文／譚高山，楊正，龐高磊，李曉仁·廣汽乘用車有限公司

本文主要探討鋅鋁鎂材料在汽車覆蓋件中的應(yīng)用，從鋅鋁鎂材料應(yīng)用現(xiàn)狀、材料性能分析及沖壓成形等方面分析鋅鋁鎂材料應(yīng)用前景。通過鋅鋁鎂材料的應(yīng)用研究能有效提升零件成形性、耐腐蝕性及焊接性能，同時(shí)降低零件材料成本。

21 世紀(jì)以來，鋅鋁鎂鍍層鋼板廣泛應(yīng)用于建筑、輕工業(yè)，由于其良好的抗腐蝕性能及相對更低的材料成本，近年來也逐步拓展至汽車行業(yè)，分類也更加細(xì)化。目前，日本、韓國、歐洲、澳大利亞等主要汽車生產(chǎn)國家和地區(qū)均推出了各自的鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品，相對常規(guī)表面熱鍍鋅鋼板，鋅鋁鎂鍍層鋼板具有更好的成形性、耐腐蝕性、焊接性能及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。

鋅鋁鎂材料應(yīng)用現(xiàn)狀

鋅鋁鎂鍍層鋼板(ZM)是一種和純鋅鍍層鋼板基板相同，表面鍍鋅鋁鎂的熱浸鍍產(chǎn)品。目前，日本、韓國、澳洲、歐洲、中國等多個(gè)國家和地區(qū)已擁有商業(yè)化生產(chǎn)鋅鋁鎂鍍層鋼板的鋼鐵公司。鋅鋁鎂鍍層鋼板中Mg 含量在3%以內(nèi)，Al 含量1%～55%之間不等，由于Al 含量的不同，行業(yè)內(nèi)常把鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品分為“低Al”、“中Al”和“高Al”三類，分別滿足不同的應(yīng)用領(lǐng)域及性能需求。國際鋅協(xié)會關(guān)于鋅鋁鎂鍍層的成分研究顯示：適當(dāng)增加Al、Mg的含量，可大幅提升鍍層的耐腐蝕性。當(dāng)Al、Mg 總含量＞5%時(shí)，鍍層耐腐蝕性不再大幅提升。根據(jù)成形性及焊接性能等方面考慮，汽車領(lǐng)域主要采用“低Al”鋅鋁鎂鍍層，其中Al(≤3.5%)和Mg(≤3%)的含量都控制在相對比較低的范圍，在滿足汽車覆蓋件沖壓成形性、焊接性、耐腐蝕性等方面的要求下，成本相對更優(yōu)。

從汽車板材市場角度來看，相比鋅鐵合金鋼板(GA)，鋅鋁鎂鍍層鋼板具有更好的成形性能和防腐性能。此外，由于摩擦系數(shù)低，基板鋼材可降低一個(gè)牌號使用，例如可用DX53D ＋ZM 代替GD54D ＋ZF，在保證零件性能的同時(shí)，也具有良好的降本收益。在國外，歐洲主機(jī)廠(如寶馬、奧迪、奔馳、沃爾沃等)很早已開展鋅鋁鎂鍍層鋼板在汽車覆蓋件上的研究與應(yīng)用工作，其評估判斷鋅鋁鎂鍍層鋼板的沖壓成形高延展性及流動性特別適用于汽車外覆蓋件。在國內(nèi)，主流合資及自主品牌車企(如上海大眾、華晨寶馬、東風(fēng)日產(chǎn)、長城汽車、長安汽車、吉利Volvo、廣汽傳祺等)也已著手進(jìn)行鋅鋁鎂鍍層鋼板性能評估、認(rèn)證及零件試制工作。目前，寶鋼、首鋼、TAGAl 等主要鋼廠已能工業(yè)化生產(chǎn)此產(chǎn)品，且逐步搭載在汽車覆蓋件上應(yīng)用，隨著鋅鋁鎂材質(zhì)的迅速推廣，未來有望替代傳統(tǒng)鋅鐵合金鋼板(GA)。

鋅鋁鎂鍍層材料防腐原理

如前文所述，鋅鋁鎂鍍層鋼板中適當(dāng)增加Al、Mg 的含量后，鋼板鍍層表面會形成一層穩(wěn)定的Zn、Mg 和ZnAl 的保護(hù)層(如氯水鋅礦、堿式碳酸鋅、氧化鋁等)，可大大減慢鍍層的腐蝕速度，鍍層的耐腐蝕性由此可大幅提升幾倍，甚至十幾倍，不同板組防腐性能對比驗(yàn)證如圖1 所示。

圖1 不同板組防腐性能對比驗(yàn)證

鋅鋁鎂鍍層具有一定的自愈性，鋼板加工的切口部位暴露在空氣中容易發(fā)生紅銹腐蝕。然而表面鍍層中的合金元素在大氣環(huán)境中腐蝕溶于水，形成離子并隨著液膜流動覆蓋到鋼板切口位置，形成一層致密的保護(hù)膜，覆蓋切口處的紅銹，從而提高鋼板切口處的耐腐蝕性。鋅鋁鎂鍍層抗腐蝕示意圖見圖2。

