蔣光銳 鄭學(xué)斌 趙曉非 張永強(qiáng) 黎敏

（1.首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院，北京100043；2.綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100043）

1 前言

上世紀(jì)80年代末，日本研究人員開(kāi)始研究在傳統(tǒng)純鋅鍍層中添加微量的Mg元素，以提高鍍層的耐腐蝕能力[1-2]。隨后，Nisshin公司和Nippon Steel公司先后開(kāi)發(fā)了商業(yè)化的鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品[3-4]。這些鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品鍍層中Al元素含量為6%～11%，Mg元素含量為3%，具有優(yōu)異的大氣耐腐蝕性能[5-7]，在建筑行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。隨后，歐洲的研究者將鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品嘗試應(yīng)用在汽車(chē)車(chē)身上[8-11]，開(kāi)發(fā)出了多種適用于汽車(chē)車(chē)身制造的鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品[9,11-14]，鍍層中的Al元素含量范圍為1%～3%，Mg元素含量范圍為1%～2%。BMW公司在此方面進(jìn)行了大量的應(yīng)用研究[15]，認(rèn)為鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品具有優(yōu)異耐蝕性能和耐磨特性，并且已經(jīng)用于制造車(chē)身內(nèi)外覆蓋件[16]。Volvo公司也研究了鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品在汽車(chē)車(chē)身制造上的應(yīng)用，認(rèn)為這種鍍層具有更低的摩擦系數(shù)，有利于零件沖壓成形，并成功用于制造車(chē)身翼子板零件[17]。

目前，德國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)已經(jīng)將鋅鋁鎂鍍層納入其材料標(biāo)準(zhǔn)中，其中主要規(guī)定了鋅鋁鎂鍍層的合金元素含量，鋁含量為1%～3%，鎂含量為1%～2%。在這個(gè)范圍內(nèi)，認(rèn)為鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層具有良好的兼容性。

首鋼集團(tuán)有限公司從2016年開(kāi)始開(kāi)發(fā)鋅鋁鎂鍍層鋼板產(chǎn)品，在鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品專(zhuān)利分布[18]、鍍層耐腐蝕特性[19-20]、微觀組織[21-22]、生產(chǎn)工藝[23-24]、鍍層分析[25]等方面進(jìn)行了研究，并于2017年生產(chǎn)出鋅鋁鎂鍍層鋼板，已經(jīng)批量用于汽車(chē)車(chē)身制造[26]。目前，國(guó)內(nèi)部分汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)也開(kāi)始對(duì)鋅鋁鎂鍍層在車(chē)身上的應(yīng)用前景進(jìn)行研究[27-29]，在材料成形、涂裝質(zhì)量等方面進(jìn)行了探索。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)不同鍍層材料在汽車(chē)車(chē)身上的使用特性尚缺少完整的研究。本研究將著重比較純鋅鍍層材料（GI）與鋅鋁鎂鍍層材料（ZM）的鍍層特點(diǎn)及其在汽車(chē)上的使用特性。鋅鋁鎂鍍層材料的優(yōu)異耐腐蝕特性和成形特性的主要優(yōu)點(diǎn)在本研究中將得到充分體現(xiàn)。此外，還將討論不同鍍層材料在焊接、膠接、涂裝等方面的表現(xiàn)。

2 材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為連續(xù)熱鍍鋅產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的純鋅鍍層鋼板（Z）、鋅鐵合金鍍層鋼板（ZF）和鋅鋁鎂鍍層鋼板（ZM）。

2.2 鍍層表征方法

采用維氏顯微硬度計(jì)（PM-7）分析鍍層的顯微硬度，加載力為0.245 N，在每種樣品表面打5個(gè)點(diǎn)，以5個(gè)點(diǎn)的平均值作為該鍍層的平均顯微硬度。采用掃描電鏡（HITACHI S-3400N）分析鍍層的微觀顯微組織，掃描電鏡的加速電壓為15 kV。采用掃描電鏡附屬的電子能譜分析儀分析鍍層不同位置的化學(xué)元素組成。采用輝光放電光譜儀（GDS850A）分析鍍層中的合金元素含量的深度分布。

2.3 成形試驗(yàn)方法

2.3.1 往復(fù)式摩擦實(shí)驗(yàn)

