汽車(chē)底盤(pán)用熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板

鄒英 周建 王鵬博 龍?jiān)?黎敏 劉華賽

（1.首鋼技術(shù)研究院京唐技術(shù)中心，北京 100043；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，唐山 063210；3.首鋼技術(shù)研究院用戶技術(shù)研究所，北京 100043）

1 前言

汽車(chē)底盤(pán)服役工況惡劣，常處于高溫、高濕和酸堿腐蝕的交變環(huán)境中，為整車(chē)銹蝕風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域。目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)底盤(pán)用鋼以酸洗板為主，耐蝕性低，部分車(chē)企為了提高耐蝕性，對(duì)成形后的酸洗板進(jìn)行鍍鋅處理，但電鍍?yōu)楦吆哪?、高排放工藝，不僅增加成本，還不符合國(guó)家“雙碳”政策。熱軋鍍鋅是在經(jīng)過(guò)酸洗的熱軋鋼板表面涂鍍的工藝，產(chǎn)品兼具熱軋鋼板的成形性和鍍層鋼板的耐蝕性，適用于底盤(pán)用鋼升級(jí)。熱軋鍍鋅板表面鍍層主要包括純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層，鋅鋁鎂鍍層是在傳統(tǒng)純鋅鍍層中添加少量的Al 和Mg 元素而形成的新型合金鍍層，具有比純鋅鍍層更高的耐蝕性[1-3]。在汽車(chē)底盤(pán)應(yīng)用熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板，不僅可以大幅提高零件使用壽命，還可以降低零件修復(fù)、更換、再生產(chǎn)帶來(lái)的能源消耗與碳排放。目前，熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板廣泛用于光伏、建筑等行業(yè)，在汽車(chē)底盤(pán)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司于2020 年建成投產(chǎn)國(guó)內(nèi)第一條熱軋鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)線，率先開(kāi)展了熱軋鋅鋁鎂底盤(pán)用鋼開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)研究，是目前國(guó)內(nèi)唯一具備3.0 mm 以上厚規(guī)格熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板供貨能力的企業(yè)。與前期開(kāi)發(fā)的車(chē)身用鋅鋁鎂鍍層鋼板不同，為了進(jìn)一步提高耐蝕性能，首鋼汽車(chē)底盤(pán)用鋅鋁鎂鍍層中的Al 和Mg 質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，分別處在5%~8%和2%~4%之間。本文從鍍層結(jié)構(gòu)、涂裝性能、耐蝕性能、焊接性能、膠接性能和成形性能等方面對(duì)汽車(chē)底盤(pán)用熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板的使用特性進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了首鋼熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板在汽車(chē)底盤(pán)的應(yīng)用情況。

2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括熱軋酸洗產(chǎn)線生產(chǎn)的酸洗板（UC）、以酸洗板為基板經(jīng)連續(xù)熱鍍鋅產(chǎn)線生產(chǎn)的純鋅鍍層鋼板（GI）以及經(jīng)熱基鋅鋁鎂產(chǎn)線生產(chǎn)的鋅鋁鎂鍍層鋼板（ZMA）。

2.2 鍍層表征方法

在鍍層鋼板上切取金相試樣，采用Zeiss Ultra-55 掃描電子顯微鏡（SEM）分析鍍層的顯微組織，利用其附帶的能譜儀（EDS）分析鍍層不同位置的元素組成，以確定鍍層的各個(gè)組成相。

2.3 焊接試驗(yàn)方法

按照AWS D8.9M-2012Test Methods for Evaluat?ing the Resistance Spot Welding Behavior of Automo?tive Sheet Steel Materials，對(duì)酸洗板、純鋅鍍層鋼板、鋅鋁鎂鍍層鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，鋼板材質(zhì)為FB580，厚度為1.8 mm，純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層質(zhì)量均為雙面140 g/m2，試驗(yàn)電極壓力為5.8 kN，保持時(shí)間為167 ms。為了測(cè)試鋼種對(duì)關(guān)鍵焊接工藝變量變化的魯棒性，選定3 個(gè)焊接時(shí)間進(jìn)行焊接電流窗 口 測(cè) 試，分 別 為525 ms、656 ms（525 ms 的125%）、788 ms（525 ms 的150%）。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定焊核直徑大于4t1/2（t為鋼板厚度）所對(duì)應(yīng)的電流為最小焊接電流Imin，未發(fā)生焊接飛濺的最大電流為Imax，基于Imin和Imax確定焊接電流工藝窗口。

