摘要：以鍍層厚度均為0.7 mm的DC56D+ZM鋼板和DC56D+Z鋼板為研究對(duì)象，利用板材成形拉延筋摩擦試驗(yàn)機(jī)、板材綜合成形試驗(yàn)機(jī)、掃描電鏡和MTS納米壓痕試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)驗(yàn)證鋅鋁鎂鍍層鋼板解決沖壓開(kāi)裂的可行性和機(jī)理。結(jié)果表明：鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數(shù)較純鋅鍍層低25%，鋅鋁鎂鍍層鋼板成形極限性能優(yōu)于純鋅鍍層鋼板；鋅鋁鎂鍍層細(xì)小的晶粒尺寸和較高的硬度使鍍層具有更低、更穩(wěn)定的表面摩擦因數(shù)，可顯著提高鋼板的成形性能，能夠有效改善汽車零件的沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：鋅鋁鎂鍍層 表面摩擦因數(shù) 門(mén)內(nèi)板 沖壓開(kāi)裂

中圖分類號(hào)：TG113.25" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240058

Analysis of Anti Stamping Cracking Performance of Zn-Al-Mg Coated Steel Plate

Abstract： In this research， DC56D+ZM steel plate and DC56D+Z steel plate with coating thickness of 0.7 mm are taken as the research objects. The feasibility and mechanism of Zn-Al-Mg coated steel plate to solve stamping cracking are verified by using friction testing machine for sheet metal forming and stretching ribs， sheet comprehensive forming testing machine， scanning electron microscope， and MTS nanoindentation testing machine. The results show that the surface friction coefficient of the Zn-Al-Mg coating is 25% lower than that of the pure zinc coating. The forming limit performance of Zn-Al-Mg coated steel plates is better than that of pure zinc coated steel plates. Due to the finer grain size and higher hardness of the Zn-Al-Mg coating， the coating has a lower and more stable surface friction coefficient， which can significantly improve the forming performance of the steel plate and effectively improve the stamping cracking problem of automobile parts.

Key words：Zn-Al-Mg coating， Surface friction coefficient， Door inner panel， Stamping cracking

1 前言

熱鍍鋅鋼板以鋅為鍍層，因其鍍層均勻、附著力強(qiáng)和耐蝕性好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車、建筑和家電等行業(yè)[1-4]。隨著熱浸鍍技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋼板的各項(xiàng)性能要求逐步提高，大大推動(dòng)了新型鍍層鋼板的出現(xiàn)[5]。鋅鋁鎂鍍層鋼板的耐蝕性是純鋅鍍層鋼板的三倍乃至十幾倍[6]，基于此，汽車用鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品在厚度薄于純鋅鍍層的基礎(chǔ)上仍可獲得優(yōu)異的抗腐蝕性能，降低了鋅的損耗和成本。同時(shí)，鎂元素的添加使鋅鋁鎂鍍層具有更高的硬度、更好的耐磨性和更低、更穩(wěn)定的摩擦因數(shù)[7-10]。鋅鋁鎂鍍層鋼板的上述特點(diǎn)使其在汽車車身零件沖壓成形方面較傳統(tǒng)純鋅鍍層鋼板更具優(yōu)勢(shì)，能夠從材料角度降低沖壓開(kāi)裂的發(fā)生幾率。較低的摩擦因數(shù)有利于模具內(nèi)的金屬流動(dòng)，較高的鍍層硬度降低了汽車車身零件沖壓過(guò)程中的鍍層磨損，避免鋅粉堆積導(dǎo)致零件開(kāi)裂。

