鍍鋅汽車外板沖壓掉鋅原因分析

宋志超，吳逸飛，魯安平，張才華,*，張玉杰

1.河鋼集團(tuán)邯鋼公司技術(shù)中心，河北 邯鄲 056015

2.常州比亞迪汽車有限公司，江蘇 常州 213000

腐蝕對(duì)汽車外觀、使用壽命等都極為不利，嚴(yán)重時(shí)甚至影響汽車的行駛安全。汽車車身、底盤等很多零部件都主要由鋼鐵材料加工而成，而汽車常在暴曬、雨雪腐蝕等惡劣環(huán)境下使用，汽車鋼鐵零部件腐蝕難以避免。近年來，隨著汽車保有量的增長(zhǎng)，各種關(guān)于車身腐蝕的報(bào)告也屢見不鮮。因此選用耐腐蝕性能更好的材料對(duì)汽車制造具有重要的意義[1]。鍍鋅板由于具有良好的耐蝕性、加工成型性、涂裝性和焊接性，越來越多被用于汽車零部件的制造。很多汽車主機(jī)廠已經(jīng)或計(jì)劃使用鍍鋅板替代普通冷軋鋼板來生產(chǎn)側(cè)圍、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板等車身零部件。

汽車車身的生產(chǎn)流程為“沖壓成型→焊接→涂裝”。用鍍鋅板生產(chǎn)的車身外板等零件雖然具有良好的耐蝕性，但在沖壓成型過程中也存在一些不足。如圖1所示，在沖壓過程中遭到磨損和剝落的鋅層會(huì)污染模具，導(dǎo)致沖壓件出現(xiàn)高點(diǎn)等質(zhì)量問題，使勞動(dòng)強(qiáng)度加大，生產(chǎn)效率降低[2]。因此，對(duì)鍍鋅板沖壓成型過程中掉鋅的影響因素進(jìn)行研究具有重要意義。

圖1 鍍鋅板沖壓產(chǎn)生的鋅層磨損(a)和掉鋅粉(b)現(xiàn)象Figure 1 Wear (a) and peeling (b) of zinc coating appearing on surface of zinc-coated plate after stamping

1 試驗(yàn)材料

某汽車主機(jī)廠一車型的車門外板零件采用來自3個(gè)不同鋼廠的鍍鋅板制造而成。該零件的需求量較大，單批次生產(chǎn)通常在1 000沖次以上，3種鍍鋅外板均能較好地滿足沖壓成型要求，但由于沖壓時(shí)掉鋅等因素會(huì)導(dǎo)致模具污染而出現(xiàn)高點(diǎn)等缺陷，使得3種材料在連續(xù)生產(chǎn)過程中差異較大。表現(xiàn)較好的可在保證表面品質(zhì)的情況下連續(xù)沖壓600次以上，而較差的僅能連續(xù)沖壓300次。對(duì)3種鍍鋅外板取樣并編號(hào)為1#、2#和3#后進(jìn)行試驗(yàn)，它們的主要參數(shù)列于表1。

表1 3種鍍鋅板的主要參數(shù)Table 1 Properties of three kinds of zinc-coated plates

2 不同樣板的鋅層性能對(duì)比

鋅層磨損主要由摩擦引起，影響摩擦的直接因素為模具和鍍鋅板表面狀態(tài)。模具一般不變，鍍鋅板則經(jīng)常更換，同一廠家不同批次的鍍鋅板及不同廠家的鍍鋅板均存在差異。因此，對(duì)3種鍍鋅板的鋅層附著力、表面形貌、粗糙度、顯微硬度和耐磨性進(jìn)行對(duì)比，以找出鍍鋅汽車外板在沖壓成型過程中掉鋅的影響因素[3]。

2.1 附著力

按《鍍鋅產(chǎn)品鋅層附著性試驗(yàn)方法》(GB/T 39130–2020)的規(guī)定取樣進(jìn)行180°彎曲測(cè)試，并對(duì)附著力進(jìn)行評(píng)級(jí)。樣品尺寸為70 mm × 30 mm × 0.65 mm，平行于帶鋼軋制方向彎曲，溫度23 ℃，彎曲程度0 T。如圖2所示，3個(gè)樣板的彎曲面均光滑、無裂紋，無鋅層脫落，都可評(píng)為最優(yōu)的1級(jí)。

