镀锌板种类及其在车身上的应用

镀锌板种类及其在车身上的应用摘要：在提高整车安全性、节能性、舒适性的同时，提高车身耐腐蚀性，延长车身寿命是衡量汽车品质的重要指标。提高车身耐腐蚀性的重要途径之一是利用镀锌钢板代替非镀锌钢板，国外 从20世纪70年代开始使用镀锌钢板，此后镀锌板使用比例不断上升。本文阐述了镀锌板种类、性 能、应用等方面的内容以及新型防腐材料的发展。关键词：镀锌板 车身 应用中图分类号：U463.82.04文献标识码：B长城汽车研究院材料部 魏元生随着汽车业的发展，为了满足不同使用环境对车身耐腐蚀性的需要，车身耐腐蚀性能及耐久性要求逐 年提高。欧美等发达国家为延长汽车使用寿命，减少 维修费用，对汽车防腐性能提出了严格的标准规范， 如美国、日本提出了车身耐表面腐蚀为5年，耐穿孔 腐蚀为10年，发动机内腔耐腐蚀极限为2年1。随着 科学技术的发展，防腐标准有逐步提高的趋势，特别 是沿海国家和北欧国家，由于气候、湿热、盐雾、大 量使用含钠盐的融雪剂等原因，对车身的外露部件、 底盘部件等耐腐蚀性能都提出很高的要求。盐雾试验 表明，镀锌板的耐盐雾腐蚀时间一般是普通冷轧钢板（普冷板）的23倍，因此车身的外露部件大量使用镀锌板是提高车身抗腐蚀性能的最有效途径之一。镀锌铁合金板，电镀锌板由于相对成本较高而主要用于高端车型的外板件。热镀锌层厚度可根据不同需要 选择630 m；电镀锌层厚度为212 m。热镀锌 层的生成是通过将冷轧钢板表面活化后浸入420 熔 融锌槽镀锌，经高速气刀在钢带两侧喷吹H2+N2气流 的擦拭和冷却作用，实现镀锌层厚度的均匀性和基材 力学性能的稳定性；电镀锌层则以电化学方法生成， 经镀锌处理后在钢板表面形成一层封闭的锌涂层，热 镀锌板横截面金相图片见图1。不同类型镀锌板性能 各有利弊，其特点见表1。1 镀锌板种类及性能目前，汽车车身上广泛使用的镀锌类钢板有：热镀纯锌板（GI）、合金化热镀锌板（GA）、电镀纯 锌板（EGI）、电镀锌镍合金板（EGA）等。到目前 为止，欧系车多采用热镀纯锌板，日系车则多采用热图1 热镀锌板横截面金相图片（1）冲压性能在上述的GI、GA、EG 3种镀锌板中，GI板的性 价比最高，而且与非镀锌的冷轧基板冲压性能相近，材ERIAL料应用APPLICMATATION钢板种类 镀层质量/gm-2相应的镀层厚度/m性能优点缺点50/5070/70100/1007/79.8/9.814/14GI耐蚀性好、成形性好、使用成本低焊接电流大、产生飞溅10/1020/2030/3040/401.4/1.42.8/2.84.2/4.25.6/5.6EGI耐蚀性好、成形性好、表面质量高成本高、焊接规范适应区间小见表2。热镀纯锌板（DC57D+Z）与普冷基板力学性能对比结果见图2。通过对比可知，两者性能差异很 小，可以忽略不计。锌层堆积于成形模中影响冲压件表面质量。GA板的冷冲压成形性能较差，其力学性能与其基材牌号相同 的冷轧板相比差异较大，对成形模具设计及表面质量 要求较高。研究表明, 锌层的剥离多发生在锌层组织的相 与钢基界面上，而粉化则多发生在镀层中硬而脆的 1 相层内的水平裂纹处。观察镀层微观结构发现，冲压成形时出现的上述缺陷均与镀层的铁含量及相结ts/mm / MPab /s80/ %牌号r值 n值Nmm-2/b4-6构的组成和分布有关。具体来说, 镀层的粉化开始于铁含量3 g/m2(w=5%) 的条件下。当铁含量较注：t为钢板厚度。（Fe）高时，粉化量急剧增大。