沖壓開(kāi)裂問(wèn)題受鋼板、模具以及鋼板加工過(guò)程和潤(rùn)滑條件等因素共同影響?；阡\鋁鎂鍍層與純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數(shù)特性差異，探索鋅鋁鎂鍍層對(duì)汽車車身零件沖壓開(kāi)裂問(wèn)題的改善效果，以期為鋅鋁鎂鍍層鋼板在車身零件上的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選材為某熱鍍鋅產(chǎn)線生產(chǎn)的厚度為0.7 mm的純鋅鍍層鋼板DC56D+Z和鋅鋁鎂鍍層鋼板DC56D+ZM，鋼板合金成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。

2種鍍層鋼板基板DC56D的成分相同，退火工藝如表3所示。軋硬板退火熱浸鍍后，2種鋼板的力學(xué)性能相近。

使用板材成形拉延筋摩擦試驗(yàn)機(jī)FCTI-20 kN，依據(jù)YB/T 4286—2012《金屬材料薄板和薄帶摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》中的平板摩擦法制定試驗(yàn)，設(shè)定夾持力為4 000 N，拉延距離為100 mm，拉延速度為150 mm/min。對(duì)上述純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板同一位置分別進(jìn)行多次摩擦，對(duì)比2種鋼板初始摩擦因數(shù)和多次摩擦后摩擦因數(shù)的變化，結(jié)果如圖1所示。鋅鋁鎂鍍層初始表面摩擦因數(shù)相比于純鋅鍍層低25%，經(jīng)多次摩擦后，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數(shù)降低近10%，純鋅鍍層表面摩擦因數(shù)增長(zhǎng)近34%。

使用Zwick BUP1000板材綜合成形試驗(yàn)機(jī)，在2種鍍層鋼板表面不涂潤(rùn)滑油的情況下，測(cè)試鋼板的成形極限，結(jié)果如圖2所示。可以看出，相同試驗(yàn)條件下，鋅鋁鎂鍍層鋼板承受更大的應(yīng)變才出現(xiàn)開(kāi)裂，具有更優(yōu)良的成形性。

綜上所述，鋅鋁鎂鍍層鋼板相較于純鋅鍍層鋼板具有更低、更穩(wěn)定的表面摩擦因數(shù)，使鋅鋁鎂鍍層鋼板在變形過(guò)程中具有更好的成形性能。

為驗(yàn)證鋅鋁鎂鍍層鋼板成形性能，選取某車型油底殼零件進(jìn)行0.7 mm厚度純鋅鍍層DC56D+Z鋼板和鋅鋁鎂鍍層DC56D+ZM鋼板的沖壓對(duì)比試驗(yàn)。沖壓設(shè)備為800 t液壓拉伸試驗(yàn)機(jī)，沖壓參數(shù)均設(shè)定為主缸壓力16 MPa、壓邊力9 MPa，2種鍍層鋼板表面均不涂潤(rùn)滑油，沖壓結(jié)果如圖3所示。純鋅鍍層鋼板沖壓的油底殼在深拉延位置出現(xiàn)開(kāi)裂，鋅鋁鎂鍍層鋼板沖壓油底殼成形良好，無(wú)開(kāi)裂問(wèn)題。

綜上，鋅鋁鎂鍍層鋼板是一種相較于純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數(shù)更低、更穩(wěn)定的新型合金鍍層鋼板。鋅鋁鎂鍍層可以提升鋼板的成形極限，在實(shí)際應(yīng)用中，具有比純鋅鍍層鋼板更好的成形性能。

3 應(yīng)用場(chǎng)景

汽車車門(mén)內(nèi)板是車身深沖難度最大的零件，極易發(fā)生沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。為驗(yàn)證鋅鋁鎂鍍層鋼板在改善汽車車身零件沖壓開(kāi)裂問(wèn)題中的效果，選用某車型的后車門(mén)內(nèi)板進(jìn)行0.7 mm厚度純鋅鍍層DC56D+Z和鋅鋁鎂鍍層DC56D+ZM鋼板的對(duì)比沖壓試驗(yàn)。在沖壓前，使用Argus網(wǎng)格應(yīng)變儀對(duì)該零件進(jìn)行網(wǎng)格試驗(yàn)分析，網(wǎng)格試驗(yàn)選取如圖4所示的A、B、C、D、E共5個(gè)區(qū)域作為研究對(duì)象。沖壓前先在純鋅鋼板相應(yīng)部位打印好網(wǎng)格，待零件沖壓成形后，對(duì)網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行掃描，從而得到零件各區(qū)域的成形極限圖，網(wǎng)格分析整體見(jiàn)圖4。

