鋼材具有優(yōu)異的力學(xué)性能和焊接性能，且經(jīng)濟(jì)性好、易于生產(chǎn)，因此應(yīng)用廣泛。然而，鋼材在使用一定時(shí)間后容易生銹。為了彌補(bǔ)這一不足，可在鋼材表面涂覆鋅層而提高其耐腐蝕性能，但隨著全球鋅的消費(fèi)持續(xù)增速，預(yù)計(jì)鋅資源在不久的將來(lái)會(huì)枯竭。鑒于此，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司（POSCO）研發(fā)出了創(chuàng)新性的Al-Zn-Si合金涂層鋼板，其耐腐蝕性優(yōu)于普通鋅涂層。本研究通過(guò)與熱鍍鋅（GI）鋼板在耐腐蝕性、焊接性能、摩擦特性等方面的對(duì)比試驗(yàn)，評(píng)估該Al-Zn-Si合金涂層鋼板在汽車用鋼領(lǐng)域的適用性。研究結(jié)果表明，新開發(fā)的Al-Zn-Si合金涂層鋼板，即便在涂層重量更低的情況下，仍具有優(yōu)異的耐腐蝕性，且在粘著磨損和焊接液態(tài)金屬脆化（LME）性能方面表現(xiàn)突出，同時(shí)其點(diǎn)焊電極壽命、電沉積涂層性能和彎曲性能也十分優(yōu)異。推測(cè)這些優(yōu)異性能與涂層界面處形成的Al-Zn-Si合金相有關(guān)。
1引言
熱鍍鋅鋼板在汽車、家電、建筑等多個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛，且用量持續(xù)增長(zhǎng)。然而，若全球鋅的使用量仍按當(dāng)前趨勢(shì)增加，預(yù)計(jì)鋅資源在不久的將來(lái)會(huì)完全枯竭，因此，目前業(yè)界正尋求通過(guò)在鋅涂層中添加其他金屬以提高耐腐蝕性的解決辦法。近年來(lái)，耐腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于鋅涂層的Zn-Al-Mg合金，作為新一代涂層材料受到廣泛關(guān)注。早在20世紀(jì)60年代，就有相關(guān)研究報(bào)道提出了在熔融鋅中添加鎂和鋁，從而制備具有優(yōu)異耐腐蝕性的合金涂層鋼板。
不過(guò)，鎂和鋁均為化學(xué)活性較高的元素，添加后難以控制鋅浴狀態(tài)并保證產(chǎn)品表面質(zhì)量。直至2000年以后，日本鋼鐵企業(yè)相繼推出了ZAM（Zn-6%Al-3%Mg）和SuperDyma（Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si）等涂層產(chǎn)品，高耐腐蝕性合金涂層產(chǎn)品才得以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。該類產(chǎn)品研發(fā)成功后，首先應(yīng)用于高端建筑材料領(lǐng)域。此后，在21世紀(jì)中期，受鋅價(jià)飆升及未來(lái)鋅資源枯竭預(yù)期的影響，歐洲鋼鐵企業(yè)和汽車企業(yè)開始重點(diǎn)關(guān)注Zn-Al-Mg合金涂層。最終，歐洲鋼鐵企業(yè)研發(fā)出了適用于汽車內(nèi)外飾件的Zn-Al-Mg涂層產(chǎn)品，該類產(chǎn)品在鎂含量1%-2%、鋁含量1%-3%的范圍內(nèi)，滿足了表面質(zhì)量、焊接性能等汽車用鋼要求。
在韓國(guó)，浦項(xiàng)鋼鐵公司（POSCO）于2012年研發(fā)出了適用于建筑材料、鎂含量為3%的PosMAC3.0涂層產(chǎn)品，隨后又研發(fā)出了適用于汽車和家電領(lǐng)域、鎂含量為1%-2%的PosMAC1.5涂層產(chǎn)品。自此以后，全球多數(shù)鋼鐵企業(yè)紛紛加大了高耐腐蝕性涂層產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)力度。在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方面，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）已擴(kuò)充并修訂了高耐腐蝕性合金涂層標(biāo)準(zhǔn)，以涵蓋更廣泛的涂層成分；韓國(guó)、歐洲及東南亞地區(qū)也已制定并修訂了相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這為高耐腐蝕性合金涂層鋼板在各行業(yè)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件，預(yù)計(jì)未來(lái)全球?qū)υ擃惍a(chǎn)品的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)。
盡管Zn-Al-Mg合金涂層具有優(yōu)異的高耐腐蝕性，但要滿足對(duì)外觀美感要求較高的汽車外板和家電產(chǎn)品需求，仍需更嚴(yán)格的質(zhì)量控制。尤其是與傳統(tǒng)熱鍍鋅涂層相比，高耐腐蝕性合金涂層在鋅浴中更易產(chǎn)生浮渣缺陷；且由于會(huì)形成凝固行為不同的多種物相（Zn、MgZn2、Al等），表面質(zhì)量控制難度較大。此外，Zn-Al-Mg涂層鋼板的熔點(diǎn)較低，在先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSS）涂覆過(guò)程中易發(fā)生液態(tài)金屬脆化（LME），這也是其一大缺點(diǎn)。因此，本研究為解決上述問(wèn)題，對(duì)全球首創(chuàng)的60%-70%Al-Zn-Si涂層鋼板的耐腐蝕性、焊接性能和摩擦特性進(jìn)行了試驗(yàn)，旨在評(píng)估該鋼板在汽車領(lǐng)域的適用性。