使用MWF-2往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)鍍層鋼板表面摩擦磨損特性。將試驗(yàn)材料加工為20 mm×70 mm的試驗(yàn)用樣片，用無(wú)水乙醇清除表面油污，然后夾持在往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)載物臺(tái)上，按照表1所示的參數(shù)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，記錄摩擦系數(shù)曲線(xiàn)，計(jì)算不同摩擦階段的摩擦因數(shù)。

表1 往復(fù)式摩擦試驗(yàn)參數(shù)

2.3.2 平板滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4286—2012《金屬材料薄板和薄帶摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》進(jìn)行鍍鋅鋼板動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量。試驗(yàn)所采用的材料牌號(hào)分別為DX56D+Z和DX56D+ZM，試樣厚度均為0.7 mm。試驗(yàn)過(guò)程試樣尺寸為45 mm×500 mm，法向夾持力設(shè)定為4 000 N，滑動(dòng)速度為150 mm/min，滑動(dòng)距離為100 mm。每次試驗(yàn)前對(duì)模具進(jìn)行清理及拋光，并去除試樣邊部毛刺。

2.3.3 模擬沖壓試驗(yàn)

采用200 t模擬沖壓機(jī)（TGQXC-2000Z）進(jìn)行模擬沖壓試驗(yàn)，模擬連續(xù)沖壓條件下鍍層表面的摩擦磨損行為，設(shè)備如圖1所示。對(duì)比試驗(yàn)材料為純鋅鍍層鋼板（DX56D+Z，0.7 mm）和鋅鋁鎂鍍層鋼板（DX56D+ZM，0.7 mm）。將試驗(yàn)材料加工為700 mm×700 mm的沖壓用樣片，表面涂油（帕卡NH550），涂油量為0.5～0.8 g/m2。在模擬沖壓機(jī)連續(xù)沖壓500片，沖壓壓力為2 000 kN，沖壓深度為沖壓前用無(wú)水乙醇擦拭模具，沖壓完成后搜集模具上粘連的金屬粉末，稱(chēng)量金屬粉末的質(zhì)量，以比較2種鍍層材料在沖壓過(guò)程中的剝離程度。

圖1 模擬沖壓機(jī)

2.3.4 零件成形試驗(yàn)

采用某量產(chǎn)SUV車(chē)型后背門(mén)內(nèi)板零件進(jìn)行成形試驗(yàn)，圖2所示為零件的三維形貌，該零件尺寸較大且型面復(fù)雜，零件成形質(zhì)量要求高，容易在背門(mén)開(kāi)關(guān)位置出現(xiàn)沖壓隱裂及開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量零件表面不同位置的材料流入量、安全裕度和減薄率，評(píng)價(jià)鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層材料的成形能力，測(cè)量位置如圖3所示。試驗(yàn)材料為超深沖的IF鋼，厚度為0.65 mm，試驗(yàn)材料力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

圖2 某SUV車(chē)型后背門(mén)內(nèi)板數(shù)模

圖3 材料流入量的測(cè)量位置（1-10）以及安全裕度和減薄率的測(cè)量位置（A-F）

表2 材料成形試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

2.4 腐蝕試驗(yàn)方法

2.4.1 腐蝕試驗(yàn)

采用中性鹽霧試驗(yàn)評(píng)價(jià)鍍層鋼板的耐腐蝕性能。中性鹽霧試驗(yàn)方法滿(mǎn)足GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》，鹽霧溶液為5%NaCl水溶液，試驗(yàn)溫度為35±2℃，試樣尺寸為150 mm×70 mm，試樣與垂直方向成15°，鹽霧沉降量為1.5 mL/h。采用循環(huán)腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)鍍層鋼板的縫隙腐蝕行為和電泳漆涂覆的鍍層鋼板的耐腐蝕性能。循環(huán)腐蝕試驗(yàn)包括PV 1210《Body and Add-on Parts Corro-sion Test》標(biāo)準(zhǔn)和GMW 14872《Cyclic Corrosion Lab-oratory Test》標(biāo)準(zhǔn)兩種試驗(yàn)方法。PV 1210標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧階段采用5%NaCl溶液，一個(gè)循環(huán)周期為24 h，包括4 h鹽霧試驗(yàn)，4 h標(biāo)準(zhǔn)氣候試驗(yàn)和16 h濕熱存放試驗(yàn)。GMW 14872標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧階段采用含有0.9%氯化鈉、0.1%氯化鈣和0.075%的碳酸氫鈉的鹽溶液，一個(gè)循環(huán)周期為24 h，包括8 h鹽霧階段、8 h潮濕階段和8 h干燥階段。

