合金化热镀锌汽车外板冲压脱锌分析及改进

孙方义　陈园林　冯冠文

(武钢研究院　湖北　武汉：430080)



合金化热镀锌汽车外板冲压脱锌分析及改进

孙方义陈园林冯冠文

(武钢研究院湖北武汉：430080)

摘要通过镀层质量分析、镀层合金化程度试验，并对比生产工艺，合金化热镀锌板料JAC340H钢冲压脱锌产生原因为镀层上下表面及镀层同一表面不同位置的厚薄不均，导致合金化程度不一致，合金化炉加热段采用1200kW的感应加热功率加重了钢板粉化程度；通过控制热轧原料板形、锌层厚度、合金化炉感应加热器功率，改善后产品满足了用户使用要求。

关键词合金化；脱锌；热镀锌钢板；汽车外板

合金化热镀锌钢板(Galvannealed Steel Sheet，简称GA钢板)通常生产工艺为带钢出锌锅后进入合金化炉，通过感应加热，在立式热处理炉加热至480℃～570℃，均热段保温约10s使锌完全转变为Fe-Zn金属间化合物，最后带钢经过冷却段使合金层固化并得到最终的合金化镀层。GA钢板具有优良的耐蚀性能、涂装性能和焊接性能等优点，越来越多地应用于中高档轿车制造上[1]。

烘烤硬化GA钢板JAC340H主要应用于汽车发动机罩外板、门外板、后背门外板等外覆盖件的制造，对表面质量和冲压质量要求高。在使用某一批次JAC340H钢冲压门外板时出现成形过程中脱锌问题，为了消除脱锌缺陷对连续冲压过程的影响，分析了带钢脱锌的形成原因,提出改善合金化镀层与基体之间结合力的措施，改善措施取得了良好的效果。

1样品及分析方法

缺陷样品在某汽车厂取得，规格为0.65mm×1000mm，样品化学成分如表1所示，对应合金化段生产工艺如表2所列，先将试样切割成170mm×170mm的矩形试样，采用BUP400杯凸试验机模拟冲压试验，冲压速率10mm/s。同时，板料试样经酒精超声清洗后，用Quanta 400扫描电镜分析表面形貌，用辉光光谱分析仪分析镀层成分。

表1　化学成分(wt%)

表2　合金化段工艺点

2分析与讨论

2.1杯凸试验

在板料未额外涂油的情况下，杯凸试样沿板料边部的压延筋处存在相对严重的微小锌粉，存在明显的脱锌现象，其它部位未发现脱锌粉的问题，见图1(b)，在板料上涂油后进行试验，由于润滑加强，杯凸试样没有观察到明显脱锌现象，见图1(c)。根据杯凸试验可以初步判断，此批板料存在锌层附着力不良问题，尤其是板料边部，此外，板料表面涂油量也无法达到润滑效果，连续冲压程中模具与板料间的摩擦力加大，合金化层表面的锌层脱粉并在模具中聚集，导致冲压无法连续进行。

图1　杯凸试验

2.2镀层质量及镀层形貌

均匀一致镀层的带钢在通过合金化炉的过程中，有利于保证整个板面合金化程度的一致，如果镀层厚薄不均会导致在相同合金化条件下合金化程度的不一致，如表3所示，检测钢板不同部位的镀层质量，镀层质量明显不均匀。

表3　镀层质量(g/m2)

通常，热镀锌合金化产品的镀层铁含量10%左右时镀层粉化控制较为理想，通过辉光光谱仪分析镀层厚度及镀层中锌、铁组成情况，操作侧上下表面镀层厚度相差达到3μm，同时，通过图2可以看出操作侧上表面镀层中Fe含量很快达到10%以上，且整体水平偏高，而下表面镀层中Fe含量整体上处于6%左右，镀层中Fe含量偏低，也就是说，同一位置出现了上表面过合金化，下表面合金化不足的问题；合金化不均问题同样体现在同一表面的不同位置上，由于上表面操作侧、板中间、传动侧锌层质量存在大的差异，图3的辉光光谱分析图谱上也表现出锌层厚度差异、镀层合金化程度的差异，尤其是操作侧位置出现和过合金化问题，对比杯凸试验，脱锌位置与操作侧边部过合金化位置一致，判断冲压脱锌问题是由镀层质量不均导致的合金化不均引起。