铁含量小于3 g/m2时，镀层主要由 和 相组成，而 1和 相很少。当铁含量大于5 g/m2时，镀层主要由 和相组成，表面上1可能残存少量相。这说明5 g/m2的铁含量是粉化的临界成分4。此外，在冲压成形时，镀层与模具间的摩擦因 数也必须适当，否则钢板将出现撕裂或起皱。试验表 明，摩擦因数也与镀层的铁含量有关。在铁含量为46 g/m2时，Ti基IF钢合金化镀锌板中相当于镀层表 面的 相被 1相取代。这时的摩擦因数相当于冷轧 板冲压时的摩擦因数。当镀层中铁含量过低时，相 的比例较大且易与模具粘附，导致摩擦因数增大，使 镀层呈片状剥离，甚至粘附于模具表面而无法正常工作。因此，从成形性方面考虑，合金化镀层的最佳相图2 热镀纯锌板（DC57D+Z）与基板力学性能对比合金化热镀锌板（GA）包括：热镀锌铁合金板、热镀锌镍合金板等。这类板锌层表面较脆，在冲 压成形时易出现锌层的剥落。锌层剥落有2种形式： 镀层呈片状剥落称为剥离；镀层呈颗粒状剥落称为粉 化。此外, 还有因锌层表面与冲压模之间摩擦因数不 匹配而形成的钢板撕裂或皱皮等缺陷。冲压时剥落的52汽车工艺与材料 AT&M2011年第9期 DC040.81412930.48 45.89 2.82 0.24DC060.81332860.46 47.55 2.88 0.24DX53+Z0.81482830.52 45.35DX56D+Z0.81472800.52 46.80 2.95 0.23表2 低碳钢及表面热镀纯锌板力学性能对比45/456.3/6.3GA50/507/7焊接性能好使用成本高、耐蚀性差、成形性差60/608.4/8.4表1 不同类型镀锌板的锌层厚度及性能对比材L料应用PPLICATIONMATERIAA3组成应以1相为主，可含有少量相 。（2）焊接性能 镀锌钢板具有良好的焊接性，可以点焊和缝焊。点焊时，其焊接强度与低碳钢点焊接近。但焊接电流 需增大10%15%。镀锌板焊接的特点如下。a.由于镀锌层的熔点较低（419.5 ），点焊时 板与板之间焊点部位的锌层熔化流布、增加表面积， 从而增加了能量的吸收。与无锌层钢板焊接相比，焊 接电流增大，焊接压力提高，同时熔化的锌被电极挤 出，形成飞溅或在焊点周围形成锌环，保护焊点。b.电极工作面容易产生合金化，影响导电性能、 磨损加剧、打磨频次增加。c.为减少电极烧损，应加强电极的冷却。图3中所示为冷轧板（CR）、热镀纯锌板 （GI）、热镀锌合金板（GA）3种材料的焊接性能对 比。从图3中可看出，CR板所需焊接电流最小，适应 的焊接规范较宽；GI板所需电流较大，焊接规范居 中；GA板焊接电流居中，焊接规范最窄。基板不被腐蚀。当镀锌层局部破损，基板与镀锌层同时暴露在腐蚀介质中形成原电池；由于镀锌层与基板 相比，电极电位较低，易于失去电子，在原电池中充 当阳极，锌层溶解而保护钢基体不被腐蚀；此外 ， 锌层在一般的大气环境中，其腐蚀产物通常为碱式碳 酸锌Zn2(OH)2 CO3，它对锌层有一定的保护作用。 但在含硫的工业大气中，其腐蚀产物是易溶于水的 锌盐，易被雨水冲洗流失，不能阻碍锌层的进一步腐 蚀。试验证明，在镀锌量350 g/m2（单面）时，镀锌 钢板在屋外的寿命（生红锈），田园地带约为1518 年，工业地带大约35年，这比普通钢板的寿命长几 倍甚至十几倍，大大提高了车身的防腐蚀性能。目前，乘用车使用镀锌钢板的部位为最易遭受腐 蚀的汽车底盘、外覆盖件、前机舱、行李箱、车门等 部位，采用的镀锌钢板厚度为0.53.0 mm，其中车 身覆盖件多用0.60.8 mm的镀锌钢板。