熱鍍純鋅、鋅鐵合金及鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性分析

冀 鵬，于春滿，黃 偉，李雙一

(吉利控股集團(tuán)皮卡項(xiàng)目(籌)研發(fā)中心，浙江 杭州 310000)

0 前 言

眾所周知，為提高整車的耐蝕性，車身用金屬板材通常會使用帶涂層的材料，常應(yīng)用于汽車工業(yè)的金屬板材主要有熱鍍純鋅板(GI)、熱鍍鋅鐵合金板(GA)、熱鍍鋁鋅板(GL)以及熱鍍鋅鋁鎂板(ZnAlMg)，其中自主品牌和歐美系汽車主要使用GI，日韓系汽車主要使用GA。相較于GI和GA，林原等研究表明熱鍍鋅鋁鎂板由于鍍層中有共晶相的存在且Mg均勻分布，能夠抑制腐蝕的發(fā)生，提高了鋅鋁鎂鍍層的耐腐蝕性[1]。杜昕等進(jìn)一步研究認(rèn)為鋅鋁鎂鍍層具有優(yōu)異的耐切邊腐蝕性和耐膜下腐蝕性能，另外鋅鋁鎂鍍層還具有自愈性等特點(diǎn)[2]。近年來，隨著國內(nèi)鋅鋁鎂鍍層技術(shù)的不斷成熟，熱鍍鋅鋁鎂板在汽車上的應(yīng)用越來越多。但GI、GA和鋅鋁鎂板之間的相對耐蝕性以及使用多少鍍層質(zhì)量的鋅鋁鎂能夠達(dá)到相同的防腐效果無明確的驗(yàn)證結(jié)果。為此，本工作通過對比3種不同鍍層以及同種鍍層不同鍍層質(zhì)量經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)后的質(zhì)量損失、腐蝕速率，分析了不同涂層的相對耐蝕性，以為后續(xù)切換鋅鋁鎂鍍層板提供數(shù)據(jù)參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料由某鋼廠提供，牌號分別為DC51D+Z、DC51D+ZF、DC51D+ZM，雙面熱鍍，基板厚度均為1.2 mm，試樣尺寸為150 mm×70 mm，樣板表面光滑平整、無劃痕及其他缺陷?；寤瘜W(xué)成分、理論鍍層質(zhì)量、實(shí)際鍍層質(zhì)量如表1所示，實(shí)際鍍層質(zhì)量按照GB/T 1839-2008測得。

表1 基板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)及鍍層質(zhì)量

1.2 磷化

每個試驗(yàn)組號3塊樣板，所有樣板采用隨車掛板的方式磷化，磷化工序?yàn)樗础撝碚{(diào)—磷化—鈍化，隨后取出晾干。

1.3 微觀形貌分析

采用SIGMA 300型掃描電鏡觀察不同種鍍層截面和磷化后表面的微觀形貌及特征。

1.4 中性鹽霧試驗(yàn)

試驗(yàn)前，用電子天平稱重并記錄樣板原始質(zhì)量。由于鋅鋁鎂涂層具有自愈性，可以有效保護(hù)鋼板邊緣、切邊、焊接部位以及鍍層破損部位，使鍍層具有高切邊耐蝕性[3]，因此為避免邊緣切口及剪切毛刺對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，試樣距邊緣位置5 mm處用專用膠帶包邊，如圖1所示。采用XD-27-90型鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，氯化鈉溶液濃度為(50±5)g/L，pH值在6.5～7.2之間，按照GB/T 10125-2012對磷化后的試樣進(jìn)行480 h試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中每隔24 h開箱觀察表面銹蝕情況，試驗(yàn)后去除表面腐蝕產(chǎn)物后再次稱重。

圖1 樣板包邊示意圖

2 結(jié)果及討論

2.1 鍍層截面微觀結(jié)構(gòu)

