汽车用热成形镀锌钢板应用性能研究

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摘要：当前，为解决热成形汽车零件在制造过程中的高温氧化和耐蚀等问题，镀层热成形钢板在全球汽车产业中得到了越来越广泛的应用。其中，热成形镀锌钢板因其具有的高耐蚀性、低成本等优势，近年来备受热成形产业链的关注。文章对某钢企生产的热成形镀锌钢板，从材料到零件进行了多方面服役性能性能测评，并与铝硅镀层板进行了横向对比。镀锌板具有更优异的耐蚀性能、涂装性能，而铝硅板具有更加优异的高温成形性、抗氧化性能、胶接性能。

关键词：热成形；镀锌板；铝硅板；服役性能

轻量化是推进中国汽车工业实现节能减排的有效途径。高强钢是最具轻量化和安全性保障优势的汽车零件制造基础原材料之一，而热成形工艺能较好解决高强度钢板成形过程中成形性差和回弹大这两个问题，已成为当前全球汽车轻量化制造业最受关注的热点领域之一。当前热成形零件在汽车车体结构件上的应用已十分广泛，主要零件有横向支撑梁、悬置固定梁、纵向承载梁、前缓冲梁、A柱、B柱、门槛及车顶侧梁等。1997年最初应用的热成形钢板为裸板，为解决其零件在热成形加热、出炉中间转移等过程中的高温氧化问题（形成的氧化皮会增加成形过程中钢板和模具之间的摩擦系数，降低模具寿命，还会导致零件表面形成脱碳层，降低零件强度），及裸板的腐蚀零件的问题，镀层板近年来正逐渐取代裸板成为热成形产业链的原料主力军。安赛乐米塔尔公司（Arcelor Mittal）于1999 年成功开发的铝硅镀层板。该产品有效解决了高温氧化问题，可有利于零件企业免去加热保护气氛及成形后的抛丸工序，降低了成本；提升了零件高温成形性，降低了模具磨损；也具有较强的耐蚀性。然而作为专利保护产品，其成本较高。因此，近年来镀锌热成形钢板应运而生，其中以热镀锌合金化镀层 GA（Galvannealed）板最为典型。当前，国内外众多钢企正致力于开发可部分替代铝硅镀层板的镀锌板，针对镀锌板和铝硅板的性能优劣势也是关注的焦点之一。文章对某钢企生产的镀锌热成形钢板和铝硅板，通过实验获取二者合理的热成形工艺条件，在此条件下对淬火态的两种板材进行了从材料到零件级的多方面的综合服役性能测评分析，结合主机厂的要求，对二者的应用优劣势进行评估。通过文章研究，为主机厂、零件厂的合理选材、钢企的新产品开发或质量提升提供指导依据。

1试验材料

文章所选的两种对比材料为某钢企生产的GA镀锌板和铝硅板，从高温成形性能、抗氧化性能、耐蚀性能、胶接性能、涂装性能等多方面进行性能对比测评。两种实验材料的基本信息如表1，此外，两种对比镀层热成形钢基材成分一致，均为传统22MnB5成分范围。

2试验结果及讨论

2.1 高温成形性能针对两种材料，分别从高温摩擦系数和高温FLD两个方面予以对比。首先，采用自制的高温摩擦试验机，对两种材料进行了试验对比，结果如图1，可以看出：随着温度的提升GA摩擦系数略高于Al-Si板，说明GA板在热成形过程中钢材和模具之间的摩擦效应弱于Al-Si板，也即 Al-Si板具有更强的均匀减薄成形能力，有利于提升零件的成形尺寸精度及表面质量，并减低开裂风险。

针对两种材料，进一步开展了高温FLD对比测试，试验同样在文章团队自主研发的专用设备上完成。试验过程首先在模拟加热炉中将样品加热到指定温度而后利用工具将样品迅速从炉中取出快速置于试验机上，利用试验机的液压系统加压，通过压头对样品加载压力，直至将样品压到开裂结束。试验前对样品表面进行网格化处理，试验后对每个网络的主次应变进行测量，最终获取相应的不同温度下的FLD曲线。试验结果如图2，可以看出：在相同的温度下，GA板的高温FLD曲线总体处于Al-Si板的下方，即GA板的高温成形安全区域面积低于Al-Si板，结果和高温摩擦系数结果一致，也即Al-Si板的高温成形性略优于GA板。

