一、研究的背景与问题
锌铝镁镀层是继传统锌铝镀层后发展的高性能钢铁防护材料，兼具锌的阴极保护性、铝的耐蚀性及镁的自修复特性。其表面呈银灰金属光泽，镀层致密均匀，具备卓越的耐海洋大气腐蚀性、抗红锈渗透性能。依托钢基体的高强度特性，锌铝镁镀层材料在复杂工况下仍可保持优异机械稳定性，尤其在300℃以下的中高温环境中，镀层表面抗氧化变色能力与耐蚀衰减率显著优于常规镀层。
国内技术多模仿国外成分体系小批量生产，无自主核心技术：成分设计无创新，难兼顾耐蚀性与加工适配性；工艺控制落后，镀液温度、炉鼻子露点调控无序，1000cm2锌渣数量超8个，黑点缺陷难控；无加工变形与镀层性能关联数据库，漆膜附着力检测无标准，电机壳加工脱粉、螺旋纹问题无解；批量生产性能波动大，高端产品依赖进口。概括国内外公开技术存在三大核心不足：宏观缺陷控制不完备，特有缺陷机理与控制不明；微观组织调控有限，镀层性能难同步提升；应用适配性研究浅，关键技术缺口明显。
唐山钢铁集团研究团队基于5#镀锌生产线可实现了研发-生产-检测一体化，加速成果转化取得良好进展，降低了研发风险。
二、解决问题的思路与技术方案
1、高耐蚀锌铝镁镀层成分研究与设计
（1）合金元素对镀层组织结构的影响
制备1.6%Al-1.3%Mg的锌铝镁镀层，以及向镀层中分别加入0.1%Re、0.2%Ti、0.1%Re+0.2%Ti的试样，观察合金元素对镀层微观组织的影响。从图1可见，无合金元素加入的镀层中以锌相为主，少量的共晶相；0.1%Re或0.2%Ti的合金加入后，镀层中的共晶相明显上升；0.1%Re+0.2%Ti的合金加入后，共晶相进一步上升，且此时的锌相尺寸更加均匀，以椭球形为主，形态更好。
图1 各镀层成分的截面SEM
（2）合金元素对镀层耐腐蚀性的影响，对比合金元素对镀层耐腐蚀性的影响。
耐电化学腐蚀性能：
试验获得4种不同成分的锌铝镁镀层在5% NaCl溶液中的动电位极化曲线，见图2。当0.1%的稀土加入时，腐蚀电位无明显变化，腐蚀电流密度出现下降；当0.2%Ti加入时，腐蚀电位有所提升，腐蚀电流密度有所下降；当0.1%Re+0.2%Ti共同加入时，腐蚀电位提升0.011V，腐蚀电流密度下降1.19*10-6A·cm2，镀层更不容易发生腐蚀，且腐蚀发生后的腐蚀速率下降。
图2 各镀层成分的极化曲线
表1 各镀层成分的电化学腐蚀参数
耐中性盐雾腐蚀性能：
从下图可见，各镀层成分的红锈出现的时长均与镀层重量呈正比。试样1的镀层平均每克提升11.5h红锈出现的时长，试样4的镀层平均每克提升12.4h红锈出现的时长。因此，在中性盐雾试验中，试样4的耐腐蚀性相比于试样1提升7.82%。
图3 各镀层成分的红锈开始出现的时长
（3）合金元素对镀层硬度的影响
检测各镀层成分的镀层硬度，Ti元素的加入使得硬度明显提升，而稀土的加入对硬度影响不大。硬度提升可提高镀层的耐磨性，对于需多道次反复冲压的零部件比较有利。
表2 各镀层成分的硬度
含钛、稀土低铝低镁成分体系Zn-1.6%Al-1.3%Mg-0.1Re-0.2Ti的镀层产品已在河钢唐钢高强汽车板产线投入生产，截至2024年底已生产77万吨，产品通过客户的使用验证，得到一致认可。
2、镀层板高表面质量控制技术
（1）锌灰锌渣缺陷分析及控制技术
镀液中的Al、Mg元素会将带钢表层的Fe原子溶解到镀液中，一部分以游离态分布，另一部分与镀层组成分子基团，这些分子基团悬浮在镀液中，分子集团沾到带钢表面会形成锌渣颗粒。
图4 镀液温度与锌渣数量的关系
图5 温度波动与锌渣数量的关系
当镀液温度上升时，镀液对带钢的溶解速度增加，并且Fe在镀液中的溶解度升高，锌渣颗粒数量上升。
图5为镀液波动对锌渣数量的影响，温度波动越大，锌渣颗粒数量增长约快。镀液温度越高，温度波动对锌渣影响程度越大。
综合以上结果，锌铝镁镀液温度应控制在430℃左右，并且将温度控制的尽量稳定。当锌液温度在430℃，温度波动在2℃以内时，颗粒状锌渣的数量控制在1000cm2范围内数量3个以内。锌灰锌渣的另一个重要的形成区域为炉鼻子，镀液在炉鼻子内持续挥发形成锌蒸汽，当锌蒸汽上升遇到加湿氮气后冷凝成小锌灰，并落到带钢表面，形成锌灰缺陷。
图6 炉鼻子露点与锌灰数量的关系
由于露点的升高加速了锌灰凝结速率，使得锌灰量随露点的升高而升高。相同露点时，由于镀液温度的升高加大了单位时间内镀液的挥发量，使得镀液温度越高形成的锌灰量越大。考虑到露点过低对锌灰的抑制作用变差的不利影响。最佳的露点控制范围在-8~-12℃。
（2）锌铝镁镀层黑点缺陷分析及控制技术
黑点缺陷微观组织分析：
从光镜及激光共聚焦图像可见，黑点部位粗糙度较大，但是没有明显的凹坑和凸起，并且其组织与正常部位明显不同。结果见图7所示.