2.4.2 縫隙腐蝕樣片

根 據(jù)SEP 1160《Evaluation of Weldable Corro-sion Protection Primers for the Automotive Industry》標(biāo)準(zhǔn)制備縫隙腐蝕樣片?？p隙腐蝕樣片由鍍層鋼板、覆蓋在鍍層鋼板表面的玻璃片以及玻璃片與鍍層鋼板之間縫隙組成，鍍層鋼板尺寸為150 mm×100 mm，玻璃片的尺寸為100 mm×40 mm，縫隙寬度為0.125 mm?？p隙腐蝕樣片的制備流程為將鍍層鋼板表面清洗干凈，在覆蓋玻璃片位置的鋼板表面貼上40 mm寬的膠帶，然后將樣片涂覆上一層電泳漆；等電泳漆干燥后，撕開(kāi)膠帶，暴露出覆蓋玻璃片位置的鍍層表面；將玻璃片兩側(cè)位置均勻涂覆0.125 mm厚的粘接劑，粘接劑厚度通過(guò)特定厚度的玻璃珠控制，最后將玻璃片與鋼板粘接在一起。

2.4.3 電泳樣片

電泳處理在某汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)進(jìn)行，電泳前處理為凱密特爾磷化工藝，電泳為關(guān)西涂料電泳工藝，電泳膜厚度為18～20μm。電泳處理后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1765—1979《測(cè)定耐濕熱、耐鹽霧、耐候性（人工加速）的漆膜制備法》進(jìn)行表面劃痕處理，用曼沙銳尖式合金鎢鋼頭劃刀在電泳樣片表面進(jìn)行劃痕，劃痕深度達(dá)到基體。

2.5 焊接試驗(yàn)方法

基 于SEP 1220-2《Testing and Documentation Guideline for the Joinability of thin sheet of steel-Part 2:Resistance Spot Welding》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，鋼板材質(zhì)為DP590，厚度為1.5 mm，純鋅鍍層質(zhì)量為100 g/m2，鋅鋁鎂鍍層質(zhì)量為70 g/m2。試驗(yàn)電極壓力4.5 kN，焊接時(shí)間380 ms，通過(guò)改變焊接電流確定焊接工藝窗口，焊核直徑大于（t為鋼板厚度）所對(duì)應(yīng)的電流為最小焊接電流Imin，未發(fā)生焊接飛濺的最大電流為Imax，基于Imin和Imax確定焊接電流工藝窗口?；谧畲蠛附与娏鱅max進(jìn)行電極壽命測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中對(duì)熔核直徑進(jìn)行測(cè)量，直至熔核直徑小于，記錄連續(xù)打點(diǎn)次數(shù)。

2.6 膠接試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用的粘接劑包括結(jié)構(gòu)膠、折邊膠、減震膠和點(diǎn)焊密封膠4種。采用GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)粘接劑的剪切強(qiáng)度。將鍍層鋼板制成100 mm×25 mm的試驗(yàn)樣，膠接長(zhǎng)度為12.5 mm，膠層厚度為0.2 mm，采用玻璃珠控制膠層厚度。膠的固化溫度為155℃，固化時(shí)間為30 min。拉伸試驗(yàn)采用Zwick/Roell Z100拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試，設(shè)備載荷為10 t，拉伸速度為（10±2）mm/min。根據(jù)GB/T 16997—1997《膠粘劑 主要破壞類(lèi)型的表示法》評(píng)價(jià)剪切拉伸破壞位置的破壞類(lèi)型，包括內(nèi)聚破壞（CF）、粘附破壞（AF）、基材分離破壞（DF）、基材內(nèi)聚破壞（CSF）等，并計(jì)算不同破壞類(lèi)型的面積比例。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 鍍層表征

