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1 前言
合金化熱鍍鋅鋼板（GA鋼板）是將鋼板浸入約460℃的熔融鋅液中鍍鋅，然后再加熱進(jìn)行合金化處理制成的鋼板，鋼板表層是含有10%左右Fe的Fe-Zn合金鍍層。
GA鋼板在20世紀(jì)80年代后半期開始用作汽車防銹鋼板。當(dāng)時(shí)，為了提高陽離子電積涂裝性和沖壓性，在GA鋼板表面增加一層Fe-Zn電鍍層成為雙鍍層型GA鋼板。
隨著涂裝技術(shù)的進(jìn)步，不再需要雙鍍層型GA鋼板。在20世紀(jì)90年代后半期出現(xiàn)了改善沖壓性能的GA潤(rùn)滑鋼板，并用于汽車制造。進(jìn)入21世紀(jì)，不僅是汽車本身的性能，而且環(huán)境（輕量化、無環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)排放）、生產(chǎn)效率、全球化制造等都成為汽車的關(guān)鍵詞。汽車制造廠迫切希望開發(fā)出“環(huán)境友好、更加易于使用的GA鋼板”。
在這種情況下，JFE鋼鐵公司開發(fā)出具有良好沖壓成型性、焊接性（無飛濺）、化成處理性和全球化制造性的新型高性能汽車鋼板，并且已經(jīng)實(shí)用化。該鋼板的商品名是JAZ（JFE Advanced Zinc），目前已在日本國內(nèi)各汽車制造廠使用。JAZ于2009年獲得第56屆大河內(nèi)紀(jì)念生產(chǎn)獎(jiǎng)。本文對(duì)JAZ的設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
2 開發(fā)內(nèi)容
(1) 高性能汽車鋼板必須具備的特性
汽車制造的工藝流程可分解為，鋼板沖壓成型-焊接.車體組裝-涂裝-設(shè)備安裝.最終組裝等環(huán)節(jié)。在制造過程中對(duì)高性能汽車鋼板的特性要求：
沖壓時(shí)不能發(fā)生沖壓裂紋等缺陷，并使形狀復(fù)雜的沖壓部件形狀穩(wěn)定化。
② 點(diǎn)焊時(shí)焊接飛濺粒子不能粘附在鋼板表面（抗飛濺粘附）。
③ 涂漆底層的化成處理晶粒均勻，陽離子電積涂漆后外觀美麗。
1）沖壓成型性
在沖壓成型過程中，沖壓材料（鋼板）投料后用壓板對(duì)鋼板料施加防皺壓力，然后用沖頭沖入，形成要求的形狀。在沖頭沖入時(shí)，通過對(duì)材料自身變形和材料從壓板流入模具內(nèi)的控制，獲得設(shè)計(jì)形狀和尺寸的沖壓件。如果材料和模具之間的摩擦系數(shù)大，就容易產(chǎn)生沖壓裂紋。因此，降低GA鋼板表面的摩擦系數(shù)對(duì)于穩(wěn)定沖壓成型性是十分重要的。
2）點(diǎn)焊性
在汽車制造過程中使用最多的電阻點(diǎn)焊法是用兩個(gè)水冷電極對(duì)夾緊的鋼板通電，利用產(chǎn)生的焦耳熱在鋼板之間形成熔融區(qū)（熔核）將鋼板焊接。一輛汽車車體要進(jìn)行3000點(diǎn)~6000點(diǎn)之多的點(diǎn)焊。在實(shí)際的點(diǎn)焊操作中，為使焊接點(diǎn)充分熔融，常常增加焊接電流。在這種情況下，會(huì)發(fā)生焊接飛濺，在鋼板表面附著直徑1mm以下的熔融鐵粒子，一般將這種現(xiàn)象稱為飛濺粘附。汽車外板的飛濺粘附嚴(yán)重影響涂漆后的外觀。
3）涂裝性（化成處理性）
在涂裝時(shí)首先要對(duì)底層進(jìn)行化成處理。化成處理是將GA鋼板表面的Zn溶解，然后通過化學(xué)反應(yīng)生成約為10μm大的致密的磷酸鋅晶粒。化成處理后進(jìn)行陽離子電積涂裝，涂料深入到針狀的磷酸鋅晶粒之間，由于錨固效果使涂層具有附著性。因此，對(duì)于汽車用鋼板，化成處理皮膜必須均勻形成。
(2) 表面改質(zhì)技術(shù)的開發(fā)