純鋅板、鋅鐵合金板、鋅鋁鎂板(試驗(yàn)組號分別為1、2、3)鍍層的截面微觀形貌如圖2所示。由圖2a可以看出，純鋅鍍層主要包含兩相，分別為外層的純鋅層和內(nèi)層的鐵鋁合金相層(FeAl3或Fe2Al5)，鐵鋁合金相層位于純Zn層和鋼基體之間[4]。該合金層的主要作用為抑制鋅與鋼基體反應(yīng)，提高鋅層附著力，鐵鋁合金相層是目前生產(chǎn)純鋅板所用的鋅液中添加0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al元素所致[5]。由圖2b可知，鋅鐵合金鍍層由外向內(nèi)依次為相對疏松的柱狀晶δ相、中間層相對致密的δ1k層、與基體交界處的Г相層，其中δ相層為鍍層的主要部分，厚度約5～7 μm[6]。這是由于鋅鐵合金鍍層鋼板在熱浸鍍鋅后經(jīng)熱處理期間鋼基體的鐵與鋅相互擴(kuò)散，繼而形成鋅鐵合金相層。由圖2c可以看出，鋅鋁鎂鍍層主要由3相組成，分別為初生的富Zn相、Zn/MgZn2二元共晶、Zn/MgZn2/Mg三元共晶組織。其中Zn/MgZn2二元共晶組織呈片狀，Zn/MgZn2/Mg三元共晶組織具有納米特性，呈細(xì)密點(diǎn)狀[7.8]。

圖2 不同種類鍍層截面微觀形貌

2.2 磷化后表面微觀結(jié)構(gòu)

純鋅板、鋅鐵合金板、鋅鋁鎂板(試驗(yàn)組號分別為1、2、3)隨車掛板磷化后的表面微觀形貌如圖3所示。由圖3a、3c可知，純鋅板和鋅鋁鎂板磷化膜表面呈葉片狀，葉片厚度均勻，結(jié)晶尺寸約為5 μm[9]。鋅鐵合金板磷化膜表面呈細(xì)小的針狀，如圖3b所示，結(jié)晶尺寸約3～5 μm，磷化膜相比前2者更加致密，可能是由于表面Fe和Zn含量不同導(dǎo)致[10]。

圖3 不同種類鍍層磷化膜表面微觀形貌

2.3 中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

由表2紅銹出現(xiàn)時間看：磷化后的GI和GA(試驗(yàn)組號1、2)在120 h(第5 d)時出現(xiàn)了5%的紅銹，同等鍍層質(zhì)量的鋅鋁鎂板(試驗(yàn)組號3)試驗(yàn)結(jié)束時未出現(xiàn)5%的紅銹，僅有個別小的紅黃色銹點(diǎn)。鍍層質(zhì)量為40 g/m2和35 g/m2鋅鋁鎂板(試驗(yàn)組號4和5)分別在456 h(第19 d)和336 h(第14 d)出現(xiàn)了5%的紅銹，由此可知鋅鋁鎂鍍層具有較優(yōu)的耐蝕性。

由表2平均腐蝕速率看：相同鍍層質(zhì)量下，鋅鋁鎂板(試驗(yàn)組號3)的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純鋅板和鋅鐵合金板(試驗(yàn)組號1、2)，相對耐蝕性約是2者的6.5倍，純鋅板和鋅鐵合金板的平均腐蝕速率基本相同；不同鍍層質(zhì)量下，鍍層質(zhì)量越大腐蝕速率越小，由試驗(yàn)組號1、2、5可知，鍍層質(zhì)量為35 g/m2的鋅鋁鎂板可達(dá)到與50 g/m2GI和GA相同的耐蝕性。

表2 不同鍍層試樣試驗(yàn)結(jié)果

綜合來看，鋅鋁鎂鍍層具有極高的耐蝕性，和其鍍層成分及組織有著密切的關(guān)系，相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，鋅鋁鎂鍍層不同相之間的電化學(xué)性質(zhì)不同，在由NaCl溶液體系構(gòu)成的腐蝕原電池中會引起選擇性腐蝕，腐蝕順序依次為Zn/MgZn2二元共晶相、Zn/MgZn2/Mg三元共晶相、富Zn相。隨著腐蝕的進(jìn)行，與純鋅和鋅鐵合金層相比，鋅鋁鎂鍍層會生成不溶性的氧化物或者鹽類沉積在鍍層表面，可以有效阻止鍍層的進(jìn)一步腐蝕[1，11]。因此，后續(xù)由GI或GA切換鋅鋁鎂板時，可適當(dāng)減小鍍層質(zhì)量。

3 結(jié) 論

(1)相同鍍層質(zhì)量下，磷化后鋅鋁鎂板的耐蝕性遠(yuǎn)高于純鋅板和鋅鐵合金板，相對耐蝕性約是后2者的6.5倍，純鋅板和鋅鐵合金板耐蝕性基本相當(dāng)。

(2)與50 g/m2純鋅板和鋅鐵合金板相比，采用35 g/m2鍍層質(zhì)量的鋅鋁鎂板即可達(dá)到較高的耐蝕性。