從網(wǎng)格分析結(jié)果可知，此零件A區(qū)、B區(qū)成形安全裕度lt;10%，屬于易開(kāi)裂位置，如圖5、圖6所示，減薄云圖中紅色區(qū)域?yàn)橐诇p薄開(kāi)裂位置，成形極限圖從上到下的3條線分別代表0%、5%和10%安全裕度。

C區(qū)成形安全裕度≥10%，但因焊縫區(qū)受力復(fù)雜，差厚比的變化使厚板側(cè)材料流動(dòng)困難，焊縫容易向薄板側(cè)偏移，薄板側(cè)材料容易發(fā)生減薄開(kāi)裂，D區(qū)也存在減薄開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但成形安全裕度≥10%，較充足，如圖7～圖9所示。

零件造型不改動(dòng)的條件下，解決拼焊板的焊縫開(kāi)裂的關(guān)鍵是增大兩側(cè)的材料流入量，避免發(fā)生減薄開(kāi)裂。

基于以上分析，使用舒樂(lè)沖壓機(jī)，分別沖壓純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板100片。設(shè)定壓機(jī)壓力為（0.61±0.02） MPa，沖次為20次/min，壓邊圈壓力為33 kN，純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層鋼板表面均涂面密度為0.6 g/m2的同種潤(rùn)滑油。沖壓后，鋅鋁鎂鍍層鋼板無(wú)開(kāi)裂，純鋅鍍層鋼板開(kāi)裂達(dá)14件，A區(qū)域開(kāi)裂7件，B區(qū)域開(kāi)裂3件，C區(qū)域開(kāi)裂4件。將沖壓拉延后的零件進(jìn)行對(duì)比，鋅鋁鎂鍍層鋼板的邊部流入量比純鋅鍍層鋼板大5～8 mm。

綜上所述，對(duì)于純鋅鍍層鋼板沖壓存在沖壓開(kāi)裂問(wèn)題的汽車后門(mén)內(nèi)板零件，鋅鋁鎂鍍層鋼板因其表面更低、更穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，在沖壓過(guò)程中鋼板有更好的流動(dòng)性，能夠有效降低開(kāi)裂發(fā)生率。

4 機(jī)理分析

使用掃描電鏡對(duì)純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層表面物相進(jìn)行分析，純鋅鍍層晶粒尺寸主要分布在240～560 μm范圍內(nèi)，如圖10所示。

鋅鋁鎂鍍層純鋅相晶粒尺寸≤50 μm，鋅鎂和鋅鋁鎂共晶相尺寸≤5 μm，如圖11所示。對(duì)比可知，鋅鋁鎂鍍層晶粒尺寸遠(yuǎn)小于純鋅鍍層晶粒，鋅鋁鎂鍍層通過(guò)晶粒細(xì)化可以達(dá)到更高的強(qiáng)度和硬度。

為進(jìn)一步確認(rèn)鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層硬度的差別，使用MTS納米壓痕試驗(yàn)機(jī)測(cè)試純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層的硬度，泊松比設(shè)定為0.25，其他參數(shù)采用設(shè)備默認(rèn)值，檢測(cè)位置如圖12所示。純鋅鍍層硬度為1.0～1.1 GPa，鋅鋁鎂鍍層純鋅相1.35～1.45 GPa，鋅鋁鎂鍍層共晶相硬度為1.7～1.8 GPa。鋅鋁鎂鍍層因更細(xì)的晶粒、更高的鍍層硬度，在摩擦過(guò)程中表現(xiàn)出更低更穩(wěn)定的摩擦因數(shù)。