一般來說，GA鋼板的沖壓成型性不僅受鋼板的力學(xué)性能（伸長(zhǎng)率、r值、n值等）和沖壓時(shí)使用的潤(rùn)滑油的影響，鍍層表面的滑動(dòng)性也是沖壓成型性的一個(gè)決定性因素。目前GA鋼板保證沖壓成型性的主流思路是，通過加熱合金化來控制鍍層的相結(jié)構(gòu)以及附著潤(rùn)滑皮膜，而JAZ采用的是對(duì)鍍層的最表層進(jìn)行改質(zhì)的方法。這種方法概括起來有以下兩點(diǎn)。
1）高熔點(diǎn)Zn系化合物
使鋼板表面高熔點(diǎn)化是降低沖壓模具與GA鋼板的反應(yīng)性，是抑制沖壓件粘附的有效方法。這種方法對(duì)于抑制焊接飛濺粘附也是有效的。此外，將鍍層內(nèi)的Zn作為表層基體的思路也符合無環(huán)境負(fù)荷物質(zhì)的觀點(diǎn)。
2）獨(dú)有的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
沖壓成型時(shí)發(fā)生斷油會(huì)導(dǎo)致沖壓故障，根據(jù)這一點(diǎn)，高效率保持潤(rùn)滑油是防止這類故障的有效措施。
(3) 本技術(shù)的特點(diǎn)
汽車部件形狀復(fù)雜，不同類別部件，甚至同一部件的不同部位在沖壓過程中的滑動(dòng)條件也不相同。滑動(dòng)條件可大致分成3種情況。一是滑動(dòng)速度很大時(shí)的摩擦系數(shù)條件（A條件），這是在高面壓作用下控制材料流入時(shí)發(fā)生的情況。二是在滑動(dòng)速度較小時(shí)的摩擦系數(shù)條件（B條件），這是在較低面壓作用下控制沖頭肩部材料變形時(shí)的情況。三是面壓很小，滑動(dòng)速度也很小時(shí)的摩擦系數(shù)條件（C條件），這是沖頭底部由于材料和模具接觸才開始產(chǎn)生變形的情況。實(shí)際沖壓成型過程中，材料是在這些條件的復(fù)合下發(fā)生滑動(dòng)，所以需要在設(shè)定的滑動(dòng)條件下，評(píng)價(jià)材料能否進(jìn)行充分的滑動(dòng)。在各種滑動(dòng)條件下本產(chǎn)品的摩擦系數(shù)都小于傳統(tǒng)的GA潤(rùn)滑鋼板。特別是本產(chǎn)品C條件摩擦系數(shù)比傳統(tǒng)的GA潤(rùn)滑鋼板顯著下降，這是本產(chǎn)品的一個(gè)特點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)中對(duì)強(qiáng)度一定、r值不同的本開發(fā)鋼板和普通GA鋼板的產(chǎn)生皺折的防皺壓力極限和產(chǎn)生裂紋的防皺壓力極限進(jìn)行了研究。從圖2中可以看出，r值增加，產(chǎn)生皺折的防皺壓力極限值下降，而產(chǎn)生裂紋的防皺壓力極限值增加，結(jié)果是可以成型的防皺壓力范圍擴(kuò)大。還可以看出，r值相同時(shí)，本開發(fā)鋼板可以成型的防皺壓力范圍比普通GA鋼板大很多。這說明本開發(fā)鋼板具有優(yōu)良的沖壓成型性，并且即使是r值較小的本開發(fā)鋼板也具有容易沖壓成型的效果，這種效果相當(dāng)于r值增加0.3。
本開發(fā)鋼點(diǎn)焊時(shí)的焊接電流范圍和電極壽命和普通GA鋼板是相同的。這說明本開發(fā)鋼板可以在普通GA鋼板的焊接條件下進(jìn)行點(diǎn)焊。在實(shí)際連續(xù)焊接時(shí)，本開發(fā)鋼板和普通GA鋼板在電極劣化和損壞方面沒有差別。在采用本開發(fā)鋼板時(shí)，沒有增添新設(shè)備的負(fù)擔(dān)。
此外還進(jìn)行了焊接飛濺粘附實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本開發(fā)鋼板單位面積飛濺粘附量比普通GA鋼板減少一半以上，說明本開發(fā)鋼板具有良好的抗焊接飛濺粘附能力。
