發布時間：2026-03-29 21:36:39 人氣：0 來源：舒澤鋼業
熱鍍鋅板帶由鋼和鋅複合而成,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；按塗層表麵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、表麵質量好、利於深加工等優點,廣泛應用於建築、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,家電用鋼逐漸傾向於使用高強度薄板材,各類家電產品的板材厚度普遍出現減薄趨勢[1]。
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,該熱鍍鋅板位於壓縮機上方,起到隔離的作用,對熱鍍鋅板進行衝壓後,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
Table 1. 熱鍍鋅板的典型力學性能測試結果
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,材料減薄後易發生衝壓開裂現象。按0.3 mm厚正常料的成分和工藝增加軋製變形環節,生產0.27 mm厚減薄料,經家電廠試衝壓驗證,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,因此在衝壓過程中將承受較大的拉應力。
圖 2 減薄後熱鍍鋅板凸包開裂處宏觀形貌
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
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,可以得到衝壓後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,處於材料成形極限的安全範圍內,可以滿足零件衝壓成形的要求。
圖 4 0.3 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結果
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,減薄後材料的極限應變為0.209,超出材料能夠承受的成形極限。說明在材料性能和衝壓工藝不變的條件下,直接減薄熱鍍鋅板無法滿足該零件衝壓成形的要求。
圖 5 0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限分析結果
對於拉延類零件,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。在衝壓工藝不變、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,可知當屈服強度小於256 MPa時,材料可以滿足該零件衝壓成形的要求。
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
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麵質量,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。
退火工藝是冷軋過程中的關鍵工序,冷軋後的板材內部晶粒會產生嚴重變形,從而造成金屬表麵出現加工硬化現象,內部產生殘餘應力。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,從而消除金屬表麵的形變硬化,並降低鋼的強度和硬度,恢複金屬或合金的塑性變形能力,同時可以消除金屬在軋製過程中產生的應力,以及因冷軋工藝產生的表麵加工硬化和內部殘餘應力,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,出現衝壓開裂現象。
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,後段冷卻的卷取溫度為680～720 ℃,熱卷厚度為2.6 mm；酸軋軋製厚度為0.256 mm,熱鍍後成品厚度為0.27 mm。
Table 2. 0.27 mm厚熱鍍鋅板的化學成分設計方案
對優化後的0.27 mm厚熱鍍鋅板分別進行770,790,810,830 ℃退火模擬試驗,然後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＋遊離滲碳體,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,滿足該零件衝壓成形的要求。
Table 3. 不同退火溫度下優化後0.27 mm厚熱鍍鋅板的力學性能測試結果
圖 7 不同退火溫度下優化後0.27 mm厚熱鍍鋅板的顯微組織形貌
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 ℃的馬弗爐裏,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,並記錄材料力學性能的變化情況,統計周期為2個月。經自然時效後材料的力學性能測試結果如圖8所示,可知時效後材料的屈服強度小於260 MPa,斷後伸長率大於24%,說明材料自然時效後仍具有良好的衝壓成形性能。
圖 8 經自然時效後材料的力學性能測試結果
在優化後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,優化後0.27 mm厚熱鍍鋅板的極限應變為0.23,能夠滿足零件衝壓成形的要求(0.209)。
圖 9 優化後0.27 mm厚熱鍍鋅板的成形極限試驗結果
(1) 將熱鍍鋅板的厚度由0.3 mm減薄至0.27 mm,在材料不變、衝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,衝壓極限應變由0.204上升至0.209,直接減薄無法滿足該零件衝壓成形的要求,造成零件衝壓開裂。在保持加工硬化指數不變或增大的情況下,材料的屈服強度低於255 MPa,可以滿足該零件的衝壓成形要求。
(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衝壓成形性能,改進後材料成形極限滿足零件的衝壓成形要求。
文章來源——材料與測試網
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