加工变形对热镀锌基合金镀层性能的影响

杨培燕， 李 黎， 顾宝珊， 鲁 强， 王 岩

(1.中国钢研科技集团公司，北京 100081;2.先进金属材料涂镀国家工程实验室，北京 100081)

引 言

热镀锌及其合金钢板性能优越、品种繁多，广泛应用于国民经济的各个领域，特别是建筑业、汽车业和电器制造业是热镀锌钢板的主要用户［1］。虽然现代热镀锌产品种类很多，但所使用的产品主要集中在 Zn-0.2%Al即 Galvanized(GI)镀层、Zn-5%Al即 Galfan(GF)镀层以及 Zn-55%Al即Galvalume(GL)镀层。热镀铝-锌合金，综合了纯锌、纯铝镀层各自的优点，具有良好的防腐蚀性能。因此，这类镀层已引起国内外广泛关注，我国对热镀Zn-Al合金的相关研究、生产及应用相对落后，还有很多问题需要解决［2］。

随着热镀锌产品的广泛应用，使用时难免会进行机械加工，加工处理后，热镀锌层的耐腐蚀性能有无变化及怎样变化问题需要进一步探讨，而国内外关于镀层在加工变形后其耐腐蚀性能的变化的相关研究报道较少。为此本文研究了不同杯突变形量情况下镀层的抗加工变形能力和耐蚀性能变化情况，并分别用扫描电镜进行表面、断面观察，利用线性极化得出极化电阻值，同时讨论了基板与镀层厚度对变形后镀层耐腐蚀行为的影响。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

实验所用的GI、GF、GL三种热镀锌钢板均由国内某专业厂家提供，试样尺寸均为60mm×60mm。

杯突变形试验后观察其表面形貌以及利用电化学测试其耐腐蚀性能的试样的基板厚度及镀层面质量如表1所示。

表1 试样种类、厚度及成分

比较不同基板厚度加工变形后的耐腐蚀性能的试验中，采用锌层面质量相近基板厚度不同的材料变形后进行耐蚀性能比较，采用的实验材料如表2所示。

表2 基板加工变形后耐蚀性能比较试验材料

比较不同镀层厚度加工变形后耐腐蚀性能的试验中，采用基板厚度相近镀层厚度不同的材料变形后进行耐蚀性能比较，采用的实验材料如表3所示。

表3 不同镀层厚度加工变形后耐蚀性能比较试验材料

1.2 实验方法

1.2.1 杯突试验

杯突试验在QBS型杯突试验仪上进行。冲头直径为 Φ(20±0.05)mm，冲模直径 为Φ(27±0.05)mm，固定杯直径为 Φ(33±0.1)mm，试样尺寸为60mm×60mm，试验采用相同冲压速度，不同杯突高度对三种镀层性能的影响。冲压速度采用 10mm/min，杯突高度分别选取 2.5，5.0，7.5及9.0mm。

1.2.2 镀层形貌观察

试样在不同杯突高度变形后，使用日立S4300型扫描电子显微镜观察分析表面形貌;采用Neophot-21型金相显微镜观察分析镀层的断面形貌。

1.2.3 电化学试验

采用电化学方法中的线性极化法评价镀层变形后的耐腐蚀性能。采用三电极体系，利用M273恒电位仪(美国EG＆G PARC公司)与计算机组成的电化学测试系统测定镀层在NaCl溶液中的线性极化曲线，试验θ为25℃，介质浓度为0.02mol/L，扫描速度为20mV/min，测试软件为M352;参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂金电极，待检测试样作为工作电极，试样面积约为1cm2［3］。

2 结果与讨论

2.1 镀层抗变形性能比较

2.1.1 镀层的表面形貌

三种热镀锌钢板试样杯突变形后镀层的表面形貌如图1～图4所示。

图1 杯突变形2.5mm镀层SEM照片

图2 杯突变形5.0mm镀层SEM照片

图3 杯突变形7.5mm镀层SEM照片

图4 杯突变形9.0mm镀层SEM照片

从图1～图4中可以看出，无论哪个杯突变形量，都表现为GL镀层的裂纹密度最大，且深度最深，GF次之，GI最好;而且从图1～图4中还可以看出，三种镀层的裂纹数量都随着杯突变形量的增加而增加，且裂纹的形貌有变化，主要表现为裂纹之间的平均距离变小，有的形成二次裂纹网，更细的裂纹与第一组裂纹交叉［4］。图4中显示变形量达到9.0mm时，三种镀层都有不同程度的镀层脱落现象。