(4) 本開發(fā)鋼板特性小結(jié)
本開發(fā)鋼板特性小結(jié)如表1所示。本開發(fā)鋼板是環(huán)境友好型、高級(jí)質(zhì)量的并可進(jìn)行全球制造的高性能汽車用鋼板。本技術(shù)是利用獨(dú)創(chuàng)的鍍層改質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)和新思路的改質(zhì)技術(shù)形成的適于全球化的技術(shù)。
3 本開發(fā)鋼板的效果
（1）汽車用鋼板高性能化
本開發(fā)鋼板由于潤(rùn)滑性的提高，使得過去很難成型的部件可以成型，部件形狀的自由度大大增加。過去用焊接方法組成的大型部件現(xiàn)在采用本開發(fā)鋼板可進(jìn)行一體化成型。這不僅可以減少?zèng)_壓故障，而且由于鋼板減薄和省去焊接區(qū)的鋼板重疊部分，有利于推進(jìn)汽車輕量化。
由于本開發(fā)鋼板具有良好的抗焊接飛濺粘附能力，可以減少粘附飛濺的清除時(shí)間，并可節(jié)約飛濺粘附防止劑，減少了汽車制造的用工時(shí)間。
（2）有利于制造環(huán)境友好型汽車
由于本開發(fā)鋼板不含有傳統(tǒng)鍍層中的水污染物質(zhì)和重金屬，所以有利于這些物質(zhì)含量的減少。今后，隨著本開發(fā)鋼板用量的增加，效果會(huì)十分顯著。
（3）本開發(fā)鋼板具有全球化生產(chǎn)能力
本開發(fā)鋼板是在連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上經(jīng)鍍鋅和合金化熱處理后，在線進(jìn)行表面改質(zhì)處理生產(chǎn)的產(chǎn)品。從2005年開始已經(jīng)在JFE鋼鐵公司的4條生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。2007年向中國和歐洲提供該項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海外生產(chǎn)。發(fā)源于日本的這項(xiàng)技術(shù)推廣到海外，可以實(shí)現(xiàn)日本國內(nèi)外的汽車制造采用同一設(shè)計(jì)和同一制造工藝。
4 今后的發(fā)展方向
近年來，為提高汽車的沖撞安全性和推進(jìn)汽車輕量化，汽車制造廠積極采用高強(qiáng)度鋼板，鋼鐵廠也大力推進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的開發(fā)和批量化生產(chǎn)。眾所周知，對(duì)于高強(qiáng)度鋼板來說，影響成型性的特性值（如沖壓性指標(biāo)r值）較低，因此成型性較差。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本開發(fā)鋼板的成型性好于高強(qiáng)度GA鋼板，因此采用本開發(fā)鋼板可以彌補(bǔ)由于強(qiáng)度提高造成的成型性下降。
今后將本技術(shù)用于高強(qiáng)度鋼板將有利于提高汽車的沖撞安全性，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，促進(jìn)CO2減排。
5 小結(jié)
JAZ鋼板不像傳統(tǒng)GA潤(rùn)滑鋼板那樣，在鋼板表面涂敷潤(rùn)滑皮膜，而是采用對(duì)GA鋼板表面進(jìn)行改質(zhì)的技術(shù)制造高性能GA鋼板。在汽車制造工藝方面正在推進(jìn)省略工序和低成本工藝，作為鋼鐵企業(yè)應(yīng)及時(shí)地開發(fā)出適應(yīng)汽車制造工藝變化的GA鋼板。
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