弧焊試驗(yàn)使用的鋼板為熱軋鋅鋁鎂鍍層FB580，厚度 為1.8 mm，焊 絲 直 徑 為1.2 mm 的ER70S-6，鋼板和焊絲主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 FB580及焊絲主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及力學(xué)性能

焊接試板長(zhǎng)500 mm、寬150 mm，搭接長(zhǎng)度16 mm，如圖1 所示。為了提高焊接質(zhì)量與外觀，焊槍需要與工件表面有一定傾斜角度，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)摸索，本文將焊槍工作角α確定為75°。

圖1 焊接接頭形式示意

弧焊試驗(yàn)機(jī)為Fronius 公司生產(chǎn)的CMT 5000 Advanced 數(shù)字化焊機(jī)，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，氣體流量為15~20 L/min。焊接工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 弧焊焊接工藝參數(shù)

2.4 膠接試驗(yàn)方法

膠粘劑選用汽車(chē)行業(yè)常用的4 種焊裝膠，分別是減震膠、點(diǎn)焊膠、結(jié)構(gòu)膠、折邊膠，膠接接頭制備方法如圖2 所示。拉伸時(shí)減震膠和點(diǎn)焊膠膠層厚度為2 mm，折邊膠和結(jié)構(gòu)膠厚度為0.2 mm，在170°C 條件下對(duì)膠接接頭進(jìn)行固化處理，處理時(shí)間為20 min。將固化后的試樣在室溫下靜置24 h，然后使用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（Zwick-100）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定（剛性材料對(duì)剛性材料）》對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為5 mm/min，測(cè)試后記錄斷裂界面形貌。每個(gè)樣品分別進(jìn)行3 組平行試驗(yàn)取平均值。根據(jù)GB/T 16997—1997《膠粘劑 主要破壞類型的表示法》評(píng)價(jià)剪切破壞位置的破壞類型，包括內(nèi)聚破壞（CF）、界面破壞（AF）、基材分離破壞（DF）、基材內(nèi)聚破壞（CSF）等，并計(jì)算不同破壞類型的面積比例。

圖2 膠接接頭試樣制備方法

2.5 涂裝試驗(yàn)方法

電泳前進(jìn)行磷化前處理，包括脫脂、表調(diào)和磷化。脫脂工藝采用超聲波脫脂，總堿度為15~35 pt；表調(diào)pH 值8~10；磷化液總酸20~35 pt，游離酸0.8~1.5 pt，促進(jìn)劑濃度1.5~3.0 pt。電泳液固體分8%~15%，電導(dǎo)率為600~2 000 MS/cm，pH 值為5.5~6.2。前處理和電泳均在國(guó)內(nèi)某汽車(chē)廠涂裝產(chǎn)線隨線完成。

2.6 腐蝕試驗(yàn)方法

采用美國(guó)Q-Lab 公司Q-FOG 循環(huán)式腐蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐蝕性能測(cè)試，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10125—2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》和GB/T 31588.1—2015《色漆和清漆耐循環(huán)腐蝕環(huán)境的測(cè)定第1部分：濕（鹽霧）/干燥/濕氣》的循環(huán)B條件。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鍍層特性

熱軋鋅鋁鎂鍍層的表面和截面形貌分別如圖3a 和圖3b 所示。由于鍍層極表層凝固較快，表層組織以共晶組織為主。截面形貌顯示鋅鋁鎂鍍層包含富Zn 相、富Al 相、富Zn 相和Mg-Zn 化合物構(gòu)成的二元共晶組織以及富Zn 相、富Al 相和Mg-Zn化合物構(gòu)成的三元共晶組織。富Zn 相和富Al 相的尺寸在5~20 μm。

圖3 鋅鋁鎂鍍層微觀組織

表3 為鋅鋁鎂鍍層不同組成相中合金元素含量。富Zn 相中Zn 占97%以上，富Al 相中Al 約占17%。二元共晶組織中Al 占2.8%，Mg 占2.2%，F(xiàn)e占1.8%；三元共晶組織中Al 占3.7%，Mg 占4.4%，F(xiàn)e占0.5%。