德国奥迪轿 车的车身部件绝大部分采用镀锌钢板（部分用铝合金 板）；美国别克轿车采用的钢板80%以上是双面热镀 锌钢板；上海帕萨特车身的外覆盖件采用电镀 锌板，内覆盖件内部采用热镀锌板，车身防锈蚀保质期长达11年。 长城汽车新开发2款车及国内合资品牌轿车镀锌钢板使用比例见表3。（1）合理选材实现“一模两材”冲压成形 如前所述，不同的热镀锌板受到镀锌工艺及锌层组织性能的影响，其力学性能与同材质的冷轧板相 比有一定的差异，采用同材质的有锌层或无锌层两种 材料共用一套模具成形有一定的风险。但是对于已批 量生产车型需要进行耐腐蚀性品质提升时，重新设计 模具不现实，必须由一套模具实现两种材质的成形问 题。如何保证成形质量，是材料工程师在选材时应注 意的问题。在上述分析中提到，热镀纯锌板的力学性 能与普冷板相差不大，在镀锌层厚度适应的情况下， 通过微量调整冲压参数可实现一模两材。由表2可 知，热镀纯锌板（GI）在锌层质量70 g/m2时，其屈服强度、伸长率、n值、r值与同基材的冷轧板相差图3 CR、GA、GI 3种镀锌板焊接性能对比（3）涂装性能镀锌板的涂装性能对后续的磷化、电泳涂漆、面 漆不构成影响，对磷化预处理工序中的脱脂槽液总碱 度和磷化槽液中的游离酸度做一些调整后，可实现与 冷轧板共线处理，具有良好的涂装性能。2 镀锌板的应用由于镀锌钢板具有良好耐大气腐蚀性，越来越多被用作车身材料。镀锌板的防腐蚀作用主要表现在： 通过封闭的锌保护层把被保护金属与腐蚀性介质隔 开；电化学保护之牺牲阳极保护法。热镀锌钢板的镀 锌层将钢基板表面覆盖，使其与腐蚀介质隔开以保护2011年第9期 汽车工艺与材料 AT&M53材MATERIAL料应P用PLICATIONA车型镀锌板比例/镀锌板种类使用部位不大。经过实际冲压验证，得到了很好的成形效果，图4为前围板本体（材料HC220YD+Z）冲压成形后 效果。图5为中通道外板（材料HC340LAD+Z）零件 的热镀纯锌板与普通冷轧板成形效果对比。度及均匀的镀层厚度。显然，铁含量高的镀层具备上述要求。故从焊接性考虑，镀层相结构应以铁含量 较高的1相为宜。 同时，由于镀锌层的物理性能关 系，镀锌板点焊工艺与冷轧板点焊工艺相比具有很大 差异和特点，具体如下。a.减小点焊适用的参数范围2由于锌层的导电性好、熔点低、硬度低，在焊接 压力作用下产生较大的塑性变形，增大了板材间的接 触面积，致使接触电阻降低，同时由于锌层熔化也使 接触面积增大，导致焊接电流密度减小，产生的电阻 热减小，影响母材熔化形成熔核。因此，镀锌板焊接 电流一般要高于冷轧板1/3。同时，适应的焊接电流 范围减小，影响了焊接的稳定性。镀锌板电流分布示 意图见图62。图4 前围板本体冲压成形后效果图5 中通道外板零件的热镀纯锌板与冷轧板成形效果对比（2）镀锌板的焊接性一部汽车约有3 0004 000个焊点，主要以点焊 为主，也有部分气体保护焊焊点。通常认为，点焊的 焊点直径为4t时的最小焊接电流与产生喷溅的最小电 流差值为焊接适应性范围，此范围的值为0.6 kA3。 热镀纯锌板焊接适应范围小于冷轧板，热镀锌合金板 的焊接适应范围最小，并与镀层的铁含量有关。试验 表明，焊接电流随镀层中铁含量增大而减小。对于自 动化生产线，要求镀层具有高熔点、高表面电阻和硬图6 电流分布b.减小焊接电极修复间隔和使用寿命由于锌层熔点低，焊接时熔融锌液易粘附于电 极表面污染电极，降低了电极的导电、导热性能，使 电极表面硬度下降，加速电极磨损。