅鍍層的鋼板表面已堆積了一層較厚的紅銹，而鋅鋁鎂鍍層鋼板表面的紅銹還不到50 %。如圖3 時(shí)間所示，96 h 后純鋅鍍層開始出現(xiàn)紅銹，而鋅鋁鎂鍍層直到432 h 才開始出現(xiàn)紅銹。結(jié)果表明，相同鍍層厚度的鋅鋁鎂鍍層鋼板出現(xiàn)紅銹的時(shí)間是純鋅鍍層的4 倍以上，可見其耐腐蝕性能優(yōu)于純鋅鍍層。

圖2 中性鹽霧腐蝕后的鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層鋼板表面形貌

圖3 出現(xiàn)紅銹時(shí)間

圖4為中性鹽霧腐蝕42 d 后，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層鋼板截面的腐蝕形貌。由圖4（a）和圖4（c）可知，兩種鋼板表面都覆蓋一層氧化物。但腐蝕截面進(jìn)一步放大，如圖4（b）和圖4（d）所示，可以看出純鋅鍍層的表面已經(jīng)被腐蝕出大小不一的凹坑，最大深度達(dá)到81 um，而鋅鋁鎂鍍層的表面還是比較平整，腐蝕深度僅為20 um，腐蝕深度如圖5 所示。這是因?yàn)殇\鋁鎂鍍層表面腐蝕產(chǎn)物是比純鋅鍍層的氧化產(chǎn)物更為致密的堿式氯化鋅[7]，它能夠延緩疏松的氧化鋅的生成，因此能夠保護(hù)基體防止進(jìn)一步的腐蝕。

圖4 中性鹽霧腐蝕后截面腐蝕形貌

圖5 鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板的腐蝕深度

2.2 磷化電泳后的鋼板耐腐蝕性能

圖6是鋼板經(jīng)過磷化電泳后進(jìn)行劃線處理，再進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)42 d 后的表面形貌。從圖中可以看出純鋅鍍層在劃線處出現(xiàn)大面積的脫落，其單邊最大擴(kuò)蝕寬度達(dá)到9.7 mm，平均擴(kuò)蝕寬度為5.9 mm.而鋅鋁鎂鍍層在劃線處僅出現(xiàn)點(diǎn)狀脫落，其單邊最大擴(kuò)蝕寬度為2.9 mm，平均擴(kuò)蝕寬度僅為1.1mm，擴(kuò)蝕寬度如圖7 所示。這是由于鋅鋁鎂鍍層在斷口處具有自愈合功能，斷口旁邊的鍍層發(fā)生腐蝕并逐漸覆蓋斷口，促進(jìn)致密且狀態(tài)穩(wěn)定的保護(hù)膜的生成，以保護(hù)斷口防止進(jìn)一步的腐蝕。

圖6 電泳后腐蝕形貌

圖7 鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板經(jīng)電泳處理后的擴(kuò)蝕寬度

3 結(jié)論

本文對(duì)鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層鋼板的耐腐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)論如下：

1）中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)中，純鋅鍍層鋼板出現(xiàn)紅銹的時(shí)間是96 h，鋅鋁鎂鍍層鋼板出現(xiàn)紅銹的時(shí)間是432 h，為純鋅鍍層鋼板的4 倍以上。中性鹽霧試驗(yàn)42 d 后，純鋅鍍層的最大腐蝕深度為81 um，而鋅鋁鎂鍍層僅有2 um，是純鋅鍍層的1/4。

2）中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)42 d 后，磷化電泳后的純鋅鍍層鋼板的單邊擴(kuò)蝕寬度為5.9 mm，而鋅鋁鎂鍍層鋼板僅有1.1 mm，僅為純鋅鍍層的1/5 左右。

由此可見，鋅鋁鎂鍍層鋼板比純鋅鍍層鋼板具有更加優(yōu)異的耐腐蝕性能，在汽車行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。