鋅鋁鎂鍍層中包含了多種微觀組織，其中大塊的為初生富鋅相，富鋅相之間存在由Mg-Zn化合物和富鋅相組成的二元共晶組織，以及Mg-Zn化合物、富鋅相和富鋁相構(gòu)成的三元共晶組織，如圖4a所示。其中富鋅相的尺寸約為50μm，而共晶組織中各相的尺寸均小于1μm[24]。共晶組織中的Mg-Zn化合物以MgZn2為主[22]，這種細(xì)小的Mg-Zn化合物的顯微硬度超過(guò)200[30]。X射線(xiàn)能譜分析表明，富鋅相中Zn占95%以上，共晶組織中的Al含量為4%～6%之間，Mg含量為3%～8%之間，如表3所示。鋅鋁鎂鍍層截面的微觀組織如圖4b所示。純鋅鍍層中為均勻的鋅晶粒組織，如圖5所示，在鍍層與鋼板之間存在一層Fe2Al5的抑制層[31]，該抑制層能夠保證純鋅鍍層與鋼基板之間的粘附性。鋅鐵合金鍍層表面為顆粒狀或條狀的Fe-Zn合金相，如圖6a所示。鋅鐵合金鍍層截面包含了多種Fe-Zn相，包括鍍層與鋼板界面位置的Γ相，以及Γ相以上的δ相，如圖6b所示。

表3 鋅鋁鎂鍍層表面不同位置的合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖4 鋅鋁鎂鍍層的微觀組織

圖5 純鋅鍍層的微觀組織

圖6 鋅鐵合金鍍層的微觀組織

3種鍍層樣品的粗糙度相近，但是顯微硬度有顯著差異，如表4所示。純鋅鍍層的顯微硬度HV0.025約為58，鋅鐵合金鍍層的顯微硬度顯著高于純鋅鍍層，達(dá)到256，這是由于鋅鐵合金鍍層中以Fe-Zn化合物為主，F(xiàn)e-Zn化合物的顯微硬度顯著高于純鋅[32]。而鋅鋁鎂鍍層的顯微硬度位于純鋅鍍層和鋅鐵合金鍍層之間，大約為121，這是由于鋅鐵合金鍍層中的Mg-Zn化合物具有較高的硬度，而且Mg-Zn化合物的尺寸通常只有100 nm左右，細(xì)化效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致硬度增加[30]。

表4 純鋅鍍層、鋅鐵合金鍍層和鋅鋁鎂鍍層的表面粗糙度與顯微硬度

3.2 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)

采用中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)比較了鋅鋁鎂鍍層（ZM）與純鋅鍍層（Z）的耐腐蝕性能，其中鋅鋁鎂鍍層材料的鍍層質(zhì)量70 g/m2，純鋅鍍層材料的鍍層質(zhì)量100 g/m2。鋅鋁鎂鍍層材料經(jīng)過(guò)480 h中性鹽霧腐蝕后，表面出現(xiàn)零星的紅色腐蝕產(chǎn)物，而純鋅鍍層材料經(jīng)過(guò)168 h中性鹽霧試驗(yàn)后表面已經(jīng)出現(xiàn)大量的紅色腐蝕產(chǎn)物，如圖7所示。

圖7 中性鹽霧試驗(yàn)后的表面腐蝕形貌

3.2.2 循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

按照PV1210標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行30個(gè)周期循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，電泳樣片劃痕位置的腐蝕形貌如圖8所示，純鋅鍍層電泳樣片劃痕處最大腐蝕擴(kuò)展寬度達(dá)到3.7 mm，而鋅鋁鎂鍍層電泳樣片經(jīng)過(guò)同樣的腐蝕周期后整體腐蝕較輕，最大腐蝕擴(kuò)展寬度為1.6 mm。在該循環(huán)腐蝕條件下，鋅鋁鎂鍍層的電泳膜下腐蝕速度顯著慢于純鋅鍍層。按照GMW14872標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行30個(gè)周期循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，電泳樣片劃痕位置的腐蝕形貌如圖9所示。純鋅鍍層電泳樣片劃痕處最大腐蝕擴(kuò)展寬度達(dá)到3.5 mm，鋅鋁鎂鍍層電泳樣片經(jīng)過(guò)同樣的腐蝕周期后整體腐蝕較輕，最大腐蝕擴(kuò)展寬度為1.5 mm。在該循環(huán)腐蝕條件下，鋅鋁鎂鍍層的電泳膜下腐蝕速度顯著慢于純鋅鍍層。Lebozec等[33]采用Volvo VCS 1027循環(huán)腐蝕試驗(yàn)對(duì)比了純鋅鍍層（10μm）、電鍍鋅鍍層（7μm）、鋅鐵合金鍍層（7μm）和鋅鋁鎂鍍層（7μm）的膜下腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層經(jīng)過(guò)18周循環(huán)腐蝕后，刻痕位置的擴(kuò)展寬度是純鋅鍍層的62%，鋅鐵合金鍍層的83%，電鍍鋅鍍層的66%。因此，鋅鋁鎂鍍層具有優(yōu)異的膜下耐蝕能力。

