鍍鋁鋅板沖壓過程表面發(fā)黑原因分析

林彬，趙波

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

在相同條件下，鍍鋁鋅板耐大氣腐蝕能力比鍍鋅板高出2～6倍，鍍鋁鋅板鍍層結(jié)構(gòu)由富鋁相和富鋅相組成，其中富鋁相體積比約占80%，富鋅相約占20%，這種鍍層結(jié)構(gòu)把鋁的隔離保護與耐久性和鋅的電化學保護完美結(jié)合，使鍍鋁鋅板耐蝕能力大幅提高。鍍鋁鋅板表面光亮，反射熱和光的能力是熱鍍鋅板的2倍；鋅花結(jié)構(gòu)立體感強，使鍍鋁鋅板可以直接裸板使用；鍍鋁鋅鋼板有著良好的耐熱抗氧化性，在315℃環(huán)境下長期使用不變色。這些優(yōu)勢使鍍鋁鋅板越來越得到國內(nèi)終端用戶的認可和廣泛使用。

近十年國內(nèi)鍍鋁鋅生產(chǎn)線逐漸呈遞增趨勢，從2004年鍍鋁鋅產(chǎn)量占熱鍍鋅產(chǎn)量的5%左右發(fā)展到2015年的14.15%[1]。雖然鍍鋁鋅板的需求不斷增加，但其生產(chǎn)過程中仍存在鍍液溫度高，易結(jié)渣，板面質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，且鍍鋁鋅引進到國內(nèi)的工藝相對熱鍍鋅工藝的時間晚，其工藝技術(shù)交流不充分，因此國產(chǎn)鍍鋁鋅板品質(zhì)普遍不高，在沖壓過程出現(xiàn)表面發(fā)黑現(xiàn)象，影響沖壓部件的美觀。文中對此進行了研究。

1 存在的問題

2008年鞍鋼股份有限公司冷軋廠進行自主集成改造，具備了生產(chǎn)鍍鋁鋅板的能力。通過近十年的技術(shù)積累，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)量由4萬t/a增加到8萬t/a。雖然應用領(lǐng)域不斷擴展，但其應用技術(shù)研究還有待完善和積累。

空調(diào)行業(yè)是鞍鋼鍍鋁鋅產(chǎn)品未來重點發(fā)展的潛在應用領(lǐng)域，國內(nèi)某知名空調(diào)企業(yè)和鞍鋼合作共同研發(fā)采用鍍鋁鋅替代熱鍍鋅的項目。研究發(fā)現(xiàn)，鞍鋼鍍鋁鋅板在沖壓中會出現(xiàn)表面發(fā)黑現(xiàn)象，如圖1所示。區(qū)域1為與模具發(fā)生相對摩擦后發(fā)黑嚴重部位，區(qū)域2為受模具壓力但無相對滑動區(qū)域。

圖1 鞍鋼鍍鋁鋅鋼板沖壓后發(fā)黑試樣

2 發(fā)黑原因分析

2.1 宏觀形貌分析

用酒精擦拭沖壓發(fā)黑部件，發(fā)黑試樣宏觀形貌見圖2。隨著擦拭次數(shù)增加，試樣表面顏色逐漸變淺，說明黑色物質(zhì)可以部分擦掉。反復擦拭后試樣表面沿模具運動方向的劃痕清晰可見，鍍層鋅花不明顯。在沖壓過程中，該部分受力較大，模具污染嚴重，因此推斷沖壓過程中產(chǎn)生的污染物可能來自于模具，或可能來自試樣表面脫落的耐指紋膜或鋁鋅粉末摩擦堆積所致。

圖2 發(fā)黑試樣宏觀形貌

2.2 微觀形貌分析

掃描電鏡具有投射深度較深和能譜穿透性較強的特點，利用掃描電鏡，結(jié)合X射線光電子譜儀（XPS），測量納米層范圍的成分，將發(fā)黑部件劃分為發(fā)黑部分和未變化部分兩個區(qū)域，比較兩區(qū)域的表面狀態(tài)和元素價態(tài)，分析Al、Zn元素發(fā)生的變化，找出沖壓發(fā)黑的根本原因。

2.2.1 掃描電鏡及能譜分析

為了進一步分析黑色物質(zhì)的組成，取沖壓部件中的區(qū)域1和區(qū)域2為分析對象，按沖壓制程前后將區(qū)域1分為1#和2#兩部分，見圖3。對1#和2#部分標記5個位置觀察發(fā)黑區(qū)域，取圖位置見圖4。在圖4掃描圖像中分別取5個位置進行能譜分析。

