汽车用热镀锌钢板镀层的性能综述

蚀性和涂着性 。所以合金化镀层板的成型性能近年 来广受人们关注 。
图 2 为粉化和剥离破坏机制的示意图[3] 。粉化 一般是受到外界压应力时 ,在镀层中产生龟裂 ,裂纹 扩展到镀层表面便形成了粉化 。如果合金化程度不 足 ,镀层中存在较多的延性ζ相 ,在冲压成型时由于 镀层受很大的模具压力 ,容易造成镀层较大面积的 剥落 ,称为剥离 。
co rro sion resistance , formability , weldability and paintability , were int roduced and t he current develop ment s of such coating performance were p resented. The new st udy met hods of such perfo rmance were int roduced too .
of zinc2coated coating
一般认为粉化和剥离与镀层的化学成分及相结 构有关 。研究进一步发现镀层粉化量随镀层中的铁 含量升高 而增 多[4] (铁 含 量 高 意 味 着 Fe2Zn 相 量 多) ,如图 3 和图 4[4] 所示 ,并且裂纹一般首先出现 在Γ 相/ 基体界面[5 ] 以及Γ 相/δ相界面[6 ] 。
2 热镀锌钢板镀层性能综述
2. 1 镀层的耐腐蚀性能 钢铁在各种环境中的腐蚀可以分为化学腐蚀和
电化学腐蚀两类 。镀锌后的钢材 ,由于锌的覆盖 ,隔 断了钢材表面和环境的接触 ,减少了钢材与环境之 间的化学腐蚀 。另外 ,锌的电极电位比铁的电极电
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理化检验 - 物理分册
余金山等 :汽车用热镀锌钢板镀层的性能综述
理化检验 - 物理分册 P TCA ( PA R T :A P H YS. T ES T. ) 2005 年 第 41 卷 7
综 述
汽车用热镀锌钢板镀层的性能综述
余金山 , 张津徐 , 吴建生
(上海交通大学材料科学与工程学院 , 上海 200030)
刘俊亮 , 陈家光
(宝钢分析测试中心物理室 , 上海 201900)
气候腐蚀 。 (3) 涂漆性 :磷化和电泳涂漆性好 。 (4) 焊接性 :对电极损害小 ,焊接参数范围宽 。 (5) 表面质量 :表面平整 ,镀层厚度均匀 。 (6) 公差尺寸 :板形平整 ,公差小 。 通常 ,镀锌钢板所要求的性能由基体 、中间层及
镀层的显微组织决定 ,而基体的化学成分和晶粒度 等对镀层的性质有很大的影响 。对于镀锌层 ,最重 要的性能是耐腐蚀和成型性能 。另外由于镀锌钢板 在汽车工业上的广泛应用 ,镀锌层的焊接性能和涂 装性能也日益被人们所关注 。
合金化镀层板在电阻点焊时 ,由于 Fe2Zn 相与 电极合金之间反应较困难 ,所以电极寿命得到提高 。 White[11] 等人在研究合金化镀层板的焊接性能时发 现 ,电极寿命主要决定于焊接电流 。焊接合金化镀 层板时 ,电极尖端会形成一个凸起的形状而不会有 空洞产生 ,这样的尖端状电极能维持较高的焊接电 流密度 ,从而提高了电极寿命 。另外 ,文献[ 12 ]研究 了基体化学成分对电极寿命的影响 。结果表明 ,加 硼后的 IF 钢合金化镀层板焊接时能提高电极的寿 命 。文献[ 13 ]指出 ,电阻点焊时镀层和电极合金会 发生化学反应而生成一些金属间化合物 ,这些金属 间化合物不粘在焊接面上 ,也不向焊接面扩散 ,而是 留在电极表面 。由此可见 ,镀层在电极表面形成化 合物的能力决定了电极寿命 。 2. 4 镀层的涂装性能
T H E OV ERV IEW O F T H E COA TIN G P ER FO RMANCE O F GAL VAN IZED S H EE T A PPL IED IN A U TOMOB IL E Y U Jin2shan , ZHANG Jin2xu , WU Jian2sheng
(School of Material Science and Engineering , Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200030 , China)
另外一种观点认为[8] ,合金化镀层剥离与镀层 附着力不强和镀层摩擦系数大有关 。当镀层表面存 在过多的ξ相时 ,由于ξ相的硬度比δ相低 ,镀层摩 擦系数大 ,镀层的不均匀性造成剪切应力集中 ,因而 会损害镀层的抗剥离性 。另一方面 ,在一定条件下 δ相会产生两种结构 ,靠近镀层表面一侧富锌的δ 相生长到了ξ相层里 ,微观结构为垂直于钢/ 镀层界 面的柱状组织 ,或者栅状结构 ;在钢/ 镀层界面附近 , 富铁的δ相微观结构为杂乱取向的微小晶粒体 ,即 致密δ相 。过合金化增加了致密δ相的厚度并使其 出现极不均匀组织 。致密δ相的微晶粒无疑是过合
(a) 低速挤压 (粉化)
(b) 高速挤压 (剥离) 图 2 粉化和剥离形成模型示意图[3] Fig. 2 Schematic model for powdering and
flaking of t he coating
图 1 不同腐蚀环境下镀锌层的腐蚀速度[2] Fig. 1 Rate of corro sion in different environment
理化检验 - 物理分册
Байду номын сангаас
余金山等 :汽车用热镀锌钢板镀层的性能综述