黑点缺陷的表面SEM见图8。黑点缺陷表面无明显的Zn枝晶，主要为共析产物，结合激光共聚焦数据，其在此处由于共析产物富集，粗糙度高，光线在此处发生多重反射，并且由于缺乏银亮色的锌，导致视觉感官上为黑色。
图7 黑点缺陷激光共聚焦图像
图8 黑点缺陷表面形貌
生产工艺优化方案及效果：a.降低镀层在280-320℃附近冷却速度至10℃/s以下；b.提供镀后冷却风的清洁度；c.降低涂镀速度。优化后的生产工艺，可保证带钢表面黑点数量在0.5个/m2以下。高表面质量控制技术应用后，锌渣、黑点等缺陷得到有效控制，表面黑点数量在0.5个/m2以下，颗粒状锌渣的数量控制在1000cm2范围内数量3个以内。产品合格率由96.23%提升至97.45%。
3、加工变形对锌铝镁镀层耐蚀性的影响分析及数据库的建立
取0.8mm规格ZM80、ZM120、ZM180镀层重量的试样。制作工程应变为10%、20%的试样及90°弯曲试样。
（1）拉伸变形、弯曲变形、冲杯变形对镀层形貌的影响
不同拉伸变形镀层表面裂纹的典型形貌见图9。当10%变形量时，ZM80、ZM120、ZM180均未出现明显裂纹。当20%变形量时，ZM80开始出现轻微裂纹、ZM120、ZM180裂纹比较明显。因此，裂纹密度、裂纹数量、裂纹宽度等会随变形量的增加而增加，会随镀层重量的增加而增加。
图9 不同拉伸变形下镀锌铝镁表面裂纹
90°变形的弯曲变形下，ZM80未见明显裂纹、ZM120开始出现镀层裂纹、ZM180镀层裂纹明显。镀层裂纹随镀层重量的增加而增加。裂纹方向与镀层表面呈45°的方向延伸。
图10 弯曲变形下镀锌铝镁表面裂纹
（2）加工变形对镀层耐蚀性的影响
使用中性盐雾试验测试各镀层在0%-20%变形量下的红锈出现的时长，具体见图11。镀层耐盐雾腐蚀的时长随变形量的增加而下降，并且呈加速下降趋势。
图11 变形比例与中性盐雾试验结果的关系
变形量百分比x与红锈开始出现的时长y之间存在拟合度较高的二次函数关系。
表3 各镀层重量的拟合函数
通过建立各镀层重量与中性盐雾试验红锈时间的关系数据库，为客户的精准选材提供数据支持。
根据以上研究结果，以某款ABS电机外壳为例，客户要求零件300h不出红锈。对样品进行仿真分析，确定最大应变点的应变量。对此电机外壳进行3D扫描，并用AutoForm软件进行仿真分析（图12），应变最大的部分为顶部平台与中间凹陷连接处的边缘，应变率为35%。
图12 ABS电机外壳3D扫描和仿真图
应用本课题试验的红锈时间-变形量百分比关系式：ZM180在变形量35%的条件下红锈出现的时间为324h，即可保证客户要求，同时也避免因使用过多的镀层重量而造成损失。经验证满足要求。
4、电机壳应用技术研究
(1)镀层抗脱粉性问题研究
表面形貌对抗脱粉性的影响分析:
针对两种镀层表面结构。图13中的镀层表面凹凸形貌不规则、凸点分布疏松、凹坑多且面积比大，抗脱粉性能较差。图14中的镀层表面凸点分布致密，凹坑尺寸小且分布均匀，经验证，在实际应用中抗脱粉效果更好，可比图19所示的表面结构的脱粉量降低30%。
图13 表面结构1
图14 表面结构2
研究不同摩擦系数的样板在连续冲压过程1000件后的脱粉量，结果见图15。
图15 摩擦系数与脱粉量的关系
