涂装设备汽车用新型热镀锌润滑钢板特性及发展

涂装设备1、前言

    合金化热镀锌钢板(GA钢板)是将钢板浸入约460℃的熔融锌液中镀锌，然后再加热进行合金化处理制成的钢板，钢板表层是含有10%左右Fe的Fe-Zn合金镀层。

    GA钢板在20世纪80年代后半期开始用作汽车防锈钢板。当时，为了提高阳离子电积涂装性和冲压性，在GA钢板表面增加一层Fe-Zn电镀层成为双镀层型GA钢板。

    随着涂装技术的进步，不再需要双镀层型GA钢板。在20世纪90年代后半期出现了改善冲压性能的GA润滑钢板，并用于汽车制造。进入21世纪，不仅是汽车本身的性能，而且环境(轻量化、无环境负荷物质排放)、生产效率、全球化制造等都成为汽车的关键词。汽车制造厂迫切希望开发出“环境友好、更加易于使用的GA钢板”。

    在这种情况下，JFE钢铁公司开发出具有良好冲压成型性、焊接性(无飞溅)、化成处理性和全球化制造性的新型高性能汽车钢板，并且已经实用化。该钢板的商品名是JAZ(JFEAdvancedZinc)，目前已在日本国内各汽车制造厂使用。JAZ于2009年获得第56届大河内纪念生产奖。本文对JAZ的设计思想和产品特性进行简要介绍。

    2、开发内容

    (1)高性能汽车钢板必须具备的特性

    汽车制造的工艺流程可分解为，钢板冲压成型-焊接.车体组装-涂装-设备安装.最终组装等环节。在制造过程中对高性能汽车钢板的特性要求：

    冲压时不能发生冲压裂纹等缺陷，并使形状复杂的冲压部件形状稳定化。

    ②点焊时焊接飞溅粒子不能粘附在钢板表面(抗飞溅粘附)。

    ③涂漆底层的化成处理晶粒均匀，阳离子电积涂漆后外观美丽。

    1)冲压成型性

    在冲压成型过程中，冲压材料(钢板)投料后用压板对钢板料施加防皱压力，然后用冲头冲入，形成要求的形状。在冲头冲入时，通过对材料自身变形和材料从压板流入模具内的控制，获得设计形状和尺寸的冲压件。如果材料和模具之间的摩擦系数大，就容易产生冲压裂纹。因此，降低GA钢板表面的摩擦系数对于稳定冲压成型性是十分重要的。

    2)点焊性

    在汽车制造过程中使用最多的电阻点焊法是用两个水冷电极对夹紧的钢板通电，利用产生的焦耳热在钢板之间形成熔融区(熔核)将钢板焊接。一辆汽车车体要进行3000点~6000点之多的点焊。在实际的点焊操作中，为使焊接点充分熔融，常常增加焊接电流。在这种情况下，会发生焊接飞溅，在钢板表面附着直径1mm以下的熔融铁粒子，一般将这种现象称为飞溅粘附。汽车外板的飞溅粘附严重影响涂漆后的外观。

    3)涂装性(化成处理性)

    在涂装时首先要对底层进行化成处理。化成处理是将GA钢板表面的Zn溶解，然后通过化学反应生成约为10μm大的致密的磷酸锌晶粒。化成处理后进行阳离子电积涂装，涂料深入到针状的磷酸锌晶粒之间，由于锚固效果使涂层具有附着性。因此，对于汽车用钢板，化成处理皮膜必须均匀形成。

    (2)表面改质技术的开发

    一般来说，GA钢板的冲压成型性不仅受钢板的力学性能(伸长率、r值、n值等)和冲压时使用的润滑油的影响，镀层表面的滑动性也是冲压成型性的一个决定性因素。目前GA钢板保证冲压成型性的主流思路是，通过加热合金化来控制镀层的相结构以及附着润滑皮膜，而JAZ采用的是对镀层的最表层进行改质的方法。这种方法概括起来有以下两点。

    1)高熔点Zn系化合物

    使钢板表面高熔点化是降低冲压模具与GA钢板的反应性，是抑制冲压件粘附的有效方法。这种方法对于抑制焊接飞溅粘附也是有效的。此外，将镀层内的Zn作为表层基体的思路也符合无环境负荷物质的观点。

    2)独有的表面结构设计

    冲压成型时发生断油会导致冲压故障，根据这一点，高效率保持润滑油是防止这类故障的有效措施。

    (3)本技术的特点

    汽车部件形状复杂，不同类别部件，甚至同一部件的不同部位在冲压过程中的滑动条件也不相同。滑动条件可大致分成3种情况。一是滑动速度很大时的摩擦系数条件(A条件)，这是在高面压作用下控制材料流入时发生的情况。二是在滑动速度较小时的摩擦系数条件(B条件)，这是在较低面压作用下控制冲头肩部材料变形时的情况。三是面压很小，滑动速度也很小时的摩擦系数条件(C条件)，这是冲头底部由于材料和模具接触才开始产生变形的情况。实际冲压成型过程中，材料是在这些条件的复合下发生滑动，所以需要在设定的滑动条件下，评价材料能否进行充分的滑动。在各种滑动条件下本产品的摩擦系数都小于传统的GA润滑钢板。特别是本产品C条件摩擦系数比传统的GA润滑钢板显著下降，这是本产品的一个特点。

    实验中对强度一定、r值不同的本开发钢板和普通GA钢板的产生皱折的防皱压力极限和产生裂纹的防皱压力极限进行了研究。从图2中可以看出，r值增加，产生皱折的防皱压力极限值下降，而产生裂纹的防皱压力极限值增加，结果是可以成型的防皱压力范围扩大。还可以看出，r值相同时，本开发钢板可以成型的防皱压力范围比普通GA钢板大很多。这说明本开发钢板具有优良的冲压成型性，并且即使是r值较小的本开发钢板也具有容易冲压成型的效果，这种效果相当于r值增加0.3。

    本开发钢点焊时的焊接电流范围和电极寿命和普通GA钢板是相同的。这说明本开发钢板可以在普通GA钢板的焊接条件下进行点焊。在实际连续焊接时，本开发钢板和普通GA钢板在电极劣化和损坏方面没有差别。在采用本开发钢板时，没有增添新设备的负担。

    此外还进行了焊接飞溅粘附实验，实验结果表明本开发钢板单位面积飞溅粘附量比普通GA钢板减少一半以上，说明本开发钢板具有良好的抗焊接飞溅粘附能力。

    (4)本开发钢板特性小结

    本开发钢板特性小结如表1所示。本开发钢板是环境友好型、高级质量的并可进行全球制造的高性能汽车用钢板。本技术是利用独创的镀层改质设计技术和新思路的改质技术形成的适于全球化的技术。

    3、本开发钢板的效果