图 4 镀层中铁含量与其粉化面积的关系[4] Fig. 4 The relatio nship of iron co ntent in coating and
powdering area
裂纹沿界面平行方向扩展的速度与Γ 相层厚度有 关[7] ,因此Γ 相层太厚对镀层抗粉化性能有害 。但 最近的研究表明 ,Γ 相层厚度 < 1. 0μm 时 ,抗粉化性 能对 Γ 相 厚 度 并 不 敏 感 , 直 到 Γ 相 的 厚 度 超 过 11 0μm 时 ,粉化量才随Γ 相的厚度增加而增加 。说 明影响镀层抗粉化性能的因素除了Γ 相厚度外 ,还 有其它因素 。事实上 ,现在已经可以将镀层中的铁 含量控制在 11 %左右 ,这样可以阻碍厚的Γ 相的形 成 ,因此抗粉化性能的主要影响因素是δ相和ζ相 。 由于δ相硬而脆 ,对成型性不利 ,而ζ相硬度与基体 钢板相当 ,在形变时有利于释放镀层中的残余应力 , 但其韧性高 ,易粘在模具上造成镀层表面缺陷或者 发生剥离 。因此只有当镀层中的ζ相和δ相具有适 当比例时 ,镀层才具有好的成型性 。U rai[3] 等建议 用ζ相和δ相的厚度或体积比 (ζ/δ) 来描述镀层的 抗粉化性能 ,当ζ/δ较高时 ,镀层抗粉化性能较好 。 但当ζ/δ值相同时 ,不同的基体材料经不同的热处 理工艺所得到的镀层抗粉化性能却不同 。另外 ,当 ζ相和δ相的形貌不同时 ,抗粉化性能也不同 ,可见 镀层的抗粉化性能受多种因素影响 ,用ζ/δ值来比 较不同镀层的抗粉化性能是有局限性的 。
L IU Jun2l iang , CHEN Jia2guang
( Physical Testing Sectio n of Testing Center , Bao steel Group s , Shanghai 201900 , China)
Abstract : The important coating performance of galvanized steel sheet s which applied in automo bile , such as
Key words : Galvanized steel sheet ; Co rro sion resistance ; Formability ; Weldability ; Paintabilit y
1 引言
在汽车工业发展过程中 ,各国追求的目标之一 是延长其服役寿命 。造成汽车损坏的重要原因之一 是腐蚀 ,据报道 ,全世界每辆汽车由于腐蚀平均年损 失约 150～250 美元 。热镀锌是应用最广泛的金属 防腐方法 。为了防止汽车车身的腐蚀 ,20 世纪 70 年代开始采用热镀锌薄钢板 。德国首次推出了全镀 锌薄钢板车身[1] ,此后 ,热镀锌钢板增长率不断上 升 。由于汽车制造加工过程中的特点 ,因此汽车工 业对热镀锌板有如下的性能要求 :
图 3 Ti2IF 钢合金化镀锌层粉化失重与 镀层中铁含量的关系
Fig. 3 The powdering lo ss of Ti2added IF galvannealed steel sheet s in f unction of t he iron content of coating
以往的研究普遍认为 ,界面存在的Γ 相是造成 抗粉化性能低的原因 。从合金化镀锌板的弯曲实验 发现 ,裂纹在Γ 相比在Γ +δ相层更易扩展 ,这说明
位低 (锌为 - 0. 762V 、铁为 - 0. 44V ) ,在完整的锌 覆盖镀层受到破坏而使基体表面露出个别不太大的 部分时 ,锌将作为铁2锌原电池的阳极 ,以电化学作 用仍然保护着基体 。这就是锌的阳极保护作用 。
镀锌层在腐蚀环境下会形成一层多孔的锌的氧 化物薄膜 ,形成的机制是锌的溶解或者再沉淀 。多 孔薄膜会引起锌通过高孔隙率区域的择优腐蚀 。锌 的腐蚀遵循直线规律 ,图 1 是不同腐蚀环境下镀锌 层的腐蚀速度[2] ,锌溶解后 ,锌的氢氧化物会在钢板 表面沉淀 ,形成第二种阻挡层 。虽然锌的腐蚀速度 随腐蚀环境的不同而异 ,但在相同的条件下 ,锌的腐 蚀速度相对于钢来说要慢得多 ,在暴露条件相同时 , 锌的抗腐蚀能力是钢铁的 25 倍 。由此可见 ,镀锌层 的寿命由腐蚀环境和镀层厚度所决定 。
金化镀层硬度增加的原因 ,而该组织的不均匀性加 剧了过合金化镀层抗粉化性能的恶化程度 。由此文 献[ 8 ]认为 ,镀层表面ξ相消失而不均匀的致密δ相 未出现时 ,这样的镀层组织就是最佳镀层组织 。 2. 3 镀层的焊接性能
因为大多数汽车用热镀锌板都以焊接的方式成 形 ,所以镀锌层的焊接性能是镀锌板一个很重要的 性能 。镀锌板在进行电弧焊时容易产生气孔和飞溅 现象 。最近的研究[9] 表明 ,气孔的形成是由于锌的 蒸发造成的 。在电阻点焊时 ,镀锌层由于与铜电极 反应形成化合物而降低电极寿命 ,对于纯锌层板的 焊接 ,电极寿命会从焊接裸板的 10 000 个焊点降至 1 500～2 000 个焊点 ,这样会因为频繁的更换和调 整电极而影响生产率 。电极寿命的降低是由于电阻 点焊时电极和镀锌板之间的温度 (800 ℃) 大大高于 纯锌的熔点 (419 ℃) ,这样锌和 Cu/ Cr/ Zr 电极会发 生化学反应而形成黄铜 ,黄铜的力学性能比电极合 金的力学性能低 ,在焊接时会使电极活化面直径随 焊点增多而增大 ,呈蘑菇状 ,如图 5[10] 所示 。电极活 化面直径的增加会减小焊接电流密度而使焊接时熔 核的尺寸减小 ,从而使焊接质量下降 。