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基于锌铝镁和锌铁镀层的冲压成形分析

2018年,中国汽车产销分别为2211.68万辆和2198.41万辆,全国汽车保有量越来越多。相应对汽车节能环保性能要求也不断提高,汽车材料也应适应这种要求。镀锌板作为耐腐蚀性能的材料,可提高零件的寿命,一直作为主机厂的主要钢板。欧美车系多使用Galvanized(GI) 纯锌镀层材料,其表面呈现规则细小的晶花,镀层中锌含量在99%以上。日系车多使用Galvaneal(GA) 锌铁合金镀层材料,其通过热处理方法,将其表面的纯锌层全部转化为Zn-Fe合金层的镀层板。


日本新日铁在20世纪90年代开发了名为ZAM的锌铝镁镀层,成分为Zn-6%Al-3%Mg,其镀层耐蚀性是普通锌镀层的1.5~18倍。这是由于加镁后,锌铝共晶组织变成颗粒状结构,并析出锌铝镁三元共晶结构。而之后越来越多的研究表明锌铝镁镀层具有优良的耐腐蚀性能、耐磨性能、焊接性能、涂漆性能,被认为是下一代的汽车用防护镀层。然而国内主机厂却未有使用实绩,也鲜有文章介绍锌铝镁镀层对冲压成形的影响。


本文以某量产车型的后地板为代表,以量产材料性能为基础依据,选取目前有生产锌铝镁镀层能力的三家钢厂提供的锌铝镁材料,进行网格试验和冲压对比,通过外观、流入量、减薄率、余裕度等比较,结果显示锌铝镁材料对冲压影响不明显,可实现在量产车型模具上的快速无缝切换。


后地板零件形状

图1为某汽车零部件后地板形状,左右对称,Z轴方向尺寸差最大为224.30mm,典型深拉深零件,量产材料采用适合深冲的GA材料(锌铁合金镀层)DX53D-ZF。其基本性能参数为:杨氏模量205GPa,泊松比0.24,屈服强度165MPa,抗拉强度300MPa,延伸率47%,各向异性指数2.1。

材料性能说明

以量产GA材料性能为基础,三家有生产锌铝镁镀层能力的钢厂各提供一组材料进行对比,三组ZAM,一组GA共四组材料,三组ZAM材料镀层铝含量不超过3%,镁不超过2%。各组材料机械性能参数见表1,值都符合国标要求,屈服强度各有变化,延伸率除第三组差异较大,其余如抗拉强度、n值、r值都相差不大。

冲压成形对比

选取试验对象的某车型后地板模具状况良好,为量产车型一直稳定供货。四组材料剪切成统一的坯料形状后,不改变生产条件,进行结果对比。


外观比较

因测试对象为内板件,外观表面未做严格要求,最终零件都满足品质要求,未出现拉裂和起皱等缺陷。图2所示为ZAM和GA拉延工序件的对比图,ZAM镀层(图上部)较GA(图下部)光亮,GA零件因锌铁合金镀层中含有10%左右的铁元素,故外观暗淡。

流入量比较

流入量是指拉延工序后,坯料外端尺寸流入模具的距离,能够反映材料的流动性。因测量的便易,本文测量拉延件最外端到同一位置拉延筋的距离作流入量对比,值越大,表面流动较少,流动性较差。如图3所示,选取四周四个区域进行流入量对比。


结果如图4所示,可以看出各流入量差异不大,三组ZAM材料与量产GA材料对比,数值都在±5mm以内,可判定可行。但值有正有负,并未能体现出锌铝镁镀层摩擦性能优于锌铁合金镀层的说法。


FLD余裕度、减薄率比较

如图5所示,选取变形较大的7个区域进行FLD余裕度和减薄率比较。

余裕度是指某区域应变与FLC曲线间垂直距离的最小值,可以反映成形的安全裕度。值越大,表示越安全,一般要求值至少大于10%。从图6可以看出,余裕度都在10%以上,满足成形性要求。


减薄率也是反映成形安全的指标之一,从图7看出,值都在20%以下,能够满足成形性要求。同时,从图6、图7可以发现三组ZAM材料和GA材料对比,值有正有负,并未有很好的规律性。这也证实仅仅是镀层的差异,对量产模具而言成形影响不明显。这是因为量产模具具有一定的成形安全领域,材料在此一定性能范围内,都能完成加工成形,得到合格零件。


结束语


本文选取了某量产车型后地板为试验对象,以量产材料性能为基础依据,有生产锌铝镁镀层能力的三家钢厂各提供一组锌铝镁材料。三组ZAM,一组GA共四组材料进行冲压成形性对比,通过外观、流入量、减薄率、余裕度等比较,结果显示出两种镀层冲压加工成形性能相当,仅从锌铁合金镀层变更为锌铝镁镀层材料,对冲压成形性影响不明显。考虑到锌铝镁镀层具有优良的耐腐蚀性能、耐磨性能、焊接性能、涂漆性能等优势,被认为是下一代的汽车用防护镀层,锌铝镁镀层材料可在量产车型模具上迅速无缝切换。

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