自潤滑熱鍍鋅汽車板的性能分析

趙曉非 *，賈松，苗雨芳，黎敏，汪小培

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100041；2.首鋼股份公司制造部，北京 064400）

【研究報告】

自潤滑熱鍍鋅汽車板的性能分析

趙曉非1,*，賈松2，苗雨芳1，黎敏1，汪小培1

（1.首鋼技術(shù)研究院，北京 100041；2.首鋼股份公司制造部，北京 064400）

在熱鍍鋅汽車板表面涂覆無機(jī)自潤滑涂層后對材料的成型性能、焊接性能、膠接性能、耐蝕性能等進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，自潤滑膜能夠在沖壓過程中對鋅層提供較好的保護(hù)，從而有效提升熱鍍鋅板的成型性能。自潤滑熱鍍鋅汽車板的耐蝕性能、連接性能等均能夠滿足汽車主機(jī)廠的相關(guān)認(rèn)證要求。

熱鍍鋅板；自潤滑涂層；成型性；膠接強(qiáng)度；耐蝕性；可涂性

熱鍍鋅板(GI板)因具有良好的耐蝕性、成型性及可涂裝性，已成為車身材料的重要組成部分[1-3]。熱鍍鋅汽車板材作為車身材料，在生產(chǎn)過程中經(jīng)歷成型、焊/膠接、涂裝等工序。由于熱鍍鋅板表面鍍鋅層硬度低，在沖壓復(fù)雜汽車零部件(如側(cè)圍外板、門內(nèi)板、行李箱內(nèi)板等)的過程中，鍍鋅層的摩擦行為對沖壓工藝及模具較敏感，使鋼板的沖壓成型性能受影響，甚至發(fā)生沖壓開裂現(xiàn)象。圖1所示為某鋼廠熱鍍鋅汽車板材料作為前車身下內(nèi)板，在沖壓時由于鋅層表面出現(xiàn)大面積摩擦痕跡而引起的開裂。

圖1 熱鍍鋅汽車板沖壓開裂Figure 1 Stamping crack on hot-dip galvanized steel sheet for automobile

針對上述問題，國內(nèi)外鋼鐵公司及研究機(jī)構(gòu)開展了諸多研究，以降低汽車用熱鍍鋅板的表面摩擦因數(shù)，進(jìn)而提升材料的成型性能。其中，鍍鋅汽車板表面自潤滑膜是近年來的研究熱點(diǎn)之一。所謂自潤滑技術(shù)，是指在鍍鋅工藝段后，直接對鋅層表面進(jìn)行涂覆，隨后在配合防銹油的條件下，形成有利于沖壓的固體自潤滑膜[4-5]。固體潤滑膜對改善熱鍍鋅材料的成型性能和減少沖壓缺陷的產(chǎn)生有著顯著的效果。例如，寶日汽車板公司經(jīng)新日鐵授權(quán)，可生產(chǎn)部分潤滑處理的合金化熱鍍鋅板(GA板)，其核心原理就是在GA板表面涂覆一定厚度的有機(jī)硅烷體系自潤滑膜，再配合使用防銹油，從而有效改善了GA板沖壓過程的粉化問題[6-8]。為了改善GI板的沖壓成型性能，同時考慮到生產(chǎn)成本、工藝等問題，無機(jī)自潤滑薄膜成為目前的研究熱點(diǎn)，多家化學(xué)試劑公司及鋼鐵企業(yè)已進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。例如，寶鋼研發(fā)的潤滑處理 GI板，就是在GI板表面涂覆納米級無機(jī)薄膜及防銹油，在沖壓過程中對鋅層提供較好的保護(hù)[9-11]。

鑒于汽車生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，要求汽車板表面不同類型的固體自潤滑薄膜與當(dāng)前汽車生產(chǎn)的各道工序(包括焊接、膠接、脫脂及磷化)具有良好的匹配性，因此本文選取某化學(xué)試劑公司提供的無機(jī)自潤滑試劑為研究對象，針對無機(jī)自潤滑熱鍍鋅汽車板的摩擦及沖壓性能、連接(焊接及膠接)性能及其與汽車板前處理(脫脂及磷化)工藝的匹配性進(jìn)行全面分析，以便為自潤滑熱鍍鋅汽車板的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)及參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

取0.8 mm厚的DX53D+Z熱鍍鋅板為研究對象，根據(jù)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對試樣進(jìn)行裁切后，在表面涂覆無機(jī)自潤滑劑而得到自潤滑膜。所用無機(jī)自潤滑劑是由 PO34-、Zn2+、Mg2+等組成的無機(jī)酸性溶液，用去離子水稀釋至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