在進(jìn)行5個(gè)周期GMW 14872標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后，縫隙位置的腐蝕形貌如圖10所示。純鋅鍍層電泳樣片的縫隙位置出現(xiàn)大量的紅銹，除銹后測(cè)量腐蝕坑最深達(dá)到13μm，鋅鋁鎂鍍層電泳樣片的縫隙試樣經(jīng)過(guò)同樣的腐蝕周期后出現(xiàn)少量紅銹，除銹后腐蝕坑最深處為9.8μm。繼續(xù)進(jìn)行10個(gè)周期后，縫隙樣品的腐蝕形貌如圖11所示。純鋅鍍層電泳樣片的縫隙位置出現(xiàn)大量的紅銹，除銹后測(cè)量腐蝕坑最深達(dá)到290μm，鋅鋁鎂鍍層電泳樣片的縫隙試樣經(jīng)過(guò)同樣的腐蝕周期后也出現(xiàn)了大量紅銹，除銹后腐蝕坑最深處為227μm。Prosek等[34]采用Volvo VCS 1027循環(huán)腐蝕試驗(yàn)比較了純鋅鍍層（10μm）和鋅鋁鎂鍍層（7μm）的縫隙腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)6周試驗(yàn)后，鋅鋁鍍層的最大腐蝕深度是純鋅鍍層的30%左右，而經(jīng)過(guò)18周的試驗(yàn)后，鋅鋁鎂鍍層最大腐蝕深度是純鋅鍍層的77%。Lebozec等[33]采用Volvo VCS 1027循環(huán)腐蝕試驗(yàn)對(duì)比了鋅鋁鎂鍍層（7μm）、電鍍鋅鍍層（7μm）和純鋅鍍層（7μm）的縫隙腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層經(jīng)過(guò)12周循環(huán)腐蝕后，最大腐蝕深度是純鋅鍍層的25%左右，電鍍鋅鍍層的36%，鋅鐵合金鍍層的27%，而經(jīng)過(guò)18周的循環(huán)腐蝕后，鋅鋁鎂鍍層的最大腐蝕深度也只有純鋅鍍層的40%，電鍍鋅鍍層的43%，鋅鐵合金鍍層的38%。因此，在縫隙腐蝕環(huán)境下，鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性也優(yōu)于純鋅鍍層材料。

圖8 30個(gè)周期PV1210循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的表面腐蝕形貌

圖9 30個(gè)周期GMW 14872循環(huán)腐蝕試驗(yàn)中的表面腐蝕形貌

圖10 GMW 14872循環(huán)腐蝕試驗(yàn)5個(gè)周期后的表面腐蝕情況

圖11 鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層電泳板的縫隙位置進(jìn)行GMW 14872循環(huán)腐蝕試驗(yàn)10個(gè)周期后的表面腐蝕情況

3.3 成形試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 往復(fù)摩擦試驗(yàn)

