锌铝镁冲压后表面黑点缺陷原因分析

魏焕君 张春花 田秀刚 梅淑文 郭健

摘 要：针对唐钢镀锌铝镁板在冲压过程中出现的表面黑点现象，使用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪等检测仪器进行检测，分析其冲压后表面出现黑点的原因，结果表明，在锌铝镁镀层钢板冲压过程中，镀层开裂，润滑油夹杂着异物颗粒在宽裂纹处聚集，表现为黑点缺陷。

关键词：镀锌铝镁板；冲压件；裂纹；黑点

CAUSE ANALYSIS OF ZAM SURFACE BLACK SPOT DEFECT AFTER STAMPING

Wei Huanjun    Zhang Chunhua    Tian Xiugang    Mei Shuwen    Guojian

（Tangshan Iron and Steel Group Co.，Ltd.    Tangshan    063000，China）

Abstract：In response to the phenomenon of black spots on the surface of hot-dip galvanized aluminum magnesium plates of Tangshan Iron and Steel during the stamping process， detection instruments such as optical microscopy （OM）， scanning electron microscopy （SEM）， and energy dispersive spectroscopy were used to analyze the reasons for the appearance of black spots on the surface after stamping. The results showed that during the stamping process of hot-dip galvanized aluminum magnesium coated steel plates， the coating cracked， and lubricating oil mixed with foreign particles gathered at the wide cracks， resulting in black spot defects.

Key words： galvanized aluminum magnesium sheet; stamping parts; crack; black spot

0    前    言

锌铝镁镀层耐腐蚀性能优异，且有切口自愈性，其耐腐蚀效果相当于热浸镀锌钢板的15倍，相当于热浸镀锌铝合金钢板的5倍 ～ 8倍，且耐红锈性高，此外ZAM镀层硬度高，其维氏硬度为140 ～ 160 HV[1]，具有卓越的耐磨损性。因此被广泛应用于光伏支架、家用电器、高铁、大型变电站、立体停车场、仓储设备、汽车机电设备及其他金属成形领域[2-3]。随着锌铝镁产品销量的增加，前人对锌铝镁耐蚀性研究比较多，对生产和冲压过程中的质量问题研究较少，本文主要针对锌铝镁板冲压后出现的表面黑点问题进行原因分析。

1    存在的问题

某厂生产的规格为2.0 mm×1 257 mm的镀锌铝镁板，牌号为DX53D+ZM，其工艺流程为：材料经统一落料后冲压成电机壳，表面出现了黑点缺陷，见图1，该电机壳表面存在一处密集黑点，无手感，黑点大小不一，只存在一面，另一面无问题。

2    理化检测

2.1    镀层化学成分

取锌铝镁未冲压前原板，做镀层化学成分检测，结果见表1，结果表面镀层为低铝镀层。

2.2    黑点缺陷检测

取黑点处样品，用超声波清洗后放金相显微镜下观察。

显微镜下显示，黑点缺陷处镀层开裂严重，在开裂处可见明显异物填充开裂处缝隙（见图2），针对异物采用ZESS场发射扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS），进行检测，结果见图3。结果表明，黑点缺陷处粘附的异物为油污等污染物。

2.3    镀层金相组织分析

2.3.1    镀层形成原理

锌铝镁热浸镀的过程是将带钢浸入到熔融的Zn-Al-Mg三元合金的镀液中，使Zn-Al-Mg熔液在带钢表面凝固形成镀层。成分不同，形成的锌铝镁镀层的组织不同。根据Al的质量分数（WAl）不同，锌铝镁板一般分为三大类，即低铝（1%≤WAl≤5%）、中铝（6%≤WAl≤13%）和高铝（47%≤WAl≤57%）锌铝镁板。根据黑点缺陷板的镀层成分检測结果，属于低铝锌铝镁板。

