圖 1 熱鍍鋅板產(chǎn)品的宏觀形貌
分享：家電用熱鍍鋅板減薄后的沖壓成形性能
熱鍍鋅板帶由鋼和鋅復(fù)合而成,其具有鋼基板的強(qiáng)度和塑性,又有鍍層的耐腐蝕性,能保護(hù)金屬基體內(nèi)部不受腐蝕。熱鍍鋅板帶產(chǎn)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(tài)又可分為“小鋅花”“正常鋅花”“光整鋅花”和“無(wú)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(zhì)量好、利于深加工等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于建筑、家電、汽車、容器等領(lǐng)域。近年來(lái)隨著節(jié)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(qiáng)度薄板材,各類家電產(chǎn)品的板材厚度普遍出現(xiàn)減薄趨勢(shì)[1]。
1. 熱鍍鋅板產(chǎn)品沖壓開裂情況
某家電廠冰箱內(nèi)部的熱鍍鋅板產(chǎn)品厚度為0.3 mm,材料為DC51D＋Z鋼,該熱鍍鋅板位于壓縮機(jī)上方,起到隔離的作用,對(duì)熱鍍鋅板進(jìn)行沖壓后,最大變形處出現(xiàn)凸包現(xiàn)象,凸包高度為10～18 mm(見圖1)。熱鍍鋅板的典型力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。
Table 1. 熱鍍鋅板的典型力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 屈服強(qiáng)度/MPa | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 應(yīng)變硬化指數(shù) | 塑性應(yīng)變比 | 斷后伸長(zhǎng)率/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 實(shí)測(cè)值1 | 266 | 361 | 0.18 | 1.35 | 33.0 |
| 實(shí)測(cè)值2 | 261 | 360 | 0.18 | 1.40 | 33.5 |
隨著白色家電行業(yè)內(nèi)部的激烈競(jìng)爭(zhēng),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(fā)生沖壓開裂現(xiàn)象。按0.3 mm厚正常料的成分和工藝增加軋制變形環(huán)節(jié),生產(chǎn)0.27 mm厚減薄料,經(jīng)家電廠試沖壓驗(yàn)證,熱鍍鋅板在凸包處發(fā)生開裂現(xiàn)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(qū),因此在沖壓過程中將承受較大的拉應(yīng)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(duì)
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(wǎng)格類型為殼單元,板料網(wǎng)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(jié)果
將表1中0.3 mm厚熱鍍鋅板的力學(xué)性能代入有限元仿真模型進(jìn)行計(jì)算,可以得到?jīng)_壓后材料的成形極限應(yīng)變?yōu)?.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(cè)定 第2部分：實(shí)驗(yàn)室成形極限曲線的測(cè)定》,利用成形試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行成形極限測(cè)定和理論計(jì)算,結(jié)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(nèi),可以滿足零件沖壓成形的要求。
圖 4 0.3 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結(jié)果
0.27 mm厚熱鍍鋅板的仿真分析結(jié)果
將表1中力學(xué)性能數(shù)據(jù)和厚度0.27 mm代入有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)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(yīng)變?yōu)?.209,超出材料能夠承受的成形極限。說(shuō)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(wú)法滿足該零件沖壓成形的要求。
圖 5 0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結(jié)果
2.4 改進(jìn)措施
對(duì)于拉延類零件,屈服強(qiáng)度越小,材料越容易發(fā)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(shù)不變的前提下,計(jì)算不同屈服強(qiáng)度下0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限,結(jié)果如圖6所示,可知當(dāng)屈服強(qiáng)度小于256 MPa時(shí),材料可以滿足該零件沖壓成形的要求。
圖 6 不同屈服強(qiáng)度下0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結(jié)果
3. 熱鍍鋅板性能的影響因素
3.1 化學(xué)成分的影響