1.2 樣品制備

將熱鍍鋅板置于無水乙醇中超聲清洗20 min，然后采用去離子水漂洗，再冷風(fēng)干燥獲得潔凈表面。采用棒涂法在樣片表面涂覆無機(jī)自潤滑劑后置于熱風(fēng)干燥箱中，在120 °C下固化成膜反應(yīng)1 min，取出后室溫下晾干。進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)前，對自潤滑熱鍍鋅汽車板及普通熱鍍鋅汽車板試樣涂覆防銹油，油膜涂覆量約為1 000 mg/m2。

1.3 熱鍍鋅自潤滑材料的性能分析

參照各大汽車主機(jī)廠的性能認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及自潤滑熱鍍鋅汽車板自身的性能特點(diǎn)，對自潤滑熱鍍鋅汽車板的成型性能、連接(焊/膠接)性能、耐蝕性能及其與汽車主機(jī)廠涂裝前處理的匹配性進(jìn)行評價。

1.3.1 摩擦因數(shù)

采用板材成型拉延摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，按照YB/T 4286-2012《金屬材料 薄板和薄帶 摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》測定涂覆不同防銹油后材料表面的線性摩擦因數(shù)，拉伸速率為150 mm/min，壓緊力Fn= 3 000 N。如圖2所示，采用平面磨具和半圓柱形模具兩側(cè)對試樣進(jìn)行重復(fù)摩擦，模具通過壓緊力與試樣緊密貼靠，按式(1)計算試樣的平板線性摩擦因數(shù)(其中F為摩擦長度內(nèi)的拉力，單位為N)。d

圖2 平板摩擦試驗(yàn)原理示意圖Figure 2 Schematic diagram showing the principle of friction testing for flat sheet

1.3.2 變形能力

利用Zwick BUP400板材綜合成型試驗(yàn)機(jī)，選取筒形件拉深試驗(yàn)對自潤滑熱鍍鋅汽車板的變形能力進(jìn)行評價，測試條件為：壓邊力10 kN，拉深速率1 mm/s，凸模直徑15 cm。

1.3.3 耐蝕性

采用美國Q-LAB公司所產(chǎn)Q-FOG CRH1100中性鹽霧箱測定耐蝕性，腐蝕介質(zhì)為3.5% NaCl溶液，沉降量為15 mL/h。樣品尺寸為100 mm × 200 mm，試驗(yàn)前對其四周進(jìn)行封邊處理，裸露面積為80 mm ×180 mm，18 h后取出，觀察表面狀態(tài)。

1.3.4 焊接性能和膠接性能

點(diǎn)焊試驗(yàn)：電極壓力2.2 kN，通電時間200 ms，保持時間100 ms，電極帽端面直徑6 mm，測定自潤滑處理前后熱鍍鋅汽車板的焊接窗口。

拉伸剪切試樣依據(jù)GB/T 7124-1986《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度測定方法(金屬對金屬)》進(jìn)行加工，試片裁切成100 mm × 25 mm大小后進(jìn)行膠接。隨后于180 °C下熱固化反應(yīng)20 min。反應(yīng)結(jié)束后，根據(jù)GB/T 7124-2008《膠粘劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測定(剛性材料對剛性材料)》，采用Zwick-100電子拉力萬能試驗(yàn)機(jī)測定單搭接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度，測試時樣片上夾具間距不小于25 mm，總距離保持在100 mm，測試速率為5 mm/min。

1.3.5 與磷化膜的匹配性

在汽車主機(jī)廠中對自潤滑處理前后的熱鍍鋅汽車板進(jìn)行脫脂及磷化，對兩種不同樣片表面磷化膜的厚度和微觀形貌進(jìn)行分析。

1.3.6 其他性能

采用Hommel T8000粗糙度測試儀測試自潤滑涂覆前后的熱鍍鋅汽車板的表面粗糙度。采用Hitachi S-4700掃描電鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對不同樣片表面進(jìn)行形貌觀察和成分分析。采用 Leco GDS850A型輝光光譜儀(GDOS)對樣片進(jìn)行元素分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 自潤滑處理前后熱鍍鋅汽車板表面粗糙度對比及膜厚分析

