鋼材具有優(yōu)異的力學性能和焊接性能，且經濟性好、易于生產，因此應用廣泛。然而，鋼材在使用一定時間后容易生銹。為了彌補這一不足，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持續(xù)增速，預計鋅資源在不久的將來會枯竭。鑒于此，韓國浦項鋼鐵公司（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比試驗，評估該Al-Zn-Si合金涂層鋼板在汽車用鋼領域的適用性。研究結果表明，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，同時其點焊電極壽命、電沉積涂層性能和彎曲性能也十分優(yōu)異。推測這些優(yōu)異性能與涂層界面處形成的Al-Zn-Si合金相有關。
1引言
熱鍍鋅鋼板在汽車、家電、建筑等多個行業(yè)應用廣泛，且用量持續(xù)增長。然而，若全球鋅的使用量仍按當前趨勢增加，預計鋅資源在不久的將來會完全枯竭，因此，目前業(yè)界正尋求通過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，耐腐蝕性遠優(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注。早在20世紀60年代，就有相關研究報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，鎂和鋁均為化學活性較高的元素，添加后難以控制鋅浴狀態(tài)并保證產品表面質量。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）等涂層產品，高耐腐蝕性合金涂層產品才得以實現(xiàn)商業(yè)化。該類產品研發(fā)成功后，首先應用于高端建筑材料領域。此后，在21世紀中期，受鋅價飆升及未來鋅資源枯竭預期的影響，歐洲鋼鐵企業(yè)和汽車企業(yè)開始重點關注Zn-Al-Mg合金涂層。最終，歐洲鋼鐵企業(yè)研發(fā)出了適用于汽車內外飾件的Zn-Al-Mg涂層產品，該類產品在鎂含量1%-2%、鋁含量1%-3%的范圍內，滿足了表面質量、焊接性能等汽車用鋼要求。
在韓國，浦項鋼鐵公司（POSCO）于2012年研發(fā)出了適用于建筑材料、鎂含量為3%的PosMAC3.0涂層產品，隨后又研發(fā)出了適用于汽車和家電領域、鎂含量為1%-2%的PosMAC1.5涂層產品。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品的研發(fā)與生產力度。在產品標準方面，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）已擴充并修訂了高耐腐蝕性合金涂層標準，以涵蓋更廣泛的涂層成分；韓國、歐洲及東南亞地區(qū)也已制定并修訂了相關國家標準。這為高耐腐蝕性合金涂層鋼板在各行業(yè)的推廣應用創(chuàng)造了條件，預計未來全球對該類產品的需求將進一步增長。
盡管Zn-Al-Mg合金涂層具有優(yōu)異的高耐腐蝕性，但要滿足對外觀美感要求較高的汽車外板和家電產品需求，仍需更嚴格的質量控制。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生浮渣缺陷；且由于會形成凝固行為不同的多種物相（Zn、MgZn2、Al等），表面質量控制難度較大。此外，Zn-Al-Mg涂層鋼板的熔點較低，在先進高強度鋼（AHSS）涂覆過程中易發(fā)生液態(tài)金屬脆化（LME），這也是其一大缺點。因此，本研究為解決上述問題，對全球首創(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行了試驗，旨在評估該鋼板在汽車領域的適用性。
2試驗方法
為評估60%-70%Al-Zn-Si涂層鋼板在汽車領域的應用性能，在不同試驗條件下對其進行了腐蝕試驗、點焊試驗、彎曲試驗和表面試驗。本試驗所用的Al-Zn-Si涂層鋼板通過連續(xù)熱鍍鋅線（CGL）生產，材料厚度為1.2mm，涂層重量分別為20g/m2、30g/m2和60g/m2。試驗選用涂層重量為60g/m2的熱鍍鋅鋼板作為對比材料。
腐蝕試驗依據(jù)國際標準化組織（ISO）8227標準進行鹽霧試驗（SST），并依據(jù)ISO14993標準進行循環(huán)腐蝕試驗（CCT）。腐蝕試驗的試樣尺寸為150mm×70mm。焊接試驗采用點焊機進行，通過點焊過程中的電極壽命和可焊電流范圍來評估焊接性能。電極壽命由焊點熔核尺寸和焊點數(shù)量決定，同時通過觀察先進高強度鋼點焊后的橫截面組織，判斷液態(tài)金屬脆化（LME）是否發(fā)生。