焊接电极的损伤 影响焊接表面质量，需要频繁修复或更换，导致生产 率降低，生产成本提高。54汽车工艺与材料 AT&M2011年第9期 宝来 60GI轮罩内板、地板、行李箱内板件 帕萨特100GI车身全部使用镀锌板花冠80GA外板件及部分内板件 卡罗拉80GA外板件及部分内板件CHK01150GI 轮罩及车门内板、地板、前机舱内板及全部外板 CHB01150GI轮罩及车门内板、地板、前机舱内板及全部外板件表3 长城汽车新开发2款车及国内合资品牌轿车镀锌钢板使用比例材MATERIAL料应P用LICATIONAPc.对焊接质量的影响镀锌板对焊接质量的最大影响是强度，在点焊 过程中，表面锌层熔化后会使焊接接头内残留部分锌 或锌铁合金，使熔核结晶过程中产生缺陷，影响焊接 接头的强度。同时，由于镀锌板焊接规范适应区间变 小，增加了焊接质量的控制难度，如果焊接规范调节 不合适，焊接过程中极易产生飞溅现象，影响焊接接 头的外观质量。d.镀锌板工艺参数对焊点直径、力学性能的影响 及测定产生飞溅的临界点 7为了测试锌层厚度对焊接工艺参数的影响，选 择一组锌层厚度不同的镀锌板与冷轧板（试样性能见 表4）进行点焊试验，得出焊接电流与熔核直径的关 系，见图77。焊接时间变化对点焊接头性能的影响见图87。引起飞溅的焊接规范临界曲线见图97。图8 点焊接头抗剪强度与焊接时间的关系镀锌层质量/gm-2抗拉强度/ Nmm-2材料(代号)图9 点焊飞溅临界曲线的1相取代之。3 新型镀锌板（1）预磷化镀锌板预磷化镀锌板是在钢厂热镀锌机组或电镀锌机 组上添置磷化装置生产的。在镀锌工艺段后，直接对 锌层表面进行磷酸盐溶液处理，形成一层有利于冲压 的固体磷酸盐润滑膜，并提高热镀锌板在仓储、运输 及整车涂装工序前的耐蚀性。磷化膜多为锌、锰、镍 三元系的伪转化膜。当前有3种典型的预磷化处理方 式，即浸渍式、喷淋式和辊涂式预磷化工艺。其中， 浸渍式和喷淋式适合于生产连续式预磷化板；辊涂式 特别适合于生产非连续式预磷化板。目前，国际上流 行的镀锌板预磷化膜分为两类，即连续式和非连续式 磷化膜预磷化镀锌板。图7 点焊熔核直径与焊接电流关系的拟合曲线综上所述。为取得加工性和焊接性均好的 合金化镀锌板，镀层的最佳铁含量为45 g/ m 2 (9%10%Fe)，最高不宜超过5.5 g/m2(11%Fe)。最 佳相结构为以 1相为主并含有极少量 相以及极薄 的不可避免的相层。采用含P的Ti IF钢热镀锌并合 金化处理所得的镀层可完全避免形成相，而以较软2011年第9期 汽车工艺与材料 AT&M55普通冷轧钢板(A) 225.0 电镀锌钢板 (B) 20 287.5 热镀锌钢板 (C) 100 284.0 热镀锌钢板 (D) 140 290.0表4 镀锌板与冷轧板试样性能材MATERIAL料应用PPLICATIONA（2）自润滑钢板自润滑钢板是有机涂层钢板的一种，主要以镀 锌板为基板，即用镀锌钢板在经铬酸钝化处理后再涂 覆含润滑剂的有机树脂制成。由于自润滑钢板表面润 滑性能优良，且具有良好的耐腐蚀性能，因而生产时 无需涂防锈油，冲压成形时也无需向模具加润滑油， 成形后也不用进行脱脂清洗。因此，自润滑钢板不仅 大大降低了生产成本，而且有利于环保和改善工作环 境。新近开发的自润滑钢板不仅具有优良的自润滑 性、耐蚀性、成形性，而且具有良好的涂装性、导电 性、耐指纹性及焊接性能等，主要应用于家电、汽车 等冲压成形零件。