從圖3可知，熱鍍鋅原板的粗糙度Ra為(1.06 ± 0.06) μm，峰值密度RPC為(109.7 ± 6.9) cm-1。涂覆自潤滑膜后，熱鍍鋅汽車板的表面粗糙度顯著下降，Ra為(0.9 ± 0.06) μm，峰值密度為(89.6 ± 3.9) cm-1。

由圖4可知，自潤滑膜的厚度為30 ～ 40 nm，膜層的主要成分包含Zn、P及Mg。由圖5可知，在現(xiàn)有工藝下，無機(jī)自潤滑膜中的各元素(如P、Mg等)在板面均勻分布。

圖3 自潤滑處理前后GI板的表面粗糙度Figure 3 Surface roughness of GI sheet before and after self-lubrication treatment

圖4 自潤滑GI板的輝光光譜分析結(jié)果Figure 4 Result of glow discharge optical emission spectrometric analysis for self-lubricating GI sheet

圖5 自潤滑GI板的SEM和EDS分析結(jié)果Figure 5 SEM and EDS analysis results of self-lubricating hot-dip GI sheet

2.2 自潤滑處理對熱鍍鋅汽車板成型性能的影響

從表1可知，自潤滑處理前后GI板的摩擦因數(shù)都較穩(wěn)定，涂覆自潤滑膜后GI板的表面平均摩擦因數(shù)由0.102降至0.085，下降幅度約為16.7%。這意味著熱鍍鋅板表面自潤滑膜在成型過程中可有效降低磨具與表面鋅層間的相互磨損。

表1 自潤滑處理前后GI板的表面摩擦因數(shù)Table 1 Surface friction coefficients of GI sheet before and after self-lubrication treatment

拉深也稱為拉延，是利用模具將平板坯料制成薄壁空心零件的沖壓工藝。通過拉深可以制成筒形、盒形、階梯形、錐形以及其他形狀的薄壁零件。在板料成型的試驗(yàn)認(rèn)證中，經(jīng)常以筒形件拉深為例來研究板料在拉深變形過程中的變形能力和力學(xué)特點(diǎn)。涂覆自潤滑膜前后GI板的筒件拉深試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 自潤滑處理前后GI板的板料拉伸力Table 2 Deep drawing force of GI sheet before and after self-lubrication treatment(單位：kN)

熱鍍鋅原板的板料拉伸力為26.92 kN，其表面涂覆自潤滑膜后板料拉伸力下降為22.02 kN，下降幅度約18%。

根據(jù)拉深試驗(yàn)原理，板料拉伸力主要與材料的強(qiáng)度、厚度、模具參數(shù)、摩擦阻力等有關(guān)。由于涂覆自潤滑膜前后GI板的材料強(qiáng)度、厚度及模具參數(shù)全一致，因此，摩擦阻力是表觀拉深力存在差異的原因。在相同拉深高度下，自潤滑膜的存在能明顯降低成型過程中的摩擦阻力，從而改善材料的變形均勻性，提高材料的變形能力。

2.3 自潤滑處理對熱鍍鋅汽車板耐蝕性的影響

如圖6所示，涂覆自潤滑膜可明顯提高熱鍍鋅汽車板的耐蝕性。中性鹽霧試驗(yàn)18 h后，自潤滑熱鍍鋅汽車板除邊緣處存在少量銹蝕產(chǎn)物外，整個板面保持良好。

圖6 未經(jīng)和經(jīng)自潤滑處理的GI板NSS試驗(yàn)18 h后的外觀Figure 6 Appearances of GI sheet with and without self-lubrication treatment after NSS test for 18 h

2.4 自潤滑處理對熱鍍鋅汽車板涂裝性能的影響

自潤滑熱鍍鋅汽車板在使用過程中，必須能夠與汽車主機(jī)廠當(dāng)前的脫脂及涂裝工藝很好地匹配，即采用現(xiàn)有的脫脂工藝可完全除去自潤滑膜，并對后期磷化及電泳工藝無任何不良影響。因此，在汽車主機(jī)廠中對自潤滑處理前后熱鍍鋅汽車板材料進(jìn)行涂裝前處理掛片試驗(yàn)，再對磷化試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果見圖7。兩種樣片表面的磷化膜基本無差異，均勻、連續(xù)，粒子尺寸均在7 ～ 14 μm范圍內(nèi)，厚度均為1.5 ～ 2.0 μm。說明自潤滑處理對后續(xù)磷化、電泳等工藝無不良影響。