純鋅鍍層（Z）、鋅鐵合金鍍層（ZF）和鋅鋁鎂鍍層（ZM）的往復(fù)摩擦試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋅鋁鎂鍍層的摩擦因數(shù)顯著低于純鋅鍍層和鋅鐵合金鍍層，尤其是摩擦?xí)r間較長(zhǎng)后的差異更加明顯。鋅鋁鎂鍍層的摩擦因數(shù)在摩擦過(guò)程中保持穩(wěn)定，約為0.10～0.12。純鋅鍍層的摩擦因數(shù)隨著摩擦的進(jìn)行而顯著增大，當(dāng)摩擦?xí)r間為60 s時(shí)，達(dá)到最大值0.18左右，然后隨著摩擦的進(jìn)行又略有減小。鋅鐵合金鍍層的摩擦因素在摩擦過(guò)程中緩慢增大，開(kāi)始時(shí)的摩擦因數(shù)大約為0.15，隨著摩擦的進(jìn)行逐漸增大到0.18左右。純鋅鍍層摩擦因數(shù)顯著增大的原因可能是由于純鋅鍍層的硬度較小，因此在摩擦過(guò)程中鍍層很容易磨損剝落，導(dǎo)致實(shí)際摩擦面積顯著增大[35]。鋅鐵合金鍍層摩擦系數(shù)較大的主要原因可能是鋅鐵合金鍍層在摩擦?xí)r容易發(fā)生鍍層分化問(wèn)題，粉化的鍍層顆粒夾在摩擦副和鍍層之間，惡化了摩擦界面，提高了摩擦因數(shù)。而鋅鋁鎂鍍層摩擦因數(shù)較低而且穩(wěn)定的主要原因可能是由于鋅鋁鎂鍍層中的細(xì)小Mg-Zn相的硬度較高，而大塊純鋅相的硬度較低，因而在摩擦過(guò)程中摩擦副主要與硬度較高的細(xì)小彌散的Mg-Zn相接觸，形成穩(wěn)定的點(diǎn)接觸摩擦，顯著降低了摩擦因數(shù)。Voestalpine公司比較了純鋅鍍層、鋅鐵合金鍍層與鋅鋁鎂鍍層的摩擦因數(shù)[11,14]，發(fā)現(xiàn)在不同油膜潤(rùn)滑條件下，鋅鋁鎂鍍層的摩擦因數(shù)最穩(wěn)定，而且顯著低于純鋅鍍層和鋅鐵合金鍍層，能夠與表面潤(rùn)滑處理后的鋅鐵合金鍍層相比。

圖12 純鋅鍍層（Z）、鋅鐵合金鍍層（ZF）和鋅鋁鎂鍍層（ZM）的摩擦因數(shù)

3.3.2 平板滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)

純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層平板摩擦滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。鋅鋁鎂鍍層材料的平板滑動(dòng)摩擦因數(shù)平均值為0.109，低于純鋅鍍層材料的0.119。這是由于鋅鋁鎂鍍層的顯微硬度高于純鋅鍍層，拉延過(guò)程中鍍層不易出現(xiàn)粉化或剝落，更有利于深拉延成形。

表5 平板滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 模擬沖壓試驗(yàn)

純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板進(jìn)行模擬沖壓試驗(yàn)后，搜集的模具上的金屬粉末如圖13所示?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，純鋅鍍層鋼板沖壓后模具上的金屬粉末較多，而且呈團(tuán)簇狀，而鋅鋁鎂鍍層鋼板沖壓后模具上搜集的金屬粉末較少，金屬粉末為分散的小顆粒。鋅鋁鎂鍍層鋼板沖壓后搜集的金屬粉末為0.194 g，純鋅鍍層鋼板沖壓后搜集的金屬粉末質(zhì)量為0.698 g，后者是前者的大約3.6倍。純鋅鍍層材料在沖壓時(shí)容易發(fā)生鍍層剝落[36-37]，這是由于純鋅鍍層比較軟，容易與模具發(fā)生粘連。而鋅鋁鎂鍍層的硬度相對(duì)更高，鍍層不容易發(fā)生粘連，沖壓變形時(shí)鍍層中的共晶組織比純鋅相更容易剝落形成金屬粉末，但是共晶組織的比例不超過(guò)20%，因此鋅鋁鎂鍍層在沖壓時(shí)產(chǎn)生的金屬粉末相對(duì)更少。Salzgitter公司采用模擬沖壓的方法對(duì)比了鋅鋁鎂鍍層與熱鍍鋅鍍層和電鍍鋅鍍層材料的鍍層摩擦特性[38]，每種材料進(jìn)行連續(xù)沖壓6 000次，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層材料沖壓后脫落的鋅粉數(shù)量只有熱鍍鋅鍍層材料的三分之一，電鍍鋅鍍層材料沖壓后脫落的鋅粉數(shù)量是熱鍍鋅鍍層材料的二分之一，因此鋅鋁鎂鍍層材料具有最佳的耐磨性能。

