熱鍍鋅板帶由鋼和鋅復合而成,其具有鋼基板的強度和塑性,又有鍍層的耐腐蝕性,能保護金屬基體內部不受腐蝕。熱鍍鋅板帶產品按鍍層處理方法可分為純鋅鍍層和鋅鐵合金；按涂層表面鋅花的形態又可分為“小鋅花”“正常鋅花”“光整鋅花”和“無鋅花”4種。熱鍍鋅板帶具有耐腐蝕性、耐酸蝕性、耐濕性、表面質量好、利于深加工等優點,廣泛應用于建筑、家電、汽車、容器等領域。近年來隨著節約資源與合理用材的需求不斷增大,家電用鋼逐漸傾向于使用高強度薄板材,各類家電產品的板材厚度普遍出現減薄趨勢[1]。

1. 熱鍍鋅板產品沖壓開裂情況

某家電廠冰箱內部的熱鍍鋅板產品厚度為0.3 mm,材料為DC51D＋Z鋼,該熱鍍鋅板位于壓縮機上方,起到隔離的作用,對熱鍍鋅板進行沖壓后,最大變形處出現凸包現象,凸包高度為10～18 mm(見圖1)。熱鍍鋅板的典型力學性能測試結果如表1所示。

圖 1熱鍍鋅板產品的宏觀形貌

隨著白色家電行業內部的激烈競爭,該家電廠要求將熱鍍鋅板減薄10%,即要求材料的厚度為0.27 mm。在成形要求不變的前提下,材料減薄后易發生沖壓開裂現象。按0.3 mm厚正常料的成分和工藝增加軋制變形環節,生產0.27 mm厚減薄料,經家電廠試沖壓驗證,熱鍍鋅板在凸包處發生開裂現象,開裂位置為靠近凸包頂端的直壁段(見圖2),該處為傳力區,因此在沖壓過程中將承受較大的拉應力。

圖 2減薄后熱鍍鋅板凸包開裂處宏觀形貌

2. 減薄前后鋼板的沖壓成形性能

2.1 有限元仿真分析

采用有限元仿真分析方法分析熱鍍鋅板減薄對

材料性能的影響。該熱鍍鋅板的有限元仿真模型如圖3所示,采用各向異性材料模型,網格類型為殼單元,板料網格尺寸為2 mm。

圖 3熱鍍鋅板的有限元仿真模型

0.3 mm厚熱鍍鋅板的仿真分析結果

將表1中0.3 mm厚熱鍍鋅板的力學性能代入有限元仿真模型進行計算,可以得到沖壓后材料的成形極限應變為0.204。采用GB/T 24171.2—2009 《金屬材料 薄板和薄帶 成形極限曲線的測定 第2部分：實驗室成形極限曲線的測定》,利用成形試驗機進行成形極限測定和理論計算,結果如圖4所示,材料的成形極限分別為0.24和0.23,處于材料成形極限的安全范圍內,可以滿足零件沖壓成形的要求。

圖 40.3 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結果

0.27 mm厚熱鍍鋅板的仿真分析結果

將表1中力學性能數據和厚度0.27 mm代入有限元分析模型進行計算,結果如圖5所示。由圖5可知：材料的成形極限為0.20,減薄后材料的極限應變為0.209,超出材料能夠承受的成形極限。說明在材料性能和沖壓工藝不變的條件下,直接減薄熱鍍鋅板無法滿足該零件沖壓成形的要求。

圖 50.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結果

2.4 改進措施

對于拉延類零件,屈服強度越小,材料越容易發生塑性變形,且材料的冷壓延成形性安全裕度明顯降低。在沖壓工藝不變、加工硬化指數不變的前提下,計算不同屈服強度下0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限,結果如圖6所示,可知當屈服強度小于256 MPa時,材料可以滿足該零件沖壓成形的要求。

圖 6不同屈服強度下0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結果

3. 熱鍍鋅板性能的影響因素

3.1 化學成分的影響

鋼中碳元素的含量越高,鋅和鐵的反應就越強烈,鐵的損失量就越大,且生成的合金鍍層也越厚,使得鍍層脆性變好、塑性變差、結合力變小。鋼中碳元素含量過高也會影響鍍層的表面質量,出現漏鐵、鋅瘤等缺陷。因此需要盡可能降低碳元素的含量。

