汽車用鋅鋁鎂鍍層板應用技術性能分析及評估

姜發(fā)同，劉旭亮，袁超，陳兆欣，郭秋彥

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336）

前言

20世紀90年代，為了實現(xiàn)鍍層板性能的進一步提升[1]，日本日新制鋼和新日鐵在現(xiàn)有的鍍層板生產(chǎn)線的工藝基礎上開始進行新型鍍層板的研究和開發(fā)，并成功商業(yè)化生產(chǎn)出鋅鋁鎂（ZM）鍍層產(chǎn)品，此時開發(fā)的大多產(chǎn)品中Al、Mg含量較高（Mg高于3 %、或者Al高于3.7 %），表面質(zhì)量較差，主要用于建筑行業(yè)。20世紀90年代以后，國外各大鋼鐵公司，如安賽樂米塔爾、蒂森、塔塔鋼鐵以及新日鐵陸續(xù)成功開發(fā)了一系列低鋁低鎂系列ZM鍍層產(chǎn)品（Mg含量不高于3.0 %、Al含量不高于3.7 %），產(chǎn)品表面質(zhì)量能夠達到汽車內(nèi)板件表面等級要求[2-4]。目前，國內(nèi)寶武、首鋼等鋼廠也成功開發(fā)出汽車用鋅鋁鎂鍍層鋼板。

由于其具備耐蝕性優(yōu)異、耐磨損、加工性能良好等特點，在其鍍層減薄后可明顯降低材料的使用成本，ZM得到了越來越多汽車主機廠的青睞。但ZM鍍層產(chǎn)品同其他鍍鋅類鋼板一樣，易受低熔點金屬鍍層的影響，在電弧電焊中，容易出現(xiàn)飛濺和氣孔的增加以造成強度下降[5]。另外，鍍層的減薄也容易影響材料的耐腐蝕能，因此有必要對鋅鋁鎂鍍層汽車板的耐腐蝕性能與焊接性能進行研究。

本文以某鋼廠生產(chǎn)的純鋅鍍層與鋅鋁鎂鍍層DC56D為研究對象，以中性鹽霧試驗評價其耐腐蝕性能，以焊接工藝窗口，評估其焊接性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

0.8 mm厚度的鍍鋅DC56D+Z50/50和鍍鋅鋁鎂DC56D+ZM35/35。

1.2 耐蝕性測試方法

試樣尺寸：100 mm*150 mm*2 mm

實驗方法：中性鹽霧腐蝕，參照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》，持續(xù)480 h，記錄不同時間段板材腐蝕形貌。

為了了解兩種材料本身和其在車身上的耐腐蝕性能，試驗采用板材的兩種形態(tài)，即無涂漆板與涂漆板。對于無涂漆板，其耐蝕性主要是反映鍍層對基體的保護作用；對于涂漆板，主要是為了評估車輛在油漆損壞后的其表面耐腐蝕性能，該性能不僅受鍍層影響，也會受到鍍層與油漆之間的結合能力、油漆的防銹能力等因素的影響。

1.3 焊接性測試方法

試樣尺寸：30 mm*120 mm*2 mm

試驗標準：按照GWS-5A標準，開展焊接工藝窗口對比測試；最小焊點直徑4.0 mm，采用16×23/Φ6的電極帽，電極材質(zhì)為鉻鋯銅。

試驗過程：按照中心對準原則安裝焊接電極頭，并在開始焊接前將電極頭壓緊。并用復印紙檢查電極頭對中性，焊前進行50個點的預打點，使電極頭處于工作狀態(tài)。

可焊性范圍是通過建立最小焊核尺寸曲線和飛濺發(fā)生曲線而得到的。最小焊核尺寸曲線由A、B、C三點組成。這些位置代表在三種不同焊接時間下能夠獲得最小焊核尺寸的焊接電流。這三種焊接時間分別為最大焊接時間（一個脈沖，260 ms），正常焊接時間（一個脈沖，230 ms），最小焊接時間（一個脈沖，200 ms）。飛濺產(chǎn)生曲線是通過增加焊接電流（增幅200 A）直到在第二個焊點上有飛濺產(chǎn)生而建立的。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結果

2.1 耐蝕試驗結果

無涂漆板耐蝕性試驗結果如表2所示，隨著試驗時間的延長ZM表面白銹越來越多，但未出現(xiàn)紅銹，而GI表面則是紅銹越來越多，最終幾乎覆蓋整個表面。

表2 無涂漆板耐蝕性對比

120 h：GI50/50紅銹大量出現(xiàn)；ZM鍍層表面為白銹，無紅銹出現(xiàn)。

240 h：GI50/50紅銹大量出現(xiàn)，這表明GI50/50鍍層已銹穿，ZM鍍層表面仍為白銹。

480 h：GI50/50紅銹面積進一步增加，ZM鍍層表面仍為白銹，未見紅銹。

從無涂漆板中性鹽霧測試結果來看：ZM鍍層對鋼材基體的保護性遠好于純鋅。究其原因主要為： Zn-Mg鍍層上堿式氯化鋅的穩(wěn)定性比其在純Zn鍍層上的更高。在整個腐蝕過程中，堿式氯化鋅都穩(wěn)定存在于Zn-Mg鍍層上，而Zn鍍層上，僅在試驗的早期階段可觀察到堿式氯化鋅的存在，這是由于Mg（OH）2的析出，而使pH值保持在 10.2 左右，同時 Mg2+與碳酸根優(yōu)先反應生成MgCO3，因而從系統(tǒng)中去除了碳酸根離子，穩(wěn)定了堿式氯化鋅和其他Zn基腐蝕產(chǎn)物。

涂漆板耐蝕性如表3，可見：ZM鍍層最大單側腐蝕擴展寬度為6.5 mm，GI50/50為5.5 mm，電泳涂漆后ZM在中性鹽霧中的腐蝕行為與GI板類似，均會在早期出現(xiàn)劃痕周邊嚴重的起泡現(xiàn)象。

表3 涂漆板耐蝕性對比

2.2 焊接試驗結果

焊接工藝窗口見圖1，所選三個焊接時間下，兩者均能滿足電流范圍均大于 GWS - 5A 中1.0 kA 的要求，DC56D+Z的焊接工藝窗口與DC56D+ZM相比較寬，見表4、5。

圖1 GI和ZM焊接工藝窗口對比

表4 GI可焊性范圍

兩種材料鍍層厚度相近，由于鋅鋁鎂鍍層含有少量鋁，焊接過程中熔化進行焊縫，形成脆性金屬間化合物Fe-Al，造成焊縫性能較純鋅鍍層稍微偏低。因此，DC56D+Z的焊接工藝窗口與DC56D+ZM相比較寬。兩種材料焊接工藝窗口均大于1 kA，焊接性能滿足GWS-5A的要求。

表5 ZM可焊性范圍

3 結論

本文對鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層鋼板的耐腐蝕性能、焊接性能進行了對比研究，結論如下：

1）ZM和GI板在無涂漆狀態(tài)下的耐蝕性評估上，ZM鍍層板耐蝕性（SST）是GI板的2倍以上；在涂漆狀態(tài)下， ZM的表面耐腐蝕性能與GI基本一致。

2）ZM與GI板電流范圍均大于GWS-5A中1.0 kA的要求，但ZM的焊接工藝窗口比GI的窄0.5 kA左右。