2.5 自潤滑處理對熱鍍鋅汽車板連接性能的影響

2.5.1 焊接窗口的測定

圖7 未經(jīng)和經(jīng)自潤滑處理的GI板上磷化膜的表面和截面形貌Figure 7 Surface and cross-sectional morphologies of phosphate coating on GI sheet with and without self-lubrication treatment

為考察自潤滑膜是否會對熱鍍鋅汽車板材料的焊接性能產(chǎn)生影響，依據(jù)美國焊接協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)對自潤滑前后的熱鍍鋅汽車板材料的焊接窗口進(jìn)行測定，結(jié)果如下：熱鍍鋅原板的焊接電流窗口為2 500 A(8.5 ～11.0 kA)，經(jīng)自潤滑處理后收窄至2 000 A(9.1 ～ 11.1 kA)，但仍符合汽車主機(jī)廠對材料的焊接認(rèn)證需求。因此認(rèn)為，無機(jī)自潤滑薄膜的存在對熱鍍鋅板材料焊接性能的影響較小。

2.5.2 單搭接接頭膠接強(qiáng)度的測定

為考察自潤滑膜是否會對汽車主機(jī)廠所采用的汽車結(jié)構(gòu)膠及現(xiàn)有膠接工藝產(chǎn)生影響，對自潤滑前后熱鍍鋅汽車板的單搭接接頭膠接結(jié)構(gòu)的拉伸剪切強(qiáng)度和斷裂模式進(jìn)行分析，結(jié)果見表3和圖8。自潤滑熱鍍鋅汽車板的單搭接頭斷裂強(qiáng)度為14.99 MPa，高于GI板的單搭接頭斷裂強(qiáng)度，說明自潤滑膜與汽車主機(jī)廠現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)膠具有較好的匹配性。觀察圖8可知，所有膠接接頭的斷裂均呈內(nèi)聚斷裂模式，說明自潤滑熱鍍鋅汽車板的表面與結(jié)構(gòu)膠之間的相互作用較強(qiáng)，符合各汽車主機(jī)廠的實(shí)際要求。

表3 未經(jīng)和經(jīng)自潤滑處理后GI板的拉伸剪切強(qiáng)度Table 3 Tensile lab-shear strengths at break for GI sheet with and without self-lubrication treatment(單位：MPa)

圖8 自潤滑GI板膠接接頭的斷裂模式Figure 8 Joint failure modes of GI sheets coated with self-lubricating film

3 結(jié)論

(1) 與未經(jīng)自潤滑處理的熱鍍鋅原板相比，在相同條件下，自潤滑熱鍍鋅板表面的自潤滑膜可有效降低材料的表面摩擦因數(shù)，在沖壓過程中對GI板表面鋅層起到良好的保護(hù)作用。

(2) 自潤滑膜具有良好的耐蝕性，可對熱鍍鋅汽車板表面提供較好的保護(hù)。

(3) 采用汽車主機(jī)廠現(xiàn)有的脫脂工藝可完全去除自潤滑膜，對材料后期的磷化和涂裝處理無不利影響。

(4) 自潤滑熱鍍鋅汽車板的焊接窗口較之原有材料有一定程度收窄，但仍在汽車主機(jī)廠的認(rèn)可范圍內(nèi)。

(5) 自潤滑熱鍍鋅汽車板與汽車主機(jī)廠現(xiàn)有膠接工藝具有良好的兼容性，單搭接接頭的斷裂強(qiáng)度及斷裂模式均符合要求。

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Analysis on properties of self-lubricating hot-dip galvanized steel sheet applied to automobile

ZHAO Xiao-fei*,JIA Song, MIAO Yu-fang, LI Min, WANG Xiao-pei

The formability, weldability, adhesive bondability and corrosion resistance of hot-dip galvanized steel sheet for automobile covered by inorganic self-lubricating film were analyzed.It is indicated that the self-lubricating film offers an efficient protection for zinc coating during the stamping process, improving the formability of hot-dip galvanized steel sheet.The corrosion resistance as well as the weldability, bondability and other properties of the self-lubricating hot-dip galvanized steel sheet for automobile meet the corresponding certification requirements of automobile manufacturers.

hot-dip galvanized steel sheet; self-lubricating film; formability; adhesive bonding strength; corrosion resistance; paintability

Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China

TG178; TQ153.15

A

1004 - 227X (2017) 20 - 1069 - 06

10.19289/j.1004-227x.2017.20.001

2017-06-02

2017-09-20

趙曉非（1982-），女，山東青島人，博士，主要從事涂裝工藝及表面處理新技術(shù)研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) mybrightlife@126.com。

[ 編輯：周新莉 ]