镀铝锌板冲压过程表面发黑原因分析

林彬，赵波

（1.鞍钢股份有限公司冷轧厂，辽宁鞍山114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

在相同条件下，镀铝锌板耐大气腐蚀能力比镀锌板高出2～6倍，镀铝锌板镀层结构由富铝相和富锌相组成，其中富铝相体积比约占80%，富锌相约占20%，这种镀层结构把铝的隔离保护与耐久性和锌的电化学保护完美结合，使镀铝锌板耐蚀能力大幅提高。镀铝锌板表面光亮，反射热和光的能力是热镀锌板的2倍；锌花结构立体感强，使镀铝锌板可以直接裸板使用；镀铝锌钢板有着良好的耐热抗氧化性，在315℃环境下长期使用不变色。这些优势使镀铝锌板越来越得到国内终端用户的认可和广泛使用。

近十年国内镀铝锌生产线逐渐呈递增趋势，从2004年镀铝锌产量占热镀锌产量的5%左右发展到2015年的14.15%[1]。虽然镀铝锌板的需求不断增加，但其生产过程中仍存在镀液温度高，易结渣，板面质量不稳定等问题，且镀铝锌引进到国内的工艺相对热镀锌工艺的时间晚，其工艺技术交流不充分，因此国产镀铝锌板品质普遍不高，在冲压过程出现表面发黑现象，影响冲压部件的美观。文中对此进行了研究。

1 存在的问题

2008年鞍钢股份有限公司冷轧厂进行自主集成改造，具备了生产镀铝锌板的能力。通过近十年的技术积累，产品质量不断提高，产量由4万t/a增加到8万t/a。虽然应用领域不断扩展，但其应用技术研究还有待完善和积累。

空调行业是鞍钢镀铝锌产品未来重点发展的潜在应用领域，国内某知名空调企业和鞍钢合作共同研发采用镀铝锌替代热镀锌的项目。研究发现，鞍钢镀铝锌板在冲压中会出现表面发黑现象，如图1所示。区域1为与模具发生相对摩擦后发黑严重部位，区域2为受模具压力但无相对滑动区域。

图1 鞍钢镀铝锌钢板冲压后发黑试样

2 发黑原因分析

2.1 宏观形貌分析

用酒精擦拭冲压发黑部件，发黑试样宏观形貌见图2。随着擦拭次数增加，试样表面颜色逐渐变浅，说明黑色物质可以部分擦掉。反复擦拭后试样表面沿模具运动方向的划痕清晰可见，镀层锌花不明显。在冲压过程中，该部分受力较大，模具污染严重，因此推断冲压过程中产生的污染物可能来自于模具，或可能来自试样表面脱落的耐指纹膜或铝锌粉末摩擦堆积所致。

图2 发黑试样宏观形貌

2.2 微观形貌分析

扫描电镜具有投射深度较深和能谱穿透性较强的特点，利用扫描电镜，结合X射线光电子谱仪（XPS），测量纳米层范围的成分，将发黑部件划分为发黑部分和未变化部分两个区域，比较两区域的表面状态和元素价态，分析Al、Zn元素发生的变化，找出冲压发黑的根本原因。

2.2.1 扫描电镜及能谱分析

为了进一步分析黑色物质的组成，取冲压部件中的区域1和区域2为分析对象，按冲压制程前后将区域1分为1#和2#两部分，见图3。对1#和2#部分标记5个位置观察发黑区域，取图位置见图4。在图4扫描图像中分别取5个位置进行能谱分析。

图3 区域1取样位置

图4 区域1试样取样位置微观形貌

采用扫描电镜对两区域进行分析，冲压后铝 锌镀层经模具发生挤压变形，区域1试样表面已无法观察到明显的镀层枝晶结构，冲压前半程1#部分表面形貌为金属氧化物，并大量分布长度约为50 μm的垂直于冲压方向黑色条状物。后半程2#部分表面同样为金属氧化物，除黑色条状物之外，还分布着大量长度约为200 μm的白色条状或颗粒状物质。

采用X射线光电子能谱仪对区域1、2的分析结果见表1。通过扫描电镜分析区域1（除黑色斑点外）的能谱,发现试样氧含量均较低，这是由于SEM投射深度深，能谱穿透性强，没有真实反映表面层的元素情况。

结合能谱分析结果，黑色条状物为碳化物，白色条状物质为单质铁。说明冲压前半程耐指纹皮膜的润滑作用就开始失效，皮膜出现破裂和堆积；后半程随摩擦加剧，模具与镀铝锌层发生啃蚀划伤，铝锌层表面出现犁痕，深及基板，造成铁粉堆积；区域2表面形貌显示其具有完整的耐指纹膜覆盖镀层表面，即正常的耐指纹铝锌镀层表面成分。区域1与区域2的微观形貌见图5。

表1 试样能谱分析结果（质量分数） %

图5 两区域表面微观形貌

2.2 .2 XPS试样分析

进一步用XPS分析，利用其测量纳米层范围成分的优势，得到区域1的结果如图6。其中，从图6（a）中可以看出区域1中的氧含量分布明显增高，氧主要与铝和锌结合形成氧化物。图6显示区域1的试样表面碳含量较低，说明耐指纹膜在冲压过程中基本全部脱落。从图6（b）可以看出，铝锌层表面铝的结合能谱是氧化铝和金属铝的混合能谱，其中氧化铝的所占比例较大，说明试样表面在无耐指纹膜润滑的冲压过程中，摩擦热能够使铝和锌发生氧化。

图6 区域1试样XPS分析

区域2的表面XPS分析显示各成分含量在深度方向的分布如图7（a），其表层C、O含量较高，明显是耐指纹膜成分，除C、O外还有Fe，未见Zn、Al元素。而扫描电镜分析没有Fe，说明Fe的覆盖很薄，扫描电镜检测是具有一定的穿透深度的，XPS分析在表层十几个纳米级别分析，XPS进一步进行面扫描，如图 7（b）。全扫谱(刻蚀时间为 20.0 s)显示正常耐指纹膜表面检测到较薄的Fe元素层，这说明在模具冲压过程中，模具表面存在Fe粉污染物，正常区刻蚀870 s后（约120 ns）再进行面扫描，Fe元素消失，见图7（c）。钢板在模具中发生塑性流动时，Fe粉易对表面耐指纹膜产生破坏作用。

图7 区域2的表面XPS分析

3 结论

（1）镀铝锌钢板冲压发黑主要是由于镀层钢板在冲压过程中表面耐指纹膜破坏脱落，模具对钢板的摩擦热使铝锌镀层剥落并与镀层表面Al、Zn发生氧化而发黑。

（2）与模具接触时，在非冲压区表面有明显Fe元素，说明模具表面Fe粉污染物在冲压过程中粘连到钢板表面，模具表面Fe污染物对冲压区的钢板表面会起到一定破坏作用。

（3）镀铝锌钢板在冲压过程中出现沿模具运动方向的犁痕划伤，在此冲压工艺条件下，应改善耐指纹膜的耐磨性，尤其在有摩擦热的条件下，使耐指纹膜起到润滑作用，抵抗摩擦的破坏作用。通过向耐指纹镀液中添加聚四氟蜡等物质，可有效提高耐指纹膜的润滑性能和耐磨性。