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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2~3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6~30 μm；电镀锌层厚度为2~12 μm。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
2011年第9期图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，
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表1 不同类型镀锌板的锌层厚度及性能对比钢板种类镀层质量/g·m-2相应的镀层厚度/μm50/50GI70/70100/10045/45GA50/5060/6010/10EGI20/2030/3040/407/79.8/9.814/146.3/6.37/78.4/8.41.4/1.42.8/2.84.2/4.25.6/5.6 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焊接性能好 使用成本高、耐蚀性差、成形性差 耐蚀性好、成形性好、使用成本低 焊接电流大、产生飞溅性能优点缺点见表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。
表2 低碳钢及表面热镀纯锌板力学性能对比牌号DC04DC06DX53+ZDX56D+Z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Γ相与钢基界面上，而粉化则多发生在镀层中硬而脆的
tσs/mm/ MPa0.80.80.80.8141133148147σb / N·mm-2293286283280σs δ80 r值n值/σb/ %0.4845.892.820.240.4647.552.880.240.5245.350.5246.802.950.23δ1 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构的组成和分布有关[4-6]。具体来说, 镀层的粉化开始于铁含量3 g/m2(w（Fe）=5%) 的条件下。当铁含量较高时，粉化量急剧增大。铁含量小于3 g/m2时，镀层主要由η和ξ相组成，而δ1和Γ相很少。当铁含量大于5 g/m2时，镀层主要由δ1 和Γ相组成，表面上可能残存少量ξ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
注：t为钢板厚度。
图2 热镀纯锌板（DC57D+Z）与基板力学性能对比
明，摩擦因数也与镀层的铁含量有关。在铁含量为4~6 g/m2时，Ti基IF钢合金化镀锌板中相当于镀层表面的ξ相被δ1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，ξ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
2011年第9期合金化热镀锌板（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
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组成应以δ1相为主，可含有少量ξ相[3]。
（2）焊接性能
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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15~18年，工业地带大约3~5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0.5~3.0 mm，其中车身覆盖件多用0.6~0.8 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。
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。
图3 CR、GA、GI 3种镀锌板焊接性能对比
（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
汽车工艺与材料 AT&M（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
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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车型宝来帕萨特花冠卡罗拉CHK011CHB011镀锌板比例/％6010080805050镀锌板种类GIGIGAGAGIGI使用部位轮罩内板、地板、行李箱内板件车身全部使用镀锌板外板件及部分内板件外板件及部分内板件轮罩及车门内板、地板、前机舱内板及全部外板轮罩及车门内板、地板、前机舱内板及全部外板件不大。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δ1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
图4 前围板本体冲压成形后效果
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6[2]。
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3 000~4 000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 kA[3]。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。
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c.对焊接质量的影响
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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7[7]。焊接时间变化对点焊接头性能的影响见图8[7]。引起飞溅的焊接规范临界曲线见图9[7]。
表4 镀锌板与冷轧板试样性能材料(代号) 普通冷轧钢板(A) 电镀锌钢板 (B)热镀锌钢板 (C)热镀锌钢板 (D)镀锌层质量/g·m-2 —20100140抗拉强度/ N·mm-2225.0287.5284.0290.0图9 点焊飞溅临界曲线
图8 点焊接头抗剪强度与焊接时间的关系
的Γ1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
图7 点焊熔核直径与焊接电流关系的拟合曲线
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。
汽车工艺与材料 AT&M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4~5 g/m2(9%~10%Fe)，最高不宜超过5.5 g/m2(11%Fe)。最佳相结构为以δ1相为主并含有极少量ξ相以及极薄的不可避免的Γ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Γ相，而以较软
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（2）自润滑钢板
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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1.5~2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ZnCl2·4Zn(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（90±5）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）
2011年第9期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2~3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 [8]a.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
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决定于工艺规划的合理性，周密性。
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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。
AT&M（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
（上接第56页）制其腐蚀速率。
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AT&M2011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：sae830@sae-china.org62汽车工艺与材料 AT&M2011年第9期
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