圖2 彎曲測(cè)試后不同試樣彎曲面的外觀Figure 2 Appearance of bended position of different specimens after bending test

采用萊卡MEF4A型金相顯微鏡觀察彎曲面縱截面的形貌，結(jié)果見圖3和表2。彎曲面變形部位的鋅層較未變形部位明顯減薄，但鋅層完整，與基體結(jié)合良好，無脫鋅現(xiàn)象。這再次證明3組樣板的鋅層附著力良好。由此可以確認(rèn)，沖壓過程中的掉鋅問題與鋅層的附著力無直接關(guān)系。

表2 折彎試樣鋅層厚度的測(cè)量結(jié)果Table 2 Thickness measurement results of zinc coatings after bending test

2.2 表面形貌

分別采用萊卡MEF4A型金相顯微鏡和奧利巴斯LEXT OLS3100型共聚焦激光掃描顯微鏡觀察鍍層表面的二維和三維微觀形貌，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 不同試樣表面鋅層的二維表面形貌(200×)Figure 4 Two-dimensional morphologies of zinc coatings on different specimens

圖5 不同試樣表面鋅層的三維形貌(200×)Figure 5 Three-dimensional morphologies of zinc coatings on different specimens

由圖4可知，3種試樣表面鋅層都完整，晶粒及晶界清晰，呈不規(guī)則多邊形。從顏色看，鍍鋅層由亮白和暗灰兩種晶粒構(gòu)成，其中亮白晶粒為鋅層經(jīng)光整后壓平所致，暗灰色為原始晶粒。2#試樣的亮白色和暗灰色晶粒景深差相較于1#和3#試樣更小。經(jīng)測(cè)量，1#、2#和3#試樣的平均晶粒尺寸分別為61.3、50.5和60.8 μm，1#和3#試樣的晶粒尺寸相當(dāng)，2#試樣的晶粒最小。根據(jù)式(1)給出的霍爾?佩奇公式可知，晶粒尺寸越小，則材料強(qiáng)度越高。

式中σ為晶體的屈服強(qiáng)度，σ0為作用在晶界位錯(cuò)上的摩擦力，d為晶粒的平均直徑，k為常數(shù)。

由圖5可知，鍍鋅板表面由不同高度的峰組成，大部分峰值高度為20 ~ 30 μm，在三維圖像中顯示為淺綠至深綠色。對(duì)比可知，2#試樣的峰值高度分布最均勻，1#試樣存在少數(shù)高度達(dá)50 μm的峰，1#和3#試樣上30 ~ 45 μm高度的峰所占比例較2#試樣更高，因此均勻性更差。

對(duì)比鋅層形貌與掉鋅情況可知，鋅層晶粒細(xì)小、表面均勻、異常高點(diǎn)少的試樣在沖壓過程中抵抗掉鋅的能力更強(qiáng)。

2.3 表面粗糙度

按《冷軋金屬薄板(帶)表面粗糙度和峰值數(shù)測(cè)量方法》(GB/T 2523–2008)，采用時(shí)代TIME3200型粗糙度儀測(cè)量鍍鋅板的表面粗糙度，包括Ra(指在取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓的算術(shù)平均值)和RPc(指取樣長(zhǎng)度內(nèi)的峰密度)，取樣長(zhǎng)度L為0.8 mm，評(píng)定長(zhǎng)度Ln為4 mm(即5L)，選用GAUSS濾波，結(jié)果列于表3。

表3 樣板粗糙度測(cè)量結(jié)果Table 3 Surface roughness measurement results of different specimens

Ra越高說明表面越粗糙，RPc越大代表評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)的峰越多。鍍鋅板的表面粗糙度對(duì)沖壓及涂裝有直接影響，汽車外板通常要求應(yīng)有適中的Ra和較高的RPc。從表3可知，3種樣板兩面的粗糙度數(shù)據(jù)相差不大，說明鍍鋅板在沖壓過程中的掉鋅與其表面粗糙度無直接關(guān)系。

2.4 摩擦因數(shù)