鋼中碳元素的含量越高,鋅和鐵的反應(yīng)就越強(qiáng)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(jié)合力變小。鋼中碳元素含量過高也會(huì)影響鍍層的表面質(zhì)量,出現(xiàn)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(yōu)化組織的作用,硼元素含量偏低,其優(yōu)化組織的作用不明顯；硼元素含量偏高會(huì)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(guān)鍵工序,冷軋后的板材內(nèi)部晶粒會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形,從而造成金屬表面出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象,內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。對(duì)冷軋卷進(jìn)行退火處理可使金屬內(nèi)部組織變成更加細(xì)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(qiáng)度和硬度,恢復(fù)金屬或合金的塑性變形能力,同時(shí)可以消除金屬在軋制過程中產(chǎn)生的應(yīng)力,以及因冷軋工藝產(chǎn)生的表面加工硬化和內(nèi)部殘余應(yīng)力,改善冷軋板的力學(xué)性能,以滿足對(duì)冷軋板進(jìn)行深加工的質(zhì)量要求。退火溫度偏低,材料沒有完全再結(jié)晶,退火工藝參數(shù)偏大,會(huì)造成晶粒異常粗大,兩種情況均會(huì)使材料的塑性變差,出現(xiàn)沖壓開裂現(xiàn)象。
4. 優(yōu)化方案制定與驗(yàn)證
4.1 優(yōu)化方案制定
0.27 mm厚熱鍍鋅板的化學(xué)成分設(shè)計(jì)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。
Table 2. 0.27 mm厚熱鍍鋅板的化學(xué)成分設(shè)計(jì)方案
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Al | N | B | |
| 最小值 | 0.010 | 0 | 0.10 | 0 | 0 | 0.030 | 0 | 0.001 5 |
| 實(shí)際值 | 0.018 | 0 | 0.15 | 0 | 0 | 0.040 | 0 | 0.002 0 |
| 最大值 | 0.030 | 0.03 | 0.20 | 0.015 | 0.012 | 0.055 | 0.003 5 | 0.002 5 |
4.2 優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證
4.2.1 不同退火溫度的影響
對(duì)優(yōu)化后的0.27 mm厚熱鍍鋅板分別進(jìn)行770,790,810,830 ℃退火模擬試驗(yàn),然后對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和金相檢驗(yàn),結(jié)果分別如表3和圖7所示。由表3和圖7可知：當(dāng)退火溫度為810 ℃時(shí),試樣的組織為鐵素體＋游離滲碳體,晶粒度級(jí)別為8.0級(jí),無(wú)滲碳體聚集現(xiàn)象,且屈服強(qiáng)度為224 MPa,滿足該零件沖壓成形的要求。
Table 3. 不同退火溫度下優(yōu)化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
| 退火溫度/℃ | 屈服強(qiáng)度/MPa | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長(zhǎng)率% |
|---|---|---|---|
| 770 | 275 | 401 | 26.8 |
| 790 | 258 | 379 | 29.2 |
| 810 | 224 | 351 | 31.2 |
| 830 | 221 | 348 | 32.1 |
圖 7 不同退火溫度下優(yōu)化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的顯微組織形貌
4.2.2 時(shí)效性能評(píng)價(jià)
開展人工時(shí)效性能與自然時(shí)效性能評(píng)價(jià),其中人工時(shí)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(shí)效指數(shù)為42 MPa,工藝優(yōu)化前材料的平均時(shí)效指數(shù)為60 MPa。
自然時(shí)效方法為每周進(jìn)行一次室溫拉伸試驗(yàn),并記錄材料力學(xué)性能的變化情況,統(tǒng)計(jì)周期為2個(gè)月。經(jīng)自然時(shí)效后材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖8所示,可知時(shí)效后材料的屈服強(qiáng)度小于260 MPa,斷后伸長(zhǎng)率大于24%,說(shuō)明材料自然時(shí)效后仍具有良好的沖壓成形性能。
圖 8 經(jīng)自然時(shí)效后材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果
4.2.3 成形性能分析
在優(yōu)化后0.27 mm厚熱鍍鋅板上取樣,根據(jù)GB/T 24171.2—2009將試樣加工成長(zhǎng)度為196 mm,寬度分別為20,40,60,80,90,100,120,140,160,180 mm的試樣,對(duì)試樣進(jìn)行成形極限試驗(yàn),結(jié)果如圖9所示,優(yōu)化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的極限應(yīng)變?yōu)?.23,能夠滿足零件沖壓成形的要求(0.209)。
圖 9 優(yōu)化后0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限試驗(yàn)結(jié)果
5. 結(jié)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(yīng)變由0.204上升至0.209,直接減薄無(wú)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(shù)不變或增大的情況下,材料的屈服強(qiáng)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(qiáng)度,提高材料的時(shí)效性能和沖壓成形性能,改進(jìn)后材料成形極限滿足零件的沖壓成形要求。
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