带钢的合金化处理方法为高频感应加热法，即带钢由合金化炉的加热线圈中心通过，磁场内移动的带钢在磁力线的作用下得到加热，其特点是存在“集肤效应”，热量主要集中在带钢表面，不同于燃气加热法条件下的带钢自身温度较高，因此无法通过钢板自身的蓄热来促进合金化，一旦当带钢表面锌层质量存在较大差异时，锌层增厚需要更高的感应加热功率来完成合金化，但锌层相对薄的位置则会发生过合金化的情况，因此无法获得均匀一致的合金化程度。

图2　操作侧镀层锌、铁含量辉光光谱分析

图3　上表面镀层锌、铁含量辉光光谱分析

将操作侧、板中间、传动侧试样上下表面镀层形貌进行对比分析，从扫描电镜分析结果可以看出，试样表面几乎观察不到呈柱状的ζ相，但仅板中间位置样品上下表面合金化程度表现出较好的一致性，相结构是以δ1相为主的有利于锌层附着力的合金化相层，而操作侧、传动侧的试样上下表面的合金化程度一致性较差，即边部合金化程度存在较大差异，这与辉光光谱分析结果一致，与冲压脱锌主要发生在板料边部的现象也相对应。

图4　镀层表面形貌分析

2.3脱锌缺陷的改善

通过采用镀层质量分析、辉光光谱镀层分析、表面形貌分析等技术手段，判断产生冲压脱锌的原因是镀层质量不均导致的合金化不均，经过反查操作工艺执行情况，在操作层面上是由于此批镀锌基材存在板形不良问题，为控制出锌锅板形，造成气刀距钢板距离存在倾角，导致锌层厚度不均。通常，合金化炉均热段炉温为540℃-450℃的阶梯控制，合金化炉均热段温度510℃时，有利于超低碳烘烤硬化钢获得最佳的镀层[2-3]，机组为保证边部合金化程度加大了合金化炉加热段感应加热器功率，达到了1200kW，见表2，而对比以往同规格产品生产时感应加热器功率只有700kW的水平，由于感应加热器功率过高，导致钢板抗粉化能力相对较差[4]。

在分析脱锌缺陷产生的原因基础上，有针对性的控制了：(1)在热轧板形不良的情况下，热轧原料进行平整作业后再组织冷轧轧钢；(2)调整出锌锅钢带对中，控制气刀距钢带距离一致；(3)控制合金化功率，以提高合金化炉均热段温度作为主要合金化手段，降低感应加热器功率；(4)调整合金化率边部补偿烧嘴气体压力，保证钢板边部合金化水平。

经过优化JAC340H钢的生产组织和工艺控制，改善措施取得了良好效果，批量生产的JAC340H钢外板产品未出现批量冲压脱锌问题。

3结论

(1)通过杯凸试验、镀层合金化程度等方面的分析，确认产品脱锌的原因为镀层上下表面及镀层同一表面不同位置的厚薄不均而导致合金化程度不一致。

(2)通过控制热轧原料板形、锌层厚度、合金化炉感应加热器功率，改善措施取得了良好效果，用户批量使用改善后的JAC340H汽车外板产品未出现冲压脱锌现象，满足了用户使用要求。

参考文献

[1]张理扬,李俊,左良.汽车用合金化热镀锌钢板的发展趋向[J].钢铁钒钛,2004,25(4):15-19．

[2]黄先明,刘立斌，等，热镀锌烘烤硬化钢板合金化退火过程中镀层表面合金相形成过程的研究[J].矿冶工程，2007年，27(5):73-76．

[3]江社明，袁训华，等．BH钢合金化镀层抗粉化性能与合金化工艺的研究[J]．轧钢,2008,27(4):19-24.

[4]孙方义，陈园林，冯冠文．热镀锌合金化BH钢合金化工艺控制探讨[J]．武汉工程职业技术学院学报,2014,26(3):16-18.

(责任编辑：李文英)

The Analysis and Quality Control of JAC340H GA Coating Flaking in Stamping

Sun FangyiChen YuanlinFeng Guanwen

(Research & Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Regarding a galvannealed grad JAC340H, there was flaking issue during stamping. The coating quality was analyzed and the assessment test for galvannealed degree was carried out. After checking the process technology in manufacturing, the root cause of flaking was found out to be the coating thickness deference, which resulted in ununiformity of galvannealed degree, also the induction heating power of 1200kW increased the powdering. Through controlling the shape quality of hot rolled plate, coating thickness and induction heating power of the alloying furnace, the flaking issue was solved and finally the improved product met the requirement of custumers.

Key words:galvannealed; Zinc flaking; galvanized steel; automobile outer panel

中图分类号：TG157

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)01-0032-03

作者简介：孙方义(1976～)，男，高级工程师.E-mail：sfy0970@wisco.com.cn

收稿日期：2015-12-31修回日期：2016-01-14