圖3 區(qū)域1取樣位置

圖4 區(qū)域1試樣取樣位置微觀形貌

采用掃描電鏡對兩區(qū)域進行分析，沖壓后鋁 鋅鍍層經(jīng)模具發(fā)生擠壓變形，區(qū)域1試樣表面已無法觀察到明顯的鍍層枝晶結(jié)構(gòu)，沖壓前半程1#部分表面形貌為金屬氧化物，并大量分布長度約為50 μm的垂直于沖壓方向黑色條狀物。后半程2#部分表面同樣為金屬氧化物，除黑色條狀物之外，還分布著大量長度約為200 μm的白色條狀或顆粒狀物質(zhì)。

采用X射線光電子能譜儀對區(qū)域1、2的分析結(jié)果見表1。通過掃描電鏡分析區(qū)域1（除黑色斑點外）的能譜,發(fā)現(xiàn)試樣氧含量均較低，這是由于SEM投射深度深，能譜穿透性強，沒有真實反映表面層的元素情況。

結(jié)合能譜分析結(jié)果，黑色條狀物為碳化物，白色條狀物質(zhì)為單質(zhì)鐵。說明沖壓前半程耐指紋皮膜的潤滑作用就開始失效，皮膜出現(xiàn)破裂和堆積；后半程隨摩擦加劇，模具與鍍鋁鋅層發(fā)生啃蝕劃傷，鋁鋅層表面出現(xiàn)犁痕，深及基板，造成鐵粉堆積；區(qū)域2表面形貌顯示其具有完整的耐指紋膜覆蓋鍍層表面，即正常的耐指紋鋁鋅鍍層表面成分。區(qū)域1與區(qū)域2的微觀形貌見圖5。

表1 試樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

圖5 兩區(qū)域表面微觀形貌

2.2 .2 XPS試樣分析

進一步用XPS分析，利用其測量納米層范圍成分的優(yōu)勢，得到區(qū)域1的結(jié)果如圖6。其中，從圖6（a）中可以看出區(qū)域1中的氧含量分布明顯增高，氧主要與鋁和鋅結(jié)合形成氧化物。圖6顯示區(qū)域1的試樣表面碳含量較低，說明耐指紋膜在沖壓過程中基本全部脫落。從圖6（b）可以看出，鋁鋅層表面鋁的結(jié)合能譜是氧化鋁和金屬鋁的混合能譜，其中氧化鋁的所占比例較大，說明試樣表面在無耐指紋膜潤滑的沖壓過程中，摩擦熱能夠使鋁和鋅發(fā)生氧化。

圖6 區(qū)域1試樣XPS分析

區(qū)域2的表面XPS分析顯示各成分含量在深度方向的分布如圖7（a），其表層C、O含量較高，明顯是耐指紋膜成分，除C、O外還有Fe，未見Zn、Al元素。而掃描電鏡分析沒有Fe，說明Fe的覆蓋很薄，掃描電鏡檢測是具有一定的穿透深度的，XPS分析在表層十幾個納米級別分析，XPS進一步進行面掃描，如圖 7（b）。全掃譜(刻蝕時間為 20.0 s)顯示正常耐指紋膜表面檢測到較薄的Fe元素層，這說明在模具沖壓過程中，模具表面存在Fe粉污染物，正常區(qū)刻蝕870 s后（約120 ns）再進行面掃描，F(xiàn)e元素消失，見圖7（c）。鋼板在模具中發(fā)生塑性流動時，F(xiàn)e粉易對表面耐指紋膜產(chǎn)生破壞作用。

圖7 區(qū)域2的表面XPS分析

3 結(jié)論

（1）鍍鋁鋅鋼板沖壓發(fā)黑主要是由于鍍層鋼板在沖壓過程中表面耐指紋膜破壞脫落，模具對鋼板的摩擦熱使鋁鋅鍍層剝落并與鍍層表面Al、Zn發(fā)生氧化而發(fā)黑。

（2）與模具接觸時，在非沖壓區(qū)表面有明顯Fe元素，說明模具表面Fe粉污染物在沖壓過程中粘連到鋼板表面，模具表面Fe污染物對沖壓區(qū)的鋼板表面會起到一定破壞作用。

（3）鍍鋁鋅鋼板在沖壓過程中出現(xiàn)沿模具運動方向的犁痕劃傷，在此沖壓工藝條件下，應改善耐指紋膜的耐磨性，尤其在有摩擦熱的條件下，使耐指紋膜起到潤滑作用，抵抗摩擦的破壞作用。通過向耐指紋鍍液中添加聚四氟蠟等物質(zhì)，可有效提高耐指紋膜的潤滑性能和耐磨性。