表3 鋅鋁鎂鍍層不同組成相中合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.2 焊接性能

3.2.1 點(diǎn)焊

由于主機(jī)廠焊裝車(chē)間設(shè)備多、功率大，電路容易發(fā)生波動(dòng)，因此鋼板的點(diǎn)焊工藝窗口越大，焊接質(zhì)量越穩(wěn)定，點(diǎn)焊工藝窗口大小是考察鋼板焊接性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)獲得的點(diǎn)焊電流工藝窗口如圖4 所示。采用相同焊接工藝參數(shù)得到的點(diǎn)焊工藝窗口和電流大小明顯不同，酸洗板在焊接時(shí)間為525 ms、656 ms、788 ms 的焊接電流窗口分別為3.5 kA、3.5 kA、3.5 kA，純鋅鍍層在焊接時(shí)間為525 ms、656 ms、788 ms 的焊接電流窗口分別為3.2 kA、3.2 kA、3.2 kA，鋅鋁鎂鍍層在焊接時(shí)間為525 ms、656 ms、788 ms 的焊接電流窗口分別為3.2 kA、3.2 kA、3.2 kA。鋅鋁鎂鍍層鋼板的焊接窗口與純鋅鍍層相當(dāng)，略小于酸洗板。

圖4 點(diǎn)焊電流工藝窗口

3.2.2 弧焊

弧焊焊縫外觀如圖5 所示，焊道成形良好、均勻光滑、無(wú)宏觀缺陷。焊道周?chē)忻黠@的氧化區(qū)域，這是焊縫熱影響區(qū)鍍層經(jīng)歷熱循環(huán)熔化后被空氣氧化所致。

圖5 焊縫外觀照片

圖6 為焊縫的截面金相照片，焊縫過(guò)渡均勻，內(nèi)部未出現(xiàn)氣孔等焊接缺陷，也未出現(xiàn)液態(tài)金屬脆性（LME）裂紋，說(shuō)明鋅鋁鎂鍍層的焊接性良好。

圖6 焊縫截面照片

圖7 為焊接接頭的硬度分布。以焊縫為中心，顯微硬度值在兩側(cè)基本對(duì)稱分布。焊縫內(nèi)部以大量針狀鐵素體為主，伴有少量粒狀貝氏體組織，因此硬度低于母材組織。焊接熱影響區(qū)由于經(jīng)歷熱循環(huán)使組織出現(xiàn)變化，部分區(qū)域硬度值突增達(dá)到260 HV0.2 左右，這是熱影響區(qū)中的細(xì)晶區(qū)，該區(qū)域顯微組織為馬氏體和貝氏體，且此區(qū)域晶粒與粗晶區(qū)相比要細(xì)小的多，相當(dāng)于細(xì)晶強(qiáng)化的作用，因此該區(qū)域的強(qiáng)度也較高。硬度值最低點(diǎn)（約190 HV0.2）出現(xiàn)在母材與熱影響區(qū)交界處，此處組織不均勻且鐵素體有所長(zhǎng)大，其強(qiáng)度和硬度都比較低。

圖7 焊接接頭的硬度分布

3.3 膠接性能

純鋅鍍層鋼板、鋅鋁鎂鍍層鋼板與4 種汽車(chē)焊裝膠的匹配性結(jié)果如表4 所示。熱軋鋅鋁鎂鋼板與減震膠、點(diǎn)焊膠、折邊膠、結(jié)構(gòu)膠的匹配性均較好，除與減震膠匹配時(shí)的內(nèi)聚斷裂比例為95%以外，其余均為100%，與純鋅鍍層鋼板相當(dāng)?？梢?jiàn)，熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板在與汽車(chē)焊裝膠的匹配上不存在限制性環(huán)節(jié)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表4 膠接試驗(yàn)結(jié)果

3.4 涂裝前處理性能

涂裝前處理用熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板的鍍層質(zhì)量為100 g/m2（雙面），磷化膜呈現(xiàn)為灰黃色，無(wú)銹蝕，色調(diào)一致，如圖8 所示。圖9 為放大2 000 倍的磷化膜電鏡圖，可見(jiàn)材料的磷化膜覆蓋率達(dá)100%，沒(méi)有未磷化區(qū)域，磷化膜顆粒尺寸為3～5 mm，與純鋅鍍層相當(dāng)[4]。根據(jù)GB/T 9792—2003《金屬材料上的轉(zhuǎn)化膜單位面積膜質(zhì)量測(cè)定重量法》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)得鋅鋁鎂鍍層鋼板磷化膜質(zhì)量為3.13 g/m2。熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板的磷化前處理性能良好。