2.2高温抗氧化性

文章参照《HB 5258—2000 钢及高温合金的抗氧化性测试试验方法“重量增加法”》，对两种材料进行了高温抗氧化性能对比测试。结果表明GA板的平均氧化速度约为 0.77g/m2·h，Al-Si 板为0.66g/m2·h。可以看出两种镀层板的平均氧化速度对应标准要求均为抗氧化水平（0.1~1.0g/m2·h）。相比下GA镀层板的平均氧化速度略高于Al-Si板，说明GA板的抗高温氧化性能略弱于Al-Si板。

2.3涂装性能

参照某主机厂标准，分别从结晶尺寸、磷化膜覆盖率、膜厚、膜重四个维度对两种材料的磷化涂装性能进行测试评价。如图3为两种材料经表面磷化工艺处理后的表面磷化膜形貌，结果表明：GA板磷化膜的厚度为 11.8μm，比Al-Si板厚0.5μm，GA磷化膜的重量为8.23g/m2，同样比 Al-Si板重2.11g/m2。说明 GA镀层的磷化膜更为致密，涂装性能优于Al-Si板。

进一步参照某主机厂标准，分别从膜厚、粗糙度、附着力、耐湿热性能四个维度对两种材料的电泳性能进行测试评价。结果表明：在相同电泳工况条件下GA板表面的电泳膜平均厚度为30.8μm，高于Al-Si板的27.5μm。GA板表面的电泳膜粗糙度Ra为0.26，粗糙度Rz为1.58，均高于Al-Si板性能水平（Ra为 0.21，粗糙度Rz为 1.25）。此外，两者表面电泳膜的附着力及耐湿热起泡性能等级也低于Al-Si板（越低越好）。综上对比验证了 GA板具有更好的电泳涂装性能优势。

2.4耐蚀性能

参照《GB/T 10125 人造气氛腐蚀试验》标准对两种材料的镀层防腐蚀性能进行对比测试评价。试验条件为：温度36℃；试验用电解质溶液为 100g/L ZnSO4·7H2O和200g/LNaCl混合溶液，pH为6.5~7.2；沉降量为1~2mL/80cm2·h；试验时间为168h；电流密度为10mA/cm2，试样为工作电极，铂电极为对电极，参比电极为饱和甘汞电极。结果表明：有镀层覆盖的部位两种材料保护作用一致，而在冲孔、切边部位，GA板在试验前、后的切割线单侧锈蚀宽度分别为0.22mm 及0.31mm，仅增加0.09mm；而Al-Si板的数据分别为0.21mm及1.22mm，腐蚀层厚度增加约1.0mm，很显然GA板抗机械加工诱导腐蚀的能力更强。由于一般Al-Si 板的镀层不能提供阴极保护，在没有镀层的切边口的位置容易腐蚀，而GA 板热成形后即便镀层被破坏，也可以为基体提供强有力的电化学耐蚀保护。由于Zn的电极电位（-0.762V）低于Fe （-0.439V），腐蚀过程中被消耗的是Zn从而有效保护了基体。

2.5胶接性能

参照标准《GMW16549 Compatibility testing of body shop applied adhesiv》，对两种材料进行胶接性能试验。分别测试两种材料常温下和水浴后两种状态的胶结性能。试验采用的胶结剂为Dow BETAMATETM1840C。试验前先对两种板材胶接接头进行准静态拉伸试验，获取剪切强度值，而后对样品按照标准要求进行既定工况下的水浴处理，对处理后的样品再进行准静态拉伸获取剪切强度，以水浴处理前后样品胶接接头的剪切强度降低比作为评价指标。图4为样品的外观，试验结果如表2。可以看出：在相同的试验条件下，GA板胶接接头的强度减低率约为23.81%，Al-Si板约为15.29%，二者也满足主机厂的技术要求，相比下Al-Si板胶接接头对腐蚀环境下抗性能衰减的能力更强。