圖13 沖壓后模具上搜集的金屬粉末

3.3.4 零件成形試驗(yàn)

材料流入量測(cè)量結(jié)果如圖14所示，其中測(cè)量位置如圖3所示。不同位置的流入距離在27～51 mm之間，鋅鋁鎂材料的流入距離明顯大于純鋅鍍層材料，這表明鋅鋁鎂鍍層材料在成形時(shí)具有更好的流動(dòng)性。由于試驗(yàn)材料的力學(xué)性能與表面粗糙度基本相當(dāng)，因此鋅鋁鎂鍍層的良好流動(dòng)性應(yīng)當(dāng)歸結(jié)于其較低的表面摩擦因數(shù)和更好的耐沖壓摩擦性能。

安全裕度是指某區(qū)域應(yīng)變與成形極限曲線(xiàn)間垂直距離的最小值，可以反映成形的安全裕度。值越大，表示越安全，一般要求值至少大于10%。測(cè)量了零件不同區(qū)域的安全裕度分布以及不同區(qū)域的減薄率分布，分別如圖15和圖16所示，其中測(cè)量位置如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在所有區(qū)域中，鋅鋁鎂鍍層材料的成形安全裕度都大于純鋅鍍層材料，減薄率則小于純鋅鍍層材料。其中，由于鋅鋁鎂鍍層材料的摩擦因數(shù)更小，在深拉延部位流入量大，因此B、C、D、E區(qū)域的最大減薄率小于純鋅材料，最小成形極限值大于純鋅材料，具有更高的成形安全裕度，而在拉延深度相對(duì)較淺的A、F區(qū)，兩者減薄率和成形極限值相差不大。

圖14 鋅鋁鎂鍍層材料（ZM）和純鋅鍍層材料（GI）在不同測(cè)量位置的流入量對(duì)比

圖15 鋅鋁鎂鍍層材料（ZM）和純鋅鍍層材料（GI）的安全裕度對(duì)比

圖16 鋅鋁鎂鍍層材料（ZM）和純鋅鍍層材料（GI）的減薄率對(duì)比

利用鋅鋁鎂鍍層摩擦系數(shù)較低而且穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以用于改善板材在復(fù)雜零件成形過(guò)程中的流動(dòng)性，從而提高零件的局部成型能力。Volvo公司研究對(duì)比了純鋅鍍層材料和鋅鋁鎂鍍層材料在同一個(gè)零件成形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[17,39]，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層材料在變形過(guò)程中的局部主應(yīng)力集中程度顯著降低，成形安全裕度明顯提高。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與之相符。

3.4 涂裝試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)磷化處理后，純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層表面的磷化膜微觀形貌如圖17所示，兩者的磷化膜晶體尺寸均為3～6μm，晶粒致密完整。

采用杯突方法評(píng)價(jià)了電泳漆膜的附著力，杯突高度為6 mm時(shí)，兩種鍍層的電泳膜均保持完整，而杯突高度為7 mm時(shí)，純鋅鍍層表面電泳膜發(fā)生破裂，而鋅鋁鎂鍍層的電泳膜保持完整。因此，鋅鋁鎂鍍層的電泳膜附著力優(yōu)于純鋅鍍層（圖18）。

圖17 磷化膜的微觀形貌

圖18 高度杯突變形后的表面形貌

3.5 焊接試驗(yàn)結(jié)果

焊接電流與熔核直徑的關(guān)系如圖19所示,隨著焊接電流的增加，熔核直徑隨之增加。對(duì)于鋅鋁鎂鍍層材料，下限焊接電流Imin為5.8 kA，上限焊接電流Imax為7.9 kA，電流工藝窗口范圍2.1 kA。在相同焊接工藝條件下，純鋅鍍層材料的的下限焊接電流Imin為6.4 kA，上限焊接電流Imax為8.1kA，電流工藝窗口范圍1.7 kA。試驗(yàn)表明，鋅鋁鎂鍍層材料的點(diǎn)焊工藝窗口略大于純鋅鍍層材料，這可能是由于鋅鋁鎂鍍層材料的鍍層質(zhì)量略小于純鋅鍍層。