圖8 熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板磷化膜外觀

圖9 鋅鋁鎂鍍層鋼板磷化膜微觀形貌

3.5 耐蝕性能

3.5.1 平面耐蝕性能

采用中性鹽霧試驗(yàn)和循環(huán)腐蝕試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)了熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板與熱軋純鋅鍍層鋼板的平面耐蝕性。2 種材料的鍍層質(zhì)量為100 g/m2（雙面）。中性鹽霧條件下，鋅鋁鎂鍍層在2 184 h后出現(xiàn)紅銹，純鋅鍍層在336 h 后出現(xiàn)紅銹，如圖10 所示。從出現(xiàn)紅銹的時(shí)間上看，鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性是純鋅鍍層的6.5 倍。循環(huán)腐蝕條件下，鋅鋁鎂鍍層經(jīng)18 個(gè)腐蝕周期后，表面均勻白銹腐蝕，未出現(xiàn)紅銹；純鋅鍍層材料經(jīng)9 個(gè)腐蝕周期后，以點(diǎn)蝕為主并伴有少量紅銹，如圖11 所示。點(diǎn)蝕位置出現(xiàn)紅銹說(shuō)明鍍層已失去對(duì)基材的保護(hù)作用，極易造成穿孔腐蝕，降低零件安全性。

圖10 中性鹽霧條件下平面腐蝕形貌

圖11 循環(huán)腐蝕條件下平面腐蝕形貌

3.5.2 膜下耐蝕性能

將電泳鋼板表面漆膜劃叉破壞后，分別在中性鹽霧和循環(huán)腐蝕條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后使用膠帶粘去表面腐蝕破壞的漆膜及腐蝕產(chǎn)物，測(cè)量劃叉處的擴(kuò)蝕寬度，以此評(píng)價(jià)鋼板膜下耐蝕性能。經(jīng)1 000 h 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，鋅鋁鎂鍍層鋼板擴(kuò)蝕寬度為2.0 mm，純鋅鍍層鋼板擴(kuò)蝕寬度為10.1 mm，且漆膜剝落嚴(yán)重，如圖12 所示。從擴(kuò)蝕寬度看，中性鹽霧條件下鋅鋁鎂鍍層的膜下耐蝕性約為純鋅鍍層的5 倍。經(jīng)10 個(gè)周期循環(huán)腐蝕后，鋅鋁鎂鍍層鋼板劃叉處寬度為1.1 mm，幾乎沒(méi)有發(fā)生擴(kuò)蝕，純鋅鍍層鋼板劃叉處擴(kuò)蝕寬度為5.0 mm，并且劃線附近漆膜剝落嚴(yán)重，如圖13 所示。從擴(kuò)蝕寬度看，循環(huán)腐蝕條件下鋅鋁鎂鍍層的膜下耐蝕性約為純鋅鍍層的4.5倍。

圖12 中性鹽霧條件下膜下腐蝕形貌

圖13 循環(huán)腐蝕條件下膜下腐蝕形貌

3.5.3 焊點(diǎn)耐蝕性能

分別以上限電流對(duì)酸洗板、純鋅鍍層鋼板和鋅鋁鎂鍍層鋼板進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，純鋅鍍層和鋅鋁鎂鍍層質(zhì)量為140 g/m2（雙面），對(duì)點(diǎn)焊接頭進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，結(jié)果如表5 所示。1 h 中性鹽霧后，酸洗板焊點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域出現(xiàn)銹點(diǎn)。24 h 后，母材和焊點(diǎn)被紅銹覆蓋。120 h 后，純鋅鍍層焊點(diǎn)周?chē)臒嵊绊憛^(qū)出現(xiàn)銹點(diǎn)，鋅鋁鎂鍍層焊點(diǎn)熱影響區(qū)被白銹覆蓋。144 h 后，純鋅鍍層的銹點(diǎn)擴(kuò)展到焊點(diǎn)表面。320 h 后，純鋅鍍層焊點(diǎn)和母材均嚴(yán)重銹蝕，鋅鋁鎂鍍層焊點(diǎn)仍未出現(xiàn)紅銹，直至660 h 才出現(xiàn)紅銹。從焊點(diǎn)出現(xiàn)紅銹的時(shí)間看，鋅鋁鎂鍍層焊點(diǎn)耐蝕性是純鋅鍍層的5.5 倍。

