钢材具有优异的力学性能和焊接性能，且经济性好、易于生产，因此应用广泛。然而，钢材在使用一定时间后容易生锈。为了弥补这一不足，可在钢材表面涂覆锌层而提高其耐腐蚀性能，但随着全球锌的消费持续增速，预计锌资源在不久的将来会枯竭。鉴于此，韩国浦项钢铁公司（POSCO）研发出了创新性的Al-Zn-Si合金涂层钢板，其耐腐蚀性优于普通锌涂层。本研究通过与热镀锌（GI）钢板在耐腐蚀性、焊接性能、摩擦特性等方面的对比试验，评估该Al-Zn-Si合金涂层钢板在汽车用钢领域的适用性。研究结果表明，新开发的Al-Zn-Si合金涂层钢板，即便在涂层重量更低的情况下，仍具有优异的耐腐蚀性，且在粘着磨损和焊接液态金属脆化（LME）性能方面表现突出，同时其点焊电极寿命、电沉积涂层性能和弯曲性能也十分优异。推测这些优异性能与涂层界面处形成的Al-Zn-Si合金相有关。
1引言
热镀锌钢板在汽车、家电、建筑等多个行业应用广泛，且用量持续增长。然而，若全球锌的使用量仍按当前趋势增加，预计锌资源在不久的将来会完全枯竭，因此，目前业界正寻求通过在锌涂层中添加其他金属以提高耐腐蚀性的解决办法。近年来，耐腐蚀性远优于锌涂层的Zn-Al-Mg合金，作为新一代涂层材料受到广泛关注。早在20世纪60年代，就有相关研究报道提出了在熔融锌中添加镁和铝，从而制备具有优异耐腐蚀性的合金涂层钢板。
不过，镁和铝均为化学活性较高的元素，添加后难以控制锌浴状态并保证产品表面质量。直至2000年以后，日本钢铁企业相继推出了ZAM（Zn-6%Al-3%Mg）和SuperDyma（Zn-11%Al-3%Mg-0.2%Si）等涂层产品，高耐腐蚀性合金涂层产品才得以实现商业化。该类产品研发成功后，首先应用于高端建筑材料领域。此后，在21世纪中期，受锌价飙升及未来锌资源枯竭预期的影响，欧洲钢铁企业和汽车企业开始重点关注Zn-Al-Mg合金涂层。最终，欧洲钢铁企业研发出了适用于汽车内外饰件的Zn-Al-Mg涂层产品，该类产品在镁含量1%-2%、铝含量1%-3%的范围内，满足了表面质量、焊接性能等汽车用钢要求。
在韩国，浦项钢铁公司（POSCO）于2012年研发出了适用于建筑材料、镁含量为3%的PosMAC3.0涂层产品，随后又研发出了适用于汽车和家电领域、镁含量为1%-2%的PosMAC1.5涂层产品。自此以后，全球多数钢铁企业纷纷加大了高耐腐蚀性涂层产品的研发与生产力度。在产品标准方面，美国材料与试验协会（ASTM）已扩充并修订了高耐腐蚀性合金涂层标准，以涵盖更广泛的涂层成分；韩国、欧洲及东南亚地区也已制定并修订了相关国家标准。这为高耐腐蚀性合金涂层钢板在各行业的推广应用创造了条件，预计未来全球对该类产品的需求将进一步增长。
尽管Zn-Al-Mg合金涂层具有优异的高耐腐蚀性，但要满足对外观美感要求较高的汽车外板和家电产品需求，仍需更严格的质量控制。尤其是与传统热镀锌涂层相比，高耐腐蚀性合金涂层在锌浴中更易产生浮渣缺陷；且由于会形成凝固行为不同的多种物相（Zn、MgZn2、Al等），表面质量控制难度较大。此外，Zn-Al-Mg涂层钢板的熔点较低，在先进高强度钢（AHSS）涂覆过程中易发生液态金属脆化（LME），这也是其一大缺点。因此，本研究为解决上述问题，对全球首创的60%-70%Al-Zn-Si涂层钢板的耐腐蚀性、焊接性能和摩擦特性进行了试验，旨在评估该钢板在汽车领域的适用性。
2试验方法
为评估60%-70%Al-Zn-Si涂层钢板在汽车领域的应用性能，在不同试验条件下对其进行了腐蚀试验、点焊试验、弯曲试验和表面试验。本试验所用的Al-Zn-Si涂层钢板通过连续热镀锌线（CGL）生产，材料厚度为1.2mm，涂层重量分别为20g/m2、30g/m2和60g/m2。试验选用涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板作为对比材料。
腐蚀试验依据国际标准化组织（ISO）8227标准进行盐雾试验（SST），并依据ISO14993标准进行循环腐蚀试验（CCT）。腐蚀试验的试样尺寸为150mm×70mm。焊接试验采用点焊机进行，通过点焊过程中的电极寿命和可焊电流范围来评估焊接性能。电极寿命由焊点熔核尺寸和焊点数量决定，同时通过观察先进高强度钢点焊后的横截面组织，判断液态金属脆化（LME）是否发生。
为对比Al-Zn-Si涂层钢板与传统热镀锌钢板的摩擦系数，进行了往复表面摩擦试验。表面摩擦性能与复杂形状零件的冲压成型质量（粘着磨损）密切相关。试验流程如下：如图1所示，试验设备装有3个摩擦压头，均匀分布在直径为200mm的圆周上。每个压头的表面尺寸为18mm×28mm，表面经硬铬镀层处理后再进行研磨抛光，压头表面硬度为700-1000HV。摩擦压头以5MPa的压力与试样接触，随后试样进行重复旋转运动。随着试样的旋转，实时测定摩擦系数，试样总旋转次数为40-100圈。所有试样的表面粗糙度均为1.0-1.5Ra，且试验均在试样表面涂油的相同条件下进行。
此外，为评估该钢板在汽车领域的适用性，还对其弯曲性能、磷化处理性能和电沉积涂层性能进行了综合评估。
3试验结果