通过以上的分析可以看出，GI镀层的加工成型性能最好，GF镀层次之，GL镀层最差。

2.1.2 镀层的断面形貌

三种热镀锌钢板试样加工变形后镀层的断面形貌如图5图～8所示。

从图5中可以看出，杯突变形量为2.5mm时，GI、GF试样都未出现穿透镀层的裂纹，裂纹深度分别为5.5μm和14μm;从图6中可以看出，杯突变形量为5mm时，GI、GF试样相继出现穿透镀层的裂纹，但GF的裂纹宽度远远大于GI。从图5～图8比较可以看出，随着杯突变形量的增加，GF和GL试样的裂纹宽度逐渐增加，穿透镀层裂纹的数量逐渐增加，裂纹间距逐渐减小。但GI试样并未出现此种现象，仅是在杯突变形量为5.0mm时，出现一条穿透镀层的裂纹，随着变形量的增加，并未明显表现出穿透镀层裂纹数量的增加。

因此通过比较可以看出，GI镀层的抗变形性能最好，GF镀层其次，GL镀层最差，这与扫描电镜的观察结果一致。

图5 杯突变形2.5mm镀层断面照片

图6 杯突变形5.0mm镀层断面照片

图7 杯突变形7.5mm镀层断面照片

图8 杯突变形9.0mm镀层断面照片

通过对不同变形量下，三种镀层的扫描电镜照片和断面金相照片进行分析，都说明GI镀层的加工成型性最优，GF镀层其次，GL镀层最差。

GL镀层之所以成型性差可能与它的组织结构有关，由于GL镀层中存在针状富硅相，且镀层主要为粗大树枝晶，易于在树枝晶的间隙间形成裂纹，造成GL镀层的成型性能不好［5］。

2.2 变形对镀层耐腐蚀性能的影响

2.2.1 变形对电化学耐腐蚀性能比较

三种试样分别在经过 2.5、5.0、7.5 和 9.0mm杯突变形后，在0.02mol/L NaCl溶液中进行线性极化，测定其极化电阻Rp值，测定结果如表4。

表4 不同变形量极化电阻Rp值的比较

从表4可以看出，随着变形量的增加，三种镀层的Rp值均是呈现下降趋势。对于GI镀层，变形量为 0、2.5、5.0 及 7.5mm 时，Rp值变化不大，而在变形量为9.0mm时，Rp值出现了骤降;对于GF和GL镀层，在变形量为5.0mm时，Rp值就出现了骤降。对于三种镀层耐腐蚀性的比较可以看出，在未变形时GL镀层在0.02mol/L NaCl溶液中的耐腐蚀性能最好，GF镀层次之，GI镀层最差，这与很多文献的报道一致。而随着变形量的增加，GF镀层呈现出较大的优势，其Rp值下降的趋势较小［6］。

2.2.2 基板厚度对镀层耐腐蚀性能的影响

不同厚度的基板经杯突变形后的极化电阻值变化如图9～图11所示。

图9 GI镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

图10 GF镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

图11 GL镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

图9－图11为相同镀层质量、不同基板厚度的GI、GF、GL 镀层变形后在0.02mol/L NaCl溶液中的极化电阻值随变形量增加而产生变化的曲线。从图9中可以看出，GI镀层的四个基板厚度随着变形量的增加，Rp值均呈现降低趋势，而且四种基板厚度的Rp值在每个变形量下，相差均不大，因此，基板厚度对GI镀层变形后的耐腐蚀性能影响不大;GF镀层也是如此，说明基板厚度对变形后GI和GL镀层的耐腐蚀性能变化影响均不大。