按照ASTM G99-17Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus，通過銷盤式摩擦試驗(yàn)測(cè)定鋅層的摩擦因數(shù)。測(cè)試設(shè)備為UMT TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，旋轉(zhuǎn)半徑6 mm，摩擦副是直徑9.525 mm的氮化硅圓盤，轉(zhuǎn)速8 r/min，試驗(yàn)力8 N。從圖6可知，3個(gè)試樣的摩擦因數(shù)存在明顯差異，1#、2#和3#試樣的平均摩擦因數(shù)分別為0.26、0.19和0.31，3#試樣的摩擦因數(shù)最高，1#試樣居中，2#試樣最低。該結(jié)果與掉鋅情況有明顯的相關(guān)性，摩擦因數(shù)大的試樣掉鋅嚴(yán)重。

圖6 不同試樣的摩擦因數(shù)曲線Figure 6 Curves of friction coefficient vs.time for different specimens

2.5 顯微硬度

按《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》(GB/T 4340.1–2009)，采用威爾遜T2500型顯微維氏硬度計(jì)檢測(cè)顯微硬度，載荷1.96 N，保壓時(shí)間15 s，檢測(cè)圖像見圖7，結(jié)果列于表4。

表4 不同試樣的顯微硬度Table 4 Microhardness of different specimens （單位：HV）

圖7 顯微硬度測(cè)量圖像Figure 7 Photos of microhardness measurement

從表4可知，不同樣板的鋅層顯微硬度差異明顯，鋅層硬度與掉鋅情況有較強(qiáng)的相關(guān)性，掉鋅情況最輕的2#試樣顯微硬度最高，而掉鋅最嚴(yán)重的3#試樣顯微硬度最低。

3 鍍鋅汽車外板沖壓成型掉鋅原因分析

鍍鋅板料在沖壓過程中的掉鋅主要產(chǎn)生于拉延和翻邊整形工序中模具與板料摩擦的嚴(yán)重形變部位。如圖8所示，鍍鋅板在被模具擠壓過程中承受垂直于板料的縱向壓力(Fn)，而當(dāng)鍍鋅板發(fā)生形變或在模具內(nèi)移動(dòng)時(shí)，會(huì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的反方向產(chǎn)生沿鋅層切面的滑動(dòng)摩擦力(f)[4-5]。

圖8 鍍鋅板沖壓過程中的受力示意圖Figure 8 Schematic diagram showing the force analysis of zinc-coated plate during stamping

根據(jù)滑動(dòng)摩擦公式f=μFn(其中μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù))可知，材料受到的摩擦力與Fn和μ都有關(guān)。對(duì)于沖壓過程來說，F(xiàn)n主要取決于沖壓參數(shù)和模具間隙，μ取決于模具與鍍鋅板狀態(tài)。模具一般由碳素鋼、合金鋼等材質(zhì)制造，通常會(huì)通過鍍鉻來提高表面硬度。鍍鋅板的基材為鋼，模具和鍍鋅板基材的強(qiáng)度及硬度均遠(yuǎn)高于鋅層，當(dāng)鋅層承受的摩擦力大于鋅層強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生磨損，即產(chǎn)生掉鋅。

綜合上述性能檢測(cè)結(jié)果可知，不同樣板鋅層的摩擦因素、表面形貌和硬度均存在差異，鋅層硬度低的試樣具有較大的摩擦因數(shù)，在相同的力學(xué)狀態(tài)下受到的摩擦力更大，更容易導(dǎo)致掉鋅。此外，鋅層表面均勻性差時(shí)，磨損點(diǎn)多，在沖壓過程中的掉鋅就更嚴(yán)重。

4 結(jié)語

沖壓掉鋅是影響鍍鋅汽車外板沖壓表面品質(zhì)和生產(chǎn)效率的重要因素。而鋅層本身的特性決定了鍍鋅外板在沖壓過程中的掉鋅無法避免，但可通過調(diào)整鍍鋅工藝來細(xì)化鋅層晶粒，提高鋅層硬度和表面均勻性，盡可能降低其在沖壓過程中所受的摩擦力，以達(dá)到減輕掉鋅問題的目的。