圖19 焊接電流與熔核直徑的關(guān)系

電阻點(diǎn)焊的電極壽命測(cè)試結(jié)果如圖20所示。隨著焊點(diǎn)數(shù)量的增加，熔核直徑逐漸降低。造成熔核直徑減小的主要原因是電極鐓粗造成的電流密度下降。對(duì)比純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層材料的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在相同焊接條件下，兩者的電極壽命基本相同，在3 200點(diǎn)左右熔核直徑低于4t。

圖20 鋅鋁鎂鍍層(ZM)和純鋅鍍層(GI)的連續(xù)焊接數(shù)量與熔核直徑的關(guān)系

3.6 粘接試驗(yàn)結(jié)果

純鋅鍍層材料的膠接性能評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示，鋅鋁鎂鍍層材料膠接性能結(jié)果如表7所示。結(jié)果顯示，鋅鋁鎂鍍層材料與4種不同汽車(chē)用膠的匹配性基本與純鋅鍍層材料相當(dāng)。鋅鋁鎂鍍層的結(jié)構(gòu)膠及折邊膠斷裂模式均為100%內(nèi)聚斷裂，與點(diǎn)焊密封膠和減震膠顯示良好匹配性，內(nèi)聚斷裂比例也達(dá)到90%以上。

表6 純鋅鍍層材料膠接性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 鋅鋁鎂鍍層材料的膠接性能評(píng)價(jià)結(jié)果

Kolnerová等[40-41]研究了鋅鋁鎂鍍層材料和純鋅鍍層與一種橡膠類(lèi)型膠和一種減震膠的膠接兼容性，發(fā)現(xiàn)純鋅鍍層的膠粘強(qiáng)度略高于鋅鋁鎂鍍層，純鋅鍍層橡膠類(lèi)膠接接頭的斷裂模式都是內(nèi)聚撕裂，而鋅鋁鎂鍍層則存在5%左右的界面撕裂，因此純鋅鍍層與試驗(yàn)用膠的兼容性更好。BMW公司[15]采用T型剝離的方法對(duì)比了純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層的膠接強(qiáng)度和撕裂模式，認(rèn)為兩者水平基本相當(dāng)，但是在很高敏感性條件下，鋅鋁鎂鍍層的撕裂模式比純鋅鍍層更差。在本研究中，發(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層的膠接強(qiáng)度比純鋅鍍層略差，而撕裂模式的差異不明顯。這一方面與試驗(yàn)用膠的種類(lèi)、成分等有密切關(guān)系，另一方面則可能與不同研究者使用的鋅鋁鎂鍍層材料的表面粗糙度、鍍層成分以及鍍層微觀組織分布等有關(guān)[42-44]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究全面對(duì)比了純鋅鍍層、鋅鐵合金鍍層與鋅鋁鎂合金鍍層的特征和性能，表明了不同鍍層之間的差異?？梢园l(fā)現(xiàn)鋅鋁鎂鍍層在摩擦方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)，一方面具有低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，另一方面則在摩擦過(guò)程中能夠減少鍍層的剝離以及與模具的粘連。與純鋅鍍層和鋅鐵合金鍍層相比，鋅鋁鎂鍍層材料在膜下腐蝕方面也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在焊接性能方面，純鋅鍍層與鋅鋁鎂鍍層的性能相當(dāng)。在膠接性能方面，鋅鋁鎂鍍層對(duì)粘接兼容性的敏感性比純鋅鍍層更高，但是在一般情況下兩者均能在現(xiàn)有粘接用膠劑體系下獲得良好的粘接效果。在涂裝性能方面，鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層基本相當(dāng)，甚至在漆膜粘附性方面還略有優(yōu)勢(shì)。

因此，鋅鋁鎂鍍層目前已經(jīng)基本具備了整車(chē)應(yīng)用的能力，尤其在耐蝕性要求較高的下車(chē)體零件上如翼子板、下門(mén)板、底盤(pán)等具有更明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，而在某些復(fù)雜成形條件下，鋅鋁鎂鍍層也能夠?yàn)樘岣叱尚涡侍峁┬碌慕鉀Q方案。