（3）锌铝合金镀层钢板（Galfan）锌铝合金镀层钢板是国际铅锌研究组织开发 成功的产品，于1984年正式投产，其商品名称 为Galfan，也称低铝镀锌钢板。锌铝合金镀层钢 板组织具有双相结构特征，其镀层含有5%Al、 95%Zn，还有微量的稀土元素。含铈的混合稀土合 金加到Zn-5%Al中，主要目的是增加湿法清洁表面 钢板的能力。锌铝合金镀层钢板镀锌后快速冷却， 会得到致密的富锌和富铝细化分布的共晶组织。由 于其电化学特性很相似，故锌铝合金镀层钢板较常 规镀锌钢板腐蚀速度慢且均匀。锌铝合金镀层钢板的主要优点是镀层的塑性和附 着性很好，因而变形前后的耐腐蚀性不变；其耐大气 腐蚀特性是常规热镀锌板的23倍，并具有良好的涂 覆性，可使合金层和涂层间的结合长期保持稳定。在 所有热镀锌板中，其韧性最好，镀层较厚的锌铝合金 镀层的耐腐蚀性和成形性可与扩散退火电镀锌板相媲 美，它还具有很好的焊接性能、耐高温氧化性能。总 之，锌铝合金镀层具有优良的综合性能。（4）其他高耐蚀锌基镀层 8a.Zn-0.5%Mg镀层新日铁开发的Zn-0.5%Mg镀层钢板比传统镀 锌板具有更高的耐蚀性，且成本和生产工艺均无大 的变化。研究表明，在镀液中添加Mg可提高锌层的耐蚀性。在纯锌或Zn-0.2%Al中加入0.5%Mg时，镀层的中性盐雾试验（NSS）的腐蚀率下降到最低 的水平，在相同镀层质量下，其耐蚀性为普通热镀 锌层的1.52倍；大气加速腐蚀试验表明，其耐蚀 性达到普通镀锌板的3倍；循环腐蚀试验表明，Zn-0.5%Mg镀层的腐蚀失重仅为普通镀锌板的1/5； 在Hirohara试验场的大气中曝晒21个月后，Zn-5%Mg镀层的腐蚀率仅为4.5 g/m2/a，而普通镀锌板 高达15 g/m2/a；在日本Aihi 炼油厂海洋大气6个月 的曝晒试验表明，Zn-5%Mg镀层钢板镀层失重为36.4 g/m2，而普通镀锌板为137.8 g/m2。 另外，由 于Zn-0.5%Mg镀层的硬度(达到100HV)比普通镀锌 层(65HV)的高而使其具有较高的抗划伤性。对腐蚀 产物的物相分析表明，此种镀层的高耐蚀原因在于 其腐蚀产物为致密的ZnCl24Zn(OH)2层，而普通镀 锌层的腐蚀产物为疏松的ZnO。b.Zn-6%Al-3%Mg镀层 由日新制钢公司开发的Zn-6%Al-3%Mg镀层是当今锌基镀层中具有最高耐蚀性的新型镀层。在Zn-6%Al的共晶组织中添加不同Mg含量，对其镀层的循 环腐蚀试验表明，含镁达3%时镀层的耐蚀性大幅度 提高，而且镀层产生红锈的循环次数随Mg含量的提 高而增加，当试样的腐蚀失重达60 g/m2时，新镀层 与传统镀锌层的循环腐蚀试验的循环次数分别为： Zn-0.2%Al 达10次；Zn-6%Al-3%Mg达180次(镀 层质量为（905）g/m2)。可见，此新镀层比普通镀 锌层的耐蚀性高近18倍之多。含Mg镀层的腐蚀产物具有良好的抑制阴极 反应的效果，电化学研究表明，普通镀锌板(GI)在 腐蚀试验初期腐蚀电流不断增大，而Zn-5%Al-0.1%Mg(GA)的腐蚀电流一直处于低水平。Zn-6%Al-3%Mg镀层在中性盐雾试验500 h及在循环腐 蚀试验20个循环后仍能维持极低的腐蚀电流。Zn-6%Al-3%Mg镀层可抑制碱式碳酸锌和ZnO的形成， 其腐蚀产物以碱式氯化锌为主，此物能长期存在而抑（下转第62页）56汽车工艺与材料 AT&M2011年第9期 生PRODUCTI产ON装备EQUIPMENT决定于工艺规划的合理性，周密性。（2）柔性工装的模块化设计。