2試驗(yàn)方法
為評(píng)估60%-70%Al-Zn-Si涂層鋼板在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用性能，在不同試驗(yàn)條件下對(duì)其進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)、點(diǎn)焊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和表面試驗(yàn)。本試驗(yàn)所用的Al-Zn-Si涂層鋼板通過(guò)連續(xù)熱鍍鋅線（CGL）生產(chǎn)，材料厚度為1.2mm，涂層重量分別為20g/m2、30g/m2和60g/m2。試驗(yàn)選用涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板作為對(duì)比材料。
腐蝕試驗(yàn)依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）8227標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)（SST），并依據(jù)ISO14993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行循環(huán)腐蝕試驗(yàn)（CCT）。腐蝕試驗(yàn)的試樣尺寸為150mm×70mm。焊接試驗(yàn)采用點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行，通過(guò)點(diǎn)焊過(guò)程中的電極壽命和可焊電流范圍來(lái)評(píng)估焊接性能。電極壽命由焊點(diǎn)熔核尺寸和焊點(diǎn)數(shù)量決定，同時(shí)通過(guò)觀察先進(jìn)高強(qiáng)度鋼點(diǎn)焊后的橫截面組織，判斷液態(tài)金屬脆化（LME）是否發(fā)生。
為對(duì)比Al-Zn-Si涂層鋼板與傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼板的摩擦系數(shù)，進(jìn)行了往復(fù)表面摩擦試驗(yàn)。表面摩擦性能與復(fù)雜形狀零件的沖壓成型質(zhì)量（粘著磨損）密切相關(guān)。試驗(yàn)流程如下：如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)備裝有3個(gè)摩擦壓頭，均勻分布在直徑為200mm的圓周上。每個(gè)壓頭的表面尺寸為18mm×28mm，表面經(jīng)硬鉻鍍層處理后再進(jìn)行研磨拋光，壓頭表面硬度為700-1000HV。摩擦壓頭以5MPa的壓力與試樣接觸，隨后試樣進(jìn)行重復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著試樣的旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)測(cè)定摩擦系數(shù)，試樣總旋轉(zhuǎn)次數(shù)為40-100圈。所有試樣的表面粗糙度均為1.0-1.5Ra，且試驗(yàn)均在試樣表面涂油的相同條件下進(jìn)行。
此外，為評(píng)估該鋼板在汽車領(lǐng)域的適用性，還對(duì)其彎曲性能、磷化處理性能和電沉積涂層性能進(jìn)行了綜合評(píng)估。
3試驗(yàn)結(jié)果
圖2為Al-Zn-Si涂層橫截面組織的掃描電子顯微鏡（SEM）觀察圖像。在基體鐵與涂層的界面處，觀察到了尺寸約為2.6μm的Al-Zn-Si合金相；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在涂層內(nèi)部可見裂紋的區(qū)域，Si元素主要呈大量分布狀態(tài)。
圖3對(duì)比了涂層重量為60g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板與涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板在經(jīng)過(guò)168h鹽霧試驗(yàn)后的表面外觀。從圖3可以看出，Al-Zn-Si涂層表面僅出現(xiàn)白銹，而熱鍍鋅涂層表面則產(chǎn)生嚴(yán)重紅銹，這表明在相同涂層重量下，Al-Zn-Si涂層的耐腐蝕性更優(yōu)異。
圖4對(duì)比了涂層重量為30g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板與涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板在經(jīng)過(guò)168h循環(huán)腐蝕試驗(yàn)后的表面外觀。從圖4可以看出，Al-Zn-Si涂層表面僅出現(xiàn)白銹，而熱鍍鋅涂層鋼板表面則整體產(chǎn)生嚴(yán)重紅銹，這說(shuō)明即使Al-Zn-Si涂層的重量?jī)H為熱鍍鋅涂層的一半，其耐腐蝕性仍然很優(yōu)異。通過(guò)X射線衍射（XRD）對(duì)Al-Zn-Si涂層的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5的結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物主要由ZnO、Zn2Al（OH）6Cl2·H2O、Al2O3和SiO2組成。由此推測(cè)，與熱鍍鋅涂層的多孔腐蝕產(chǎn)物相比，致密的Zn2Al（OH）6Cl2·H2O、Al2O3和SiO2提高了Al-Zn-Si涂層的耐腐蝕性。