从图11中可以看出，基板厚度对GL镀层变形后耐腐蚀性能的影响稍有不同，随着变形量的增加，三种基板厚度镀层的电化学耐腐蚀性也大体呈现下降趋势，但是0.318mm和0.504mm厚度的基板在变形量2.5～5.0mm时，出现了平台，说明这两种厚度的基板在此变形量阶段腐蚀性能变化不大，而且从图11中可以看出，在初始变形阶段，0.318mm厚度基板的Rp值与0.737mm厚度基板的Rp值相差较大，但随着变形量的增加，三种基板厚度的Rp值越来越接近，因为达到一定变形量时，无论哪种基板厚度的镀层耐腐蚀性能都已经较差，因而区别并不明显。

通过图9～图11的比较可以看出，基板厚度对GL镀层耐腐蚀性能的影响要稍强于GI和GF镀层，但对随着变形量增加，三种镀层耐腐蚀性能均下降的规律影响并不大。

2.2.3 镀层厚度对变形后的镀层耐腐蚀性能影响

相同基板厚度不同镀层面质量的三种镀层变形后在0.02mol/LNaCl溶液中极化电阻值的变化如图12～图14所示。

图12 GI镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

图13 GF镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

图14 GL镀层加工变形后耐腐蚀性能变化

由图12中可以看出，GI镀层的三个镀层厚度随着变形量的增加，Rp值均呈现降低趋势，而且任何变形量下，三种镀层厚度的Rp值都很接近，因此，镀层厚度相差不大时，对GI镀层变形后的耐腐蚀性能影响不大，镀层厚度对GF和GL镀层变形后耐腐蚀性能的影响与GI镀层的基本一致。

因此，在镀层厚度相差不多时，并不会对镀层加工变形后的耐腐蚀性能造成多大的影响。

通过以上分析可以看出，基板厚度和镀层厚度对三种镀层变形后的耐腐蚀性能影响均不大;在相同情况下，未变形时GL镀层在0.02mol/L NaCl溶液中的耐腐蚀性能最好，GF镀层次之，GI镀层最差;但经过不同程度的加工变形后，GF镀层的电化学耐腐蚀性能下降最不明显，其综合性能最优。主要原因是对于GF镀层，铝的加入，使镀层表面形成一层Al2O3保护层，从而减缓了Zn的电腐蚀性，由于同时存在Zn的牺牲阳极保护和铝的自钝化保护特性，使含铝镀层具有优异的耐腐蚀性［7］。而成型性由于GL镀层中不存在脆性的金属间化合物，避免了裂纹形核，而且细微的共晶组织可有效阻止裂纹的扩展。

3 结论

1)通过对GI、GF及GL三种镀层SEM微观表面分析以及断面金相分析，可以看出，GI镀层的抗加工变形性能最优，GF镀层次之，GL镀层最差。

2)通过对GI、GF及GL三种镀层加工变形后在NaCl溶液中Rp值的比较可以看出，GF镀层加工变形后电化学耐腐蚀性能下降最不明显，其综合性能最优。

3)通过比较不同基板厚度和不同镀层厚度下的耐腐蚀情况，可以看出，基板厚度和镀层厚度对镀层变形后的耐腐蚀性能影响均不大。

［1］ 王云坤，宋东明.浅述热浸锌镀层的结构及性能［J］.金属世界，2007，(6):47-52.

［2］ 张启富.新一代钢铁材料涂镀技术［C］//中国2008带钢连续热浸镀锌发展论坛论文集.北京，2008:447-448.

［3］ 曹楚南.腐蚀电化学［M］.北京:化学工业出版社，1995:55-59.

［4］ Alpas A T，Inagaki J.Effect of Microstructure on Fracture Mechannisms in Galvannealed Coatings［J］.ISIJ International，2000，40(2):172-181.

［5］ 卢锦堂，江爱华，车淳山，等.热浸Zn-Al合金镀层的研究进展［J］.材料保护，2008，(7):47-50.

［6］ 李黎，顾宝珊，杨培燕.杯突变形对锌合金镀层耐腐蚀性能的影响［J］.物理测试，2011，29(1):5-9.

［7］ 王云坤，宋东明.热镀锌钢板镀层种类、结构及性能［J］.腐蚀与防护，2008，29(4):202-206.