目前，国内汽车 焊装生产线在厂房规划之初大多以单线布局为主，采 用逐步增加生产线方式进行扩容。柔性工装的引入， 对工艺布局的影响有着积极意义。可以想象，依托柔 性工装，完全可以在同一手工生产线上通过规划、预 留工位实现至少2个平台的产品。如果平台车型的产 品设计有较多的相似处，甚至可以共线生产2个平台 的4种产品。（3）采取求同存异原则，可以较大范围地对不同平台车型进行共线生产。针对几年前的生产线，往往因为屡次的产能提升，几乎所有的预留工位都已安排了工艺内容，并且生产布局受限于厂房 用地，无法增加拼台。如果能较好地利用求同存异 原则去改造生产线，必能减少原有设备的修改，缩 短调试周期；减少设备投资，提高原有设备的利用 率，降低投资成本。（4）共线生产可以大大提高生产线的使用效 率以及减少重复投资。市场的需求通常以品种多样 化为生产企业导向。共线生产是建立在同一生产线、同一设备、同一人员的生产模式来实现产品的多样化。&M（上接第56页）制其腐蚀速率。参考文献：Steel Society, 1995.107-113.5Lin C S ,Meshii M. Effect of Steel Chemistry on theFormation of the Alloy Layers on the Commercial Hot-1张益民，马荣贵，符含光. 耐蚀热镀锌钢板在汽车工Dip CoastingsC. Chicago:The Iron and Steel Society,业中应用的进展J. 腐蚀与防护，1999，（11）：4-8.1995.2包晔，朱振友. 镀锌钢板白车身的点焊喷溅问题J.6望月一雄. 表面处理研究 10年步升J.川崎制铁焊接，2005，（7）：27-29.技报，1999，31（1）：34-40.3张启富，刘邦津，仲海峰. 热镀锌技术的最新进展7王敏，唐逸民，周萍. 镀锌钢板点焊的工艺性能J.钢铁研究学报，2002，（4）：69-76.J.上海交通大学学报，1992，（02）:156-158.4Claus G, Dile wijins J. Determination of the Process8仲海峰等.国外钢板热镀锌技术进展J.腐蚀与防Window for Optimal Galvannealing of Ti IF Steel A.The护，2002，23（11）：8-12.Use and Manufacture of Zinc Alloy Coated Sheet Steel&MProducts into the 21”CenturyC.Chiago: The Iron and62汽车工艺与材料 AT&M2011年第9期 2011中国汽车工程学会年会2011 SAE-China Congress Media Cooperation Invitation中国汽车工程学会年会已经成功举办18届，规模超过1 300人，征文投稿超过700篇。每届年会云集国内外主要整 车企业、零部件企业，是汽车行业高水平的综合性学术交流活动、成为汽车及相关行业内广大科技工作者进行学术交流 的重要平台。“2011中国汽车工程学会年会”将于2011年10月26日 28日在北京举办。 一、年会主题：动力、能源与环境二、会议规模：预计600人 组委会联系方式： 联系人：陆丽俐电话： 010-63345599-831手机：139 1077 9907Email：sae830sae-china.orgAT AT