為對比Al-Zn-Si涂層鋼板與傳統(tǒng)熱鍍鋅鋼板的摩擦系數(shù)，進行了往復表面摩擦試驗。表面摩擦性能與復雜形狀零件的沖壓成型質量（粘著磨損）密切相關。試驗流程如下：如圖1所示，試驗設備裝有3個摩擦壓頭，均勻分布在直徑為200mm的圓周上。每個壓頭的表面尺寸為18mm×28mm，表面經硬鉻鍍層處理后再進行研磨拋光，壓頭表面硬度為700-1000HV。摩擦壓頭以5MPa的壓力與試樣接觸，隨后試樣進行重復旋轉運動。隨著試樣的旋轉，實時測定摩擦系數(shù)，試樣總旋轉次數(shù)為40-100圈。所有試樣的表面粗糙度均為1.0-1.5Ra，且試驗均在試樣表面涂油的相同條件下進行。
此外，為評估該鋼板在汽車領域的適用性，還對其彎曲性能、磷化處理性能和電沉積涂層性能進行了綜合評估。
3試驗結果
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；同時發(fā)現(xiàn)，在涂層內部可見裂紋的區(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的熱鍍鋅鋼板在經過168h鹽霧試驗后的表面外觀。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生嚴重紅銹，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的熱鍍鋅鋼板在經過168h循環(huán)腐蝕試驗后的表面外觀。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生嚴重紅銹，這說明即使Al-Zn-Si涂層的重量僅為熱鍍鋅涂層的一半，其耐腐蝕性仍然很優(yōu)異。通過X射線衍射（XRD）對Al-Zn-Si涂層的腐蝕產物進行分析，分析結果如圖5所示。根據(jù)圖5的結果顯示，腐蝕產物主要由ZnO、Zn2Al（OH）6Cl2·H2O、Al2O3和SiO2組成。由此推測，與熱鍍鋅涂層的多孔腐蝕產物相比，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沖壓成型工藝至關重要。摩擦系數(shù)越高，沖壓過程中越容易出現(xiàn)粘著磨損問題。較高的摩擦阻力會導致鋼板表面變形，使表面小顆粒脫落。這些脫落的顆粒在反復沖壓過程中會堆積在模具表面，進而在沖壓操作中產生粘著磨損缺陷。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)生會導致生產過程中需中斷以清理沖壓模具，從而降低生產效率。因此，對于沖壓工藝而言，涂層材料需具備較低的摩擦系數(shù)和較強的表面抗變形能力，這是非常理想的性能特點。
圖6對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摩擦試驗后的摩擦系數(shù)變化。當摩擦試驗往復約20次時，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涂層鋼板在點焊過程中的電極壽命。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600-1700次，表現(xiàn)出更高的電極壽命。推測原因是，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涂層鋼板在點焊過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涂層鋼板的點焊性能優(yōu)異。
表1對比了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估結果。結果顯示，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或更優(yōu)。此外，Al-Zn-Si涂層鋼板表面無鋅花，外觀效果極佳；同時其涂層潤濕性優(yōu)異，因此，具有涂層附著力較好的優(yōu)勢，可用于生產包括相變誘導塑性鋼（TRIP）在內的先進高強度鋼。
4結論
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)異性能推測與涂層界面處形成的Al-Zn-Si合金相有關。未來通過與汽車企業(yè)的聯(lián)合評估，預計該類鋼板將可應用于汽車用鋼領域。