鋼板的表面摩擦性能對(duì)沖壓成型工藝至關(guān)重要。摩擦系數(shù)越高，沖壓過(guò)程中越容易出現(xiàn)粘著磨損問(wèn)題。較高的摩擦阻力會(huì)導(dǎo)致鋼板表面變形，使表面小顆粒脫落。這些脫落的顆粒在反復(fù)沖壓過(guò)程中會(huì)堆積在模具表面，進(jìn)而在沖壓操作中產(chǎn)生粘著磨損缺陷。傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼板由于摩擦系數(shù)較高且涂層易脫落產(chǎn)生顆粒，容易出現(xiàn)粘著磨損現(xiàn)象。粘著磨損的高頻發(fā)生會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中需中斷以清理沖壓模具，從而降低生產(chǎn)效率。因此，對(duì)于沖壓工藝而言，涂層材料需具備較低的摩擦系數(shù)和較強(qiáng)的表面抗變形能力，這是非常理想的性能特點(diǎn)。
圖6對(duì)比了不同涂層重量的Al-Zn-Si涂層鋼板與涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板在往復(fù)摩擦試驗(yàn)后的摩擦系數(shù)變化。當(dāng)摩擦試驗(yàn)往復(fù)約20次時(shí)，熱鍍鋅鋼板的摩擦系數(shù)顯著升高，而Al-Zn-Si涂層鋼板的摩擦系數(shù)始終保持穩(wěn)定的較低值。推測(cè)其原因在于，熱鍍鋅涂層的硬度較低，僅為60HV，而Al-Zn-Si涂層的硬度較高，可達(dá)130HV，因此Al-Zn-Si涂層具有優(yōu)異的抗粘著磨損性能。
圖7展示了涂層重量分別為20g/m2和60g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板在點(diǎn)焊過(guò)程中的電極壽命。涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板，其電極壽命約為500-1000次；而涂層重量為60g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板，其電極壽命可達(dá)600-1700次，表現(xiàn)出更高的電極壽命。推測(cè)原因是，熱鍍鋅鋼板在鋼板基體與涂層的界面處形成的Fe2Al5層較薄，而Al-Zn-Si涂層鋼板則形成了含鐵量較高的較厚Al-Zn-Si合金層。
圖8展示了涂層重量分別為20g/m2和60g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板在點(diǎn)焊過(guò)程中的可焊電流范圍。涂層重量為60g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板，其可焊電流范圍為3.0kA；涂層重量為20g/m2的Al-Zn-Si涂層鋼板，其可焊電流范圍為2.5kA。由此可見，Al-Zn-Si涂層鋼板的點(diǎn)焊性能優(yōu)異。
表1對(duì)比了Al-Zn-Si涂層鋼板與涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板在汽車用鋼性能方面的綜合評(píng)估結(jié)果。結(jié)果顯示，與熱鍍鋅鋼板相比，Al-Zn-Si涂層鋼板在耐腐蝕性、抗粘著磨損性能和焊接液態(tài)金屬脆化性能方面表現(xiàn)更優(yōu)異，且在焊接電極壽命、電沉積涂層性能、彎曲性能和磷化處理性能方面與之相當(dāng)或更優(yōu)。此外，Al-Zn-Si涂層鋼板表面無(wú)鋅花，外觀效果極佳；同時(shí)其涂層潤(rùn)濕性優(yōu)異，因此，具有涂層附著力較好的優(yōu)勢(shì)，可用于生產(chǎn)包括相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）在內(nèi)的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼。
4結(jié)論
POSCO研發(fā)出了一種創(chuàng)新型的60%-70%Al-Zn-Si涂層鋼板，該鋼板具有良好的表面外觀。與傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼板相比，即便在涂層重量更低的情況下，該Al-Zn-Si涂層鋼板仍具有優(yōu)異的耐腐蝕性，且在抗粘著磨損性能和焊接液態(tài)金屬脆化性能方面表現(xiàn)突出；此外，其點(diǎn)焊電極壽命、電沉積涂層性能、彎曲性能和磷化性能也十分優(yōu)異。這些優(yōu)異性能推測(cè)與涂層界面處形成的Al-Zn-Si合金相有關(guān)。未來(lái)通過(guò)與汽車企業(yè)的聯(lián)合評(píng)估，預(yù)計(jì)該類鋼板將可應(yīng)用于汽車用鋼領(lǐng)域。