表5 點(diǎn)焊焊點(diǎn)中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

3.5.4 焊縫耐蝕性能

對(duì)鋅鋁鎂鍍層鋼板（雙面鍍層質(zhì)量為140 g/m2）弧焊焊縫進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，結(jié)果如表6 所示。200 h 后，焊縫周?chē)暮冈巸?yōu)先出現(xiàn)白銹，沒(méi)有明顯的紅銹腐蝕。400 h 后，焊縫正面周?chē)霈F(xiàn)明顯紅銹。600 h 后，焊縫邊緣紅銹逐漸被流動(dòng)到此處的鍍層腐蝕產(chǎn)物覆蓋，呈現(xiàn)白銹腐蝕，紅銹腐蝕被抑制，焊縫背面仍未出現(xiàn)紅銹，表明鋅鋁鎂鍍層對(duì)焊縫具有保護(hù)作用。800 h 后，焊縫正面和背面均出現(xiàn)紅銹，焊縫周?chē)儗邮?duì)焊縫腐蝕的抑制作用。

表6 弧焊焊縫中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

4 典型產(chǎn)品及應(yīng)用

目前，首鋼汽車(chē)底盤(pán)用熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板主要包括軟鋼（DD51D）、低合金高強(qiáng)鋼（HSLA）、鐵素體貝氏體鋼（FB）和復(fù)相鋼（CP），厚度規(guī)格覆蓋1.8~6.0 mm。HSLA 具有較高的強(qiáng)塑性、優(yōu)異的冷成形性能和抗低溫脆斷性能，可替代420L、QStE420TM、610L 等熱軋酸洗產(chǎn)品用于制造底盤(pán)副車(chē)架、縱梁、連桿和各種加強(qiáng)板。HSLA 可供應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別覆蓋260~700 MPa，其中2.0 mm 規(guī)格HR300LA 已用于某車(chē)型副車(chē)架加強(qiáng)板（圖14），3.0~3.5 mm 規(guī)格HR300LA 用于某車(chē)型緩沖器加強(qiáng)件（圖15），3.5 mm 規(guī)格HR340LA 用于某車(chē)型尾門(mén)支撐桿底座（圖16）。FB 鋼強(qiáng)度高、翻邊和擴(kuò)孔性能好，適合制造對(duì)局部成形性能要求較高的復(fù)雜形狀零部件，如前懸支架、后橋橫梁總成和汽車(chē)擺臂等[5-6]。首鋼具備450~780 MPa 級(jí)FB 鋼供貨能力，其中450 MPa 和580 MPa 級(jí)FB 鋼，已替代某鋼企熱基純鋅產(chǎn)品出口歐洲龍頭車(chē)企，沖壓零件包括側(cè)軌前底板和前懸架支架等，如圖17 所示?；讵?dú)特的復(fù)相組織結(jié)構(gòu)，CP 鋼具備較高的屈強(qiáng)比和優(yōu)異的抗疲勞破壞性能，同時(shí)翻邊和擴(kuò)孔性能良好，通常用于重要的安全結(jié)構(gòu)件[7]。

圖14 某車(chē)型副車(chē)架加強(qiáng)板

圖15 某車(chē)型緩沖器加強(qiáng)件

圖16 某車(chē)型尾門(mén)支撐桿底座

圖17 某車(chē)型側(cè)軌前底板

5 結(jié)論

a.熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板具有良好的點(diǎn)焊和弧焊性能，點(diǎn)焊電流窗口與純鋅鍍層相當(dāng)，略小于酸洗板。

b.熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板與減震膠、點(diǎn)焊膠、折邊膠、結(jié)構(gòu)膠的匹配性均較好，除與減震膠匹配時(shí)的內(nèi)聚斷裂比例為95%以外，其余均為100%，與純鋅鍍層鋼板相當(dāng)。

c.熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板的磷化前處理性能良好，磷化膜覆蓋率100%，磷化膜顆粒尺寸3~5 mm。

d.熱軋鋅鋁鎂鍍層耐蝕性明顯優(yōu)于酸洗板和純鋅鍍層鋼板。中性鹽霧條件下，鋅鋁鎂鍍層的平面耐蝕性是純鋅鍍層的6.5 倍，膜下耐蝕性約為純鋅鍍層的5 倍，焊點(diǎn)耐蝕性是純鋅鍍層的5.5 倍；循環(huán)腐蝕條件下，鋅鋁鎂鍍層的膜下耐蝕性約為純鋅鍍層的4.5 倍。

e.熱軋鋅鋁鎂鍍層鋼板已取代酸洗板或純鋅鍍層鋼板實(shí)現(xiàn)汽車(chē)底盤(pán)應(yīng)用。