锌铝镁板的连续热浸镀过程，实质是钢基表面和液态的镀液之间发生一系列的物理化学反应和镀液在钢表面的凝固过程。首先带钢进入镀液就发生钢基在熔体中的浸润，钢基表面的Fe原子溶解，并很快与镀液中的Zn/Al原子反应，生成Fe2Al5金属间化合物层，未反应的Fe原子向熔池中扩散，同时熔池中的原子也向铁基扩散。

前人研究了锌铝镁金属间化合物层厚度与温度和时间及成分的关系，表明合金层的厚度随温度的升高和时间的延长变厚[4]。图4为锌铝镁三元合金相图[5]，根据成分和相图分析，对于低铝锌铝镁，随着温度的降低，先析出粗大的富锌相，温度继续降低，随着液相成分的变化，达到Zn/MgZn2共晶反应点，生成相对粗大的二元共晶组织，继续凝固，由于铝被排到液相中，使成分点达到三元共晶点，最终形成三元共晶组织。因此Zn-1.03Al-1.47Mg镀层相结构为初生锌相、粗大的Zn/MgZn2二元共晶组织，Zn和MgZn2呈片层状分布（见图5b），其中亮白色为Zn相，灰色为MgZn2相，继续凝固，形成Zn/MgZn2/Al三元共晶组织。共晶相中Zn的存在形式有两种，一种是呈条带状与条带状的MgZn2交替分布，另一种在MgZn2交界处以点状存在，Al为黑色的环装，核心为点状的Zn（见图5b）。

2.3.2    镀层金相组织分析

用线切割切取包含黑点缺陷的金相样品，镀层横截面经热镶嵌后进行粗磨、细磨、抛光处理，在ZESS金相显微镜下观察，结果表明，在黑点缺陷处镀层开裂，裂纹深度直达钢基（见图6），正常处镀层表面存在微裂纹（见图7）。

采用线切割切取金相样品，抛光后观察镀层表面组织，结果显示，Zn-1.03%Al-1.47%Mg镀层组织主要有初生Zn相，Zn/MgZn2二元共晶相，Zn/MgZn2/Al三元共晶相。在黑点缺陷处镀层存在明显的宽裂纹，MgZn2这种化合物是硬而脆的相，正因为硬度高，所以加工时镀层抗划伤性能比较好，但是脆性大，在加工时镀层就容易开裂，见图9，裂纹萌生于共晶相和富锌相之间。

将冲压后黑点缺陷位置用线切割切取10 mm ×10 mm样品，采用创新的检测方法，可以清晰显示裂纹开裂的相，在粗大的MgZn2处形成宽裂纹，裂纹深度直达钢基表面，在冲压过程中润滑油及污染物会进入裂纹，形成宏观的黑点缺陷。

3    结    论

1）低铝锌铝镁镀层相结构为初生锌相、Zn/MgZn2共晶组织、Zn/MgZn2/Al三元共晶组织。

2）当板材冲压后，镀层各相的变形能力不同，富锌相的变形能力强，MgZn2这种化合物是硬而脆的相，正因为硬度高，所以加工时镀层抗划伤性能比较好，但是脆性大，在加工时镀层就容易开裂，裂纹萌生于共晶相和富锌相之间。

3）当镀层在冲压时存在直达钢基表面的宽裂纹，冲压过程中的润滑油及污染物就会粘附在镀层表面，形成黑点缺陷。

参考文献

[1]    董世文，骆永伟，王向飞，等.锌铝镁镀层板的形貌分析[J].材料保护，2020，53（12）：146-151

[2]    谢英秀，金鑫焱，王利.热浸镀锌铝镁镀层开发及应用进展[J].钢铁研究学报，2017，29（3）：167-174

[3]    李锋，吕家舜，杨洪刚，等.锌铝镁镀层钢板的研究进展[J].轧钢，2013，30（4）：45-51

[4]    Giorgi M.L.Guillot Theoretical Model of the Interfacial Reactions between Solid Iron and Liquid Zinc-Aluminium Alloy[J].Materials Science，2005，40（9-10）：2263-2268

[5]    王定宇.上海金屬[M].上海：上海市金属学会出版社，1991.