图2为Al-Zn-Si涂层横截面组织的扫描电子显微镜（SEM）观察图像。在基体铁与涂层的界面处，观察到了尺寸约为2.6μm的Al-Zn-Si合金相；同时发现，在涂层内部可见裂纹的区域，Si元素主要呈大量分布状态。
图3对比了涂层重量为60g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板与涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板在经过168h盐雾试验后的表面外观。从图3可以看出，Al-Zn-Si涂层表面仅出现白锈，而热镀锌涂层表面则产生严重红锈，这表明在相同涂层重量下，Al-Zn-Si涂层的耐腐蚀性更优异。
图4对比了涂层重量为30g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板与涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板在经过168h循环腐蚀试验后的表面外观。从图4可以看出，Al-Zn-Si涂层表面仅出现白锈，而热镀锌涂层钢板表面则整体产生严重红锈，这说明即使Al-Zn-Si涂层的重量仅为热镀锌涂层的一半，其耐腐蚀性仍然很优异。通过X射线衍射（XRD）对Al-Zn-Si涂层的腐蚀产物进行分析，分析结果如图5所示。根据图5的结果显示，腐蚀产物主要由ZnO、Zn2Al（OH）6Cl2·H2O、Al2O3和SiO2组成。由此推测，与热镀锌涂层的多孔腐蚀产物相比，致密的Zn2Al（OH）6Cl2·H2O、Al2O3和SiO2提高了Al-Zn-Si涂层的耐腐蚀性。
钢板的表面摩擦性能对冲压成型工艺至关重要。摩擦系数越高，冲压过程中越容易出现粘着磨损问题。较高的摩擦阻力会导致钢板表面变形，使表面小颗粒脱落。这些脱落的颗粒在反复冲压过程中会堆积在模具表面，进而在冲压操作中产生粘着磨损缺陷。传统热镀锌钢板由于摩擦系数较高且涂层易脱落产生颗粒，容易出现粘着磨损现象。粘着磨损的高频发生会导致生产过程中需中断以清理冲压模具，从而降低生产效率。因此，对于冲压工艺而言，涂层材料需具备较低的摩擦系数和较强的表面抗变形能力，这是非常理想的性能特点。
图6对比了不同涂层重量的Al-Zn-Si涂层钢板与涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板在往复摩擦试验后的摩擦系数变化。当摩擦试验往复约20次时，热镀锌钢板的摩擦系数显著升高，而Al-Zn-Si涂层钢板的摩擦系数始终保持稳定的较低值。推测其原因在于，热镀锌涂层的硬度较低，仅为60HV，而Al-Zn-Si涂层的硬度较高，可达130HV，因此Al-Zn-Si涂层具有优异的抗粘着磨损性能。
图7展示了涂层重量分别为20g/m2和60g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板在点焊过程中的电极寿命。涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板，其电极寿命约为500-1000次；而涂层重量为60g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板，其电极寿命可达600-1700次，表现出更高的电极寿命。推测原因是，热镀锌钢板在钢板基体与涂层的界面处形成的Fe2Al5层较薄，而Al-Zn-Si涂层钢板则形成了含铁量较高的较厚Al-Zn-Si合金层。
图8展示了涂层重量分别为20g/m2和60g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板在点焊过程中的可焊电流范围。涂层重量为60g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板，其可焊电流范围为3.0kA；涂层重量为20g/m2的Al-Zn-Si涂层钢板，其可焊电流范围为2.5kA。由此可见，Al-Zn-Si涂层钢板的点焊性能优异。
表1对比了Al-Zn-Si涂层钢板与涂层重量为60g/m2的热镀锌钢板在汽车用钢性能方面的综合评估结果。结果显示，与热镀锌钢板相比，Al-Zn-Si涂层钢板在耐腐蚀性、抗粘着磨损性能和焊接液态金属脆化性能方面表现更优异，且在焊接电极寿命、电沉积涂层性能、弯曲性能和磷化处理性能方面与之相当或更优。此外，Al-Zn-Si涂层钢板表面无锌花，外观效果极佳；同时其涂层润湿性优异，因此，具有涂层附着力较好的优势，可用于生产包括相变诱导塑性钢（TRIP）在内的先进高强度钢。
4结论
POSCO研发出了一种创新型的60%-70%Al-Zn-Si涂层钢板，该钢板具有良好的表面外观。与传统热镀锌钢板相比，即便在涂层重量更低的情况下，该Al-Zn-Si涂层钢板仍具有优异的耐腐蚀性，且在抗粘着磨损性能和焊接液态金属脆化性能方面表现突出；此外，其点焊电极寿命、电沉积涂层性能、弯曲性能和磷化性能也十分优异。这些优异性能推测与涂层界面处形成的Al-Zn-Si合金相有关。未来通过与汽车企业的联合评估，预计该类钢板将可应用于汽车用钢领域。