圖2 鋅鋁鎂鍍層抗腐蝕示意圖

鋅鋁鎂材料應(yīng)用零件選定

根據(jù)鋅鋁鎂鍍層鋼板更好的成形性、防腐性、耐磨性等特點(diǎn)，選取某車型發(fā)動機(jī)罩外板進(jìn)行鍍層性能評估及零件試制。通過鋅鋁鎂鍍層材料的應(yīng)用，提高發(fā)動機(jī)罩外板防腐性以及零件沖壓過程中的耐磨性。材料選用GX220BD ＋ZF(GA 板)和GX220BD ＋ZM(ZM 板)進(jìn)行對比，基體材質(zhì)均為烘烤硬化鋼。根據(jù)CAE 分析結(jié)果顯示，相同工藝參數(shù)下相比GA 板，由于摩擦系數(shù)減小及鍍層性能差異，鋅鋁鎂鍍層鋼板材料收縮量、滑移線滑動距離變大(圖3)。如圖4 所示，局部減薄及零件型面回彈量減小(有利方向)。需根據(jù)材料收縮及滑移線分析結(jié)果，加大鋅鋁鎂鍍層鋼板拉延筋阻力，根據(jù)回彈量大小調(diào)整局部型面補(bǔ)償量。通過以上調(diào)整，可使鋅鋁鎂鍍層鋼板成形結(jié)果調(diào)整至與GA 板相近或更優(yōu)。

圖3 兩種材質(zhì)CAE 分析滑移線對比

圖4 兩種材質(zhì)CAE 分析型面回彈對比

圖5 不同板組焊接性能對比驗(yàn)證

前期驗(yàn)證及準(zhǔn)備工作

在鋅鋁鎂鍍層鋼板正式應(yīng)用前，需對其焊接性能、涂裝性能進(jìn)行驗(yàn)證。主要包括材料焊接性能、膠接性能、防腐性能等。下面以焊接性能與膠接性能驗(yàn)證為例：

焊接性能驗(yàn)證

在焊裝現(xiàn)場的工藝條件下，連續(xù)焊接600 點(diǎn)進(jìn)行耐久性測試。分別準(zhǔn)備各板組試片7 組，使用B-51/UCH-C10436 焊槍的某量產(chǎn)車型參數(shù)，在大試板上連續(xù)焊接600 點(diǎn)，其中第1 點(diǎn)、100 點(diǎn)、200 點(diǎn)、300 點(diǎn)、400 點(diǎn)、500 點(diǎn)、600 點(diǎn)取拉力試樣和進(jìn)行拉力試驗(yàn)，結(jié)果顯示：

1)各板組拉力試驗(yàn)結(jié)果均＞3.5kN，高于標(biāo)準(zhǔn)要求(2.7kN)，即鋅鋁鎂鍍層鋼板滿足現(xiàn)場工藝使用；

2)雙鋅鋁鎂鍍層鋼板＞鋅鋁鎂鍍層鋼板與GA 鍍層鋼板混搭＝GA 鍍層鋼板。

膠接性能驗(yàn)證

選取焊裝減振膠和點(diǎn)焊膠25mm×25mm×3mm涂膠，烘烤固化后以50mm/min 拉伸，測試斷裂時(shí)剪切強(qiáng)度，測試鋅鋁鎂鍍層鋼板剪切強(qiáng)度和耐久性能。如表1 所示，減振膠、點(diǎn)焊膠耐久性試驗(yàn)符合使用要求，粘接破壞狀態(tài)無異常，可滿足鋅鋁鎂材料的特性要求。

表1 鋅鋁鎂膠接性能驗(yàn)證

模具調(diào)試、出件結(jié)果驗(yàn)證

經(jīng)過前期的CAE仿真分析及焊、涂性能驗(yàn)證準(zhǔn)備，鋅鋁鎂鍍層鋼板進(jìn)入模具實(shí)體調(diào)試階段，需對前期分析及課題進(jìn)行出件確認(rèn)，以下以材料流入量及型面回彈量為例。

材料流入量及零件減薄率

對前期CAE 分析零件左側(cè)材料流入量(圖6)及整體減薄率(圖7)進(jìn)行跟蹤測量，在理論壓力(壓邊力300t、成形力1200t)下，材料流入量實(shí)際與理論基本一致，差異控制在5mm 以內(nèi)。在此材料流入量下，零件減薄率更優(yōu)于CAE 理論值，具有良好的沖壓成形性能。

圖6 鋅鋁鎂零件材料流入量與CAE 對比

圖7 鋅鋁鎂零件減薄率與CAE 對比

型面回彈量

通過零件實(shí)際掃描結(jié)果與理論回彈量對比，如圖8 所示?；貜椃较蚣盎貜椓炕疽恢?，優(yōu)于GX220BD+ZF(GA 板)。

圖8 鋅鋁鎂零件型面回彈與CAE 對比

結(jié)束語

綜合以上所述，鋅鋁鎂材料在整車降本、零件成形性能、防腐能力方面更具優(yōu)勢，國內(nèi)主流主機(jī)廠已在陸續(xù)進(jìn)行鋅鋁鎂材料研究與試制應(yīng)用，未來替代GA 板的趨勢明顯。未來通過大規(guī)模應(yīng)用，成本及性能優(yōu)勢將進(jìn)一步凸顯。