摩擦系数对脱粉量的影响十分明显。经检测，表面少量涂有不具润滑特性的水性油品时的摩擦系数约为0.24；当表面涂有适量较好润滑性的油品时，摩擦系数可降低至0.12。当摩擦系数从0.12上升到0.24后，脱粉量由4.5g/h提升至11g/h。
粗糙度对抗脱粉性的影响分析：研究粗糙度的Ra值及RPC值对脱粉量的影响，结果见图16及图17。
图16 Ra与脱粉量的关系
图17 RPC与脱粉量的关系
Ra在0.8-1.6μm之间时，粗糙度较高时有利于储存润滑油，粗糙度较低时对模具的阻碍作用有所下降，使得Ra对冲压脱粉的影响不明显。随着RPC的升高脱粉量呈现明显下降趋势，这是由于冲压过程所形成的镀层的粉状脱落为直径很小的颗粒状，这种颗粒状锌粉主要源自于镀层表面的凸起部分，冲压过程中模具将镀层表面少量的最高点刮擦下来，相同Ra的情况下，当RPC较小时，镀层的波峰和波谷之间差值更大，凸点更高，冲压时更容易脱粉。
镀层脱粉问题改善技术方案:提升光整工作辊的表面质量，改善工作辊表面结构及粗糙度。优化光整工作辊毛化工艺：通过降低电极的行走速度来增加工作辊表面的RPC值，通过降低电极的电流来适当降低工作辊表面波峰波谷的振幅。优化后的具体参数为：行走速度42mm/min，转速25rpm，电流28A，通电时间15μS。另外，使用具有润滑性的油品，并保证涂油量在300mg/m2以上。
(2)螺旋纹缺陷问题研究
在以电机壳为代表的深冲变形的圆柱状零件上，经常出现垂直于地面的一圈一圈的半圆形螺纹线。该缺陷源自于带钢表面的纵向钝化条纹。
以带钢表面出现较明显的钝化条纹为标准，如图18为钝化工艺对涂辊可稳定运行的最大公里数的影响。从图19可见，涂辊与带钢的速度比越小，两者之间发生的相对滑动越剧烈，可稳定运行不出现条纹的最大公里数约少，速度比与运行距离之间接近正比例关系；当涂辊与带钢之间的压力越大，可稳定运行不出现条纹的最大公里数约少，且衰减速率呈加速趋势。两者均由于涂辊受带钢的摩擦作用，加剧了钝化液对涂辊表面的侵蚀作用。
图18 速度比与运行距离的关系
图19 涂敷压力与运行距离的关系
三、主要创新性成果
1、创新性提出含向低铝低镁成分中添加钛、稀土微量元素，形成Zn-1.6%Al-1.3%Mg-0.1Re-0.2Ti成分体系，改善镀层微观组织结构，镀层防腐蚀性能相比于未添加前提升7.82%。
2、集成了低铝低镁锌铝镁高表面质量镀层产品控制关键技术，找出了锌铝镁产品特有缺陷黑点等解决及改进措施，同时结合汽车用户使用要求，首次提出锌灰锌渣1000cm2范围内数量≤3个的质量标准。
3、建立了完善的低铝低镁系锌铝镁镀层产品的数据库，通过系统研究低铝低镁系锌铝镁镀层产品的变形量、变形种类对锌铝镁镀层微观组织结构、腐蚀行为、耐蚀性等的影响，为客户的精准选材提供理论依据。
4、国内首家锌铝镁产品实现了电机壳用材的国产化。通过对优化镀层表面组织形貌、粗糙度等关键技术，解决电机壳使用过程中的脱粉等问题，实物质量达到国际先进。
四、应用情况与效果
本项目开始设定的目标均按计划完成，同时进行了拓展。到目前为止河钢唐钢5#镀锌线具备稳定批量生产厚度0.4-2.5mm，宽度800-1300mm，镀层双面80-300g/m2锌铝镁镀层钢板的能力。
图20 锌铝镁镀层零件(a)轮罩内板 (b) 翼子板加强板 (c)后地板
信息来源：河钢集团唐山钢铁集团有限责任公司
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