硼元素具有優化組織的作用,硼元素含量偏低,其優化組織的作用不明顯；硼元素含量偏高會增加成本。

3.2 退火工藝的影響

退火工藝是冷軋過程中的關鍵工序,冷軋后的板材內部晶粒會產生嚴重變形,從而造成金屬表面出現加工硬化現象,內部產生殘余應力。對冷軋卷進行退火處理可使金屬內部組織變成更加細小的等軸晶粒,從而消除金屬表面的形變硬化,并降低鋼的強度和硬度,恢復金屬或合金的塑性變形能力,同時可以消除金屬在軋制過程中產生的應力,以及因冷軋工藝產生的表面加工硬化和內部殘余應力,改善冷軋板的力學性能,以滿足對冷軋板進行深加工的質量要求。退火溫度偏低,材料沒有完全再結晶,退火工藝參數偏大,會造成晶粒異常粗大,兩種情況均會使材料的塑性變差,出現沖壓開裂現象。

4. 優化方案制定與驗證

4.1 優化方案制定

0.27 mm厚熱鍍鋅板的化學成分設計方案如表2所示。熱軋工藝為：出爐溫度為1 180～1 220 ℃,終軋溫度為870～900 ℃,層流冷卻方式,后段冷卻的卷取溫度為680～720 ℃,熱卷厚度為2.6 mm；酸軋軋制厚度為0.256 mm,熱鍍后成品厚度為0.27 mm。

4.2 優化結果的驗證

4.2.1 不同退火溫度的影響

對優化后的0.27 mm厚熱鍍鋅板分別進行770,790,810,830 ℃退火模擬試驗,然后對試樣進行力學性能測試和金相檢驗,結果分別如表3和圖7所示。由表3和圖7可知：當退火溫度為810 ℃時,試樣的組織為鐵素體＋游離滲碳體,晶粒度級別為8.0級,無滲碳體聚集現象,且屈服強度為224 MPa,滿足該零件沖壓成形的要求。

圖 7不同退火溫度下優化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的顯微組織形貌

4.2.2 時效性能評價

開展人工時效性能與自然時效性能評價,其中人工時效的方法為：把加工好的拉伸試樣放在100 ℃的馬弗爐里,保溫60 min。材料的平均時效指數為42 MPa,工藝優化前材料的平均時效指數為60 MPa。

自然時效方法為每周進行一次室溫拉伸試驗,并記錄材料力學性能的變化情況,統計周期為2個月。經自然時效后材料的力學性能測試結果如圖8所示,可知時效后材料的屈服強度小于260 MPa,斷后伸長率大于24%,說明材料自然時效后仍具有良好的沖壓成形性能。

圖 8經自然時效后材料的力學性能測試結果

4.2.3 成形性能分析

在優化后0.27 mm厚熱鍍鋅板上取樣,根據GB/T 24171.2—2009將試樣加工成長度為196 mm,寬度分別為20,40,60,80,90,100,120,140,160,180 mm的試樣,對試樣進行成形極限試驗,結果如圖9所示,優化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的極限應變為0.23,能夠滿足零件沖壓成形的要求(0.209)。

圖 9優化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限試驗結果

5. 結論

(1) 將熱鍍鋅板的厚度由0.3 mm減薄至0.27 mm,在材料不變、沖壓工藝不變的前提下,熱鍍鋅板的成形極限由0.23降低至0.20,沖壓極限應變由0.204上升至0.209,直接減薄無法滿足該零件沖壓成形的要求,造成零件沖壓開裂。在保持加工硬化指數不變或增大的情況下,材料的屈服強度低于255 MPa,可以滿足該零件的沖壓成形要求。

(2) 采用增加鍍鋅板中碳元素含量、減小鍍鋅板硼元素含量、提高退火溫度等方法,可以減小材料的屈服強度,提高材料的時效性能和沖壓成形性能,改進后材料成形極限滿足零件的沖壓成形要求。

文章來源——材料與測試網