為進(jìn)一步貼近汽車零件實(shí)際沖壓條件評(píng)價(jià)鋅鋁鎂鍍層與純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數(shù)的差異，使用板材成形拉延筋摩擦試驗(yàn)機(jī)FCTI-20 kN，依據(jù)YB/T 4286—2012《金屬材料 薄板和薄帶 摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》中的平板摩擦法制定試驗(yàn)，拉延距離100 mm，在不同夾持力、不同溫度和不同拉延速度下分別對(duì)比鋅鋁鎂鍍層鋼板和純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數(shù)。每組取10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所示。

當(dāng)夾持力分別為3 000 N、6 000 N時(shí)，鋅鋁鎂鍍層鋼板、純鋅鍍層鋼板表面摩擦因數(shù)無(wú)明顯差異，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數(shù)比純鋅鍍層低16.5%～17.5%；當(dāng)夾持力為9 000 N時(shí)，鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦因數(shù)均有明顯提升，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數(shù)比純鋅鍍層低8%。

鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦因數(shù)隨溫度升高，呈遞增趨勢(shì)，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦因數(shù)仍明顯小于純鋅鍍層8%～20%。鋅鋁鎂鍍層和純鋅鍍層表面摩擦系數(shù)均隨拉延速度升高而降低，鋅鋁鎂鍍層表面摩擦系數(shù)仍低于純鋅鍍層25%～28%。

拉深成形工藝中，摩擦因數(shù)對(duì)板料成形性能的影響具有雙重性。對(duì)于凸緣、凹模圓角和凸模圓角等變形區(qū)或走料區(qū)，摩擦因數(shù)小可增加板料的流動(dòng)性，提高零件的成形性能。而針對(duì)傳力區(qū)，零件主要受徑向拉應(yīng)力，增大凸模與板料摩擦，有利于減小徑向拉應(yīng)力，降低傳力區(qū)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。但在板料拉延過(guò)程中，凸模鍍鉻硬化后表面變得很光滑，板料摩擦因數(shù)的降低對(duì)摩擦力減小帶來(lái)的傳力區(qū)開(kāi)裂的不利影響有限，但摩擦因數(shù)降低，可明顯降低壓邊圈、凹模圓角等變形區(qū)的摩擦阻力，板料流動(dòng)性提高，零件開(kāi)裂發(fā)生率降低。綜合看來(lái)，板料拉延過(guò)程中，壓邊圈為主要變形區(qū)。此部分的摩擦對(duì)成形性能的影響要大于傳力區(qū)，因此減小摩擦對(duì)板料拉延成形是有利的。

綜上所述，鋅鋁鎂鍍層因其更細(xì)的晶粒度和更高的硬度，具有比純鋅鍍層更低、更穩(wěn)定的表面摩擦因數(shù)，這種優(yōu)勢(shì)在不同夾持力、不同溫度和不同拉延速度下均穩(wěn)定存在。

5 結(jié)論

a.鋅鋁鎂鍍層鋼板因其表面由硬度更高、晶粒更細(xì)小的純鋅相和共晶相組成，表面摩擦因數(shù)比傳統(tǒng)純鋅鍍層鋼板低25%左右。

b.鋅鋁鎂鍍層鋼板表面更低、更穩(wěn)定的摩擦因數(shù)使其具有更優(yōu)良的成形極限性能。對(duì)于沖壓成形安全裕度不足、容易開(kāi)裂的汽車車身零件，可以起到優(yōu)化沖壓開(kāi)裂，提升沖壓安全裕度的效果。

c.通過(guò)使用鋅鋁鎂鍍層鋼板替換純鋅鍍層鋼板，可以大幅提升汽車車身零件沖壓成形效果，提升安全裕度，改善效果穩(wěn)定可推廣。

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