热浸镀锌铝镁与纯锌镀层钢板成形性能对比研究

单 梅，葛 浩，崔 磊 ，何丹丹

(马鞍山钢铁股份有限公司 技术中心 安徽马鞍山 243000)

为适应汽车高耐蚀性能的要求，中高端汽车车身一般选用镀层钢板，镀锌板具有优良的耐大气腐蚀性能，早期的镀层钢板以镀锌板为主。为了开发出更高耐蚀性能的镀层钢板，在镀锌板的基础上添加Al和Mg等合金镀层元素形成锌铝镁镀层产品[1]-[2]，锌铝镁镀层有更优的耐蚀性、耐磨性和涂装等性能，被广泛应用。欧洲的研究人员在汽车车身上成功应用了锌铝镁镀层板并研发了多种组合成分的锌铝镁镀层产品成功应用于汽车车身[3]-[7]。前期，关于锌铝镁镀层的研究主要集中在镀层分析、耐蚀性、焊接、胶粘和涂装等方面[8]-[11]，而与实际冲压成形紧密相关的表面形貌、摩擦系数等方面的研究相对较少。本文以连续热镀锌生产线生产的纯锌和锌铝镁镀层钢板为研究对象，研究了纯锌镀层和锌铝镁镀层的表面摩擦系数和拉延成形性能对比情况。

1 材料和方法

1.1 试验用材料

试验用钢基板为厚度0.65毫米的H180YD，试验材料为连续热镀锌产线生产的纯锌镀层钢板(Z)和锌铝镁镀层钢板(ZAM)。

1.2 试验方法

模拟拉延试验：将试样加工成长400 mm，宽40 mm的长条状，在型号为AG-X的DRAWBEAD模拟试验机上进行模拟拉延，模拟拉伸控制变量为侧压力，其余参数相同，侧压力采取4 MPa、5 MPa、7 MPa和9 MPa，试验模具采用自制拉延筋方5#模具，拉延速度1000 mm/min，拉延距离150 mm，同时收集脱落的金属粉末，试验编号与参数如表1所示。每个侧压力采取一根试样多次拉延模式，一次拉延后回到开始位置继续下一次拉延，直至达到试验钢拉延极限。

表1 试验钢模拟拉延参数和试样编号

摩擦系数测量：将试样加工成200*200 mm，在用酒精彻底去除试样表面油污等杂质。使用型号为9505DF1的滑度仪，试验法向载荷统一为2kg，试验拉速为508 mm/min。

粗糙度测量：使用型号为HO mmEL T8000R的波纹度仪，正反面各取3个点进行粗糙度测量。

扫描电镜观察：对模拟拉延后极限的试验钢取样，利用SEM对试样进行表面形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 纯锌与锌铝镁镀层表面摩擦系数和表面粗糙度对比

表2为纯锌镀层和锌铝镁镀层试验钢的表面摩擦系数对比情况，表3数据表明镀层相同时延轧向和垂直轧向表面摩擦系数差别不大，但锌铝镁镀层产品比纯锌镀层产品表面摩擦系数偏小约8%。表面摩擦系数越低，则表面润滑性能越好，因此，锌铝镁镀层比纯锌镀层的表面润滑性好。

表3为纯锌镀层和锌铝镁镀层试验钢的表面粗糙度对比情况，表4数据表明纯锌镀层和锌铝镁镀层表面粗糙度相当。

表2 试验钢表面摩擦系数测量值/(μ)

表3 试验钢表面粗糙度测量值

2.2 纯锌与锌铝镁镀层拉延对比

图1为试验钢在不同侧压力下的拉延行程载荷曲线。从图中数据可看出，随着侧压力的增加锌铝镁镀层(ZAM)和纯锌镀层(Z)试验钢的拉延极限次数均降低。当侧压力为4MPa时如图1(a)和(b)，锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢均为连续拉延12次达到极限次数。锌铝镁镀层的拉延行程载荷曲线更平滑，在第11次拉延出现波动，但是纯锌镀层在第9次拉延就出现波动。当侧压力为5MPa时如图1(c)和(d)，锌铝镁镀层试验钢在连续拉延7次达到极限，7次拉延的行程载荷曲线均平稳，未出现随行程增加载荷增加的现象。而纯锌镀层试验钢在连续拉延7次后，第7次的行程载荷曲线，随着拉延行程的增加，载荷逐渐上升。当侧压力为7MPa时如图1(e)和(f)，锌铝镁镀层试验钢在连续拉延6次达到拉延极限次数，前5次拉延的行程载荷曲线均平稳，第6次拉延的行程载荷曲线出现波动，而纯锌镀层试验钢在连续拉延5次时达到拉延极限次数，且第4次拉延载荷曲线出现波动，第5次拉延曲线波动很大，随着行程的增加，载荷逐渐上升且上升幅度加大。当侧压力为9MPa时如图1(g)和(h)，锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢均为连续拉延4次即达到极限次数。锌铝镁镀层试验钢在连续拉延4次拉延的行程载荷曲线均平稳，而纯锌镀层试验钢在连续拉延3次开始，随着行程的增加，载荷逐渐上升。

图2为锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢在不同侧压力下多次拉延后金属粉末脱落情况。从图可观察到，在侧压力相同时，连续拉延次数相同的情况下，锌铝镁镀层试验钢比纯锌镀层试验钢金属粉末脱落量少，如当侧压力为4MPa时，锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢的拉延极限次数均为12次，锌铝镁镀层试验钢的金属粉末脱落量明显比纯锌镀层试验钢的金属粉末脱落量少。

图3为锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢在7MPa侧压力下多次拉延后宏观和表面形貌SEM图片对比，图4为锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢不同侧压力下多次拉延后表面扫描微观形貌对比。从图可观察到，两种镀层试验钢在多次拉延试验后，表面均存在拉延痕迹，微观上均存在镀层被破坏。在侧压力相同时，锌铝镁镀层试验钢比纯锌镀层试验钢表面拉痕少，镀层表面被破坏程度低。

图1 不同镀层试验钢不同侧压力下多次拉延行程载荷曲线

图2 试验钢不同侧压力下多次拉延金属粉末脱落情况

图3 不同镀层试验钢7MPa侧压力下多次拉延后表面形貌对比

图4 不同镀层试验钢不同侧压力下多次拉延后表面扫描微观形貌对比

3 结论

锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢表面粗糙度相当，锌铝镁镀层比纯锌镀层试验钢表面摩擦系数偏小约8%。表面摩擦系数越低，则表面润滑性能越好，因此，锌铝镁镀层比纯锌镀层的表面润滑性好。

随着侧压力的增加锌铝镁镀层和纯锌镀层试验钢拉延极限次数降低。当侧压力相同拉延次数相同时，锌铝镁镀层比纯锌镀层的拉延稳定性好，拉延后试验钢表面金属粉末脱落量少，且镀层表面被破坏程度小。因此，锌铝镁镀层比纯锌镀层试验钢的成形性能更优。