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          熱鍍鋅鋼板幾種使用開裂模式淺析

          熱鍍鋅鋼板幾種使用開裂模式淺析

           摘要:本文研究了幾種熱鍍鋅鋼板在使用中出現的不同開裂模式,包括翻邊開裂、折彎開裂、疲勞開裂和頸縮開裂。因基板材質的差異,開裂的機理各有不同。翻邊開裂一般出現在高強鋼結構件的加工過程中,提高材料的擴孔性能是解決問題的關鍵,從材質機理上講就是要獲得較細小的晶粒和均勻的組織,減少帶狀組織,并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分,從而提高材料擴孔率。當材料需要180度折彎時,采用高延伸率的沖壓用鋼可能會出現開裂情況,而晶粒較細小、碳化物分散的CQ鋼才是即經濟又好用的選擇。熱鍍鋅鋼板疲勞開裂不僅僅是材料性能本身的問題,還與整機零件設計、材料的服役條件、使用環境息息相關。鋅鐵合金鋼板表面鍍層的鐵含量往往會成為鋼板開裂的影響因素。

            關鍵詞:熱鍍鋅鋼板,開裂,翻邊,折彎,疲勞,頸縮

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          寶鋼熱鍍鋅鋼板

           1前言

            通過熱浸鍍鋅工藝生產的鋼板是目前使用最廣泛的鍍層鋼板,按鍍層結構劃分可分為熱鍍純鋅及合金化鋼板。根據基板強度級別可分為:普通強度級和高強度級,按沖壓等級的不同,可分為商用級(CQ)、普通沖壓級(DQ)、深沖壓級(DDQ)和超深沖壓級(EDDQ)[1]。熱鍍鋅鋼板因其良好的耐蝕性和美觀度在汽車、家電、建筑等領域得到了廣泛的應用。在加工使用過程中不同強度級別的熱鍍鋅鋼板常常會出現因用戶選材、加工方式、材質缺陷等原因導致的開裂問題。因基板材質的差異,開裂的機理各有不同。因此,本文將對幾種常見的加工開裂問題,就其機理進行討論。

           2案例

            2.1翻邊開裂

            隨著汽車輕量化的發展,高強度汽車板的使用量在快速增加。翻邊開裂是高強鋼一種常見的成型失效模式。汽車車身的結構件零件中如前后縱梁、風窗擋板、中通道加強板、中盤柱等要求材料既具有一定的強度還要具備良好的加工翻邊性能。用戶對材料的強度和斷裂延伸率有明確的要求,尤其認為斷裂延伸率越高翻邊的開裂情況發生概率越小。其實,較高的擴孔率才是材料具有良好的曲面翻邊性能的關鍵。

            如圖1為某品牌汽車中通道加強板零件。該零件成形共走四道工序,第一道切邊沖孔、第二道翻邊拉延、第三道彎曲、第四道沖孔。部分材料在第二道翻邊拉延時產生邊部開裂。

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          圖1某品牌汽車中通道加強板零件

            中通道加強件零件設計選材多采用碳錳強化的高強結構鋼,這種鋼板具有較高的強度和優良的延展性能。因零件在加工中需要翻邊,不同材質的材料翻邊性能差異很大。如表1所示,三類不同成分和工藝的材料(材料A、材料B、材料C)其力學性能接圖3(a)材料A微觀形貌近且均滿足用戶的設計要求,但不同材料的擴孔率差異卻很大,材料A的擴孔率最高為82%,開裂率0%,材料C的擴孔率最低,開裂率100%。

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          表1不同材料的性能及開裂統計

            高擴孔鋼要具有較細小的晶粒和均勻的組織,不能有帶狀組織,并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分。

            以開裂率最低的材料A和開裂率最高的材料C為例。如圖2、3,分表為兩種材料的S的含量的均值圖和截面微觀形貌。可以看出材料C的帶狀組織和S含量都明顯多于材料A。所以對于這種有翻邊要求的零件,在選材上要特別關注擴孔性能。

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          圖2 S含量均值圖

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          3(a)材料A微觀形貌圖       3(b)材料C微觀形貌

            2.2折彎開裂

            在金屬零件加工方式中折彎是比較普遍的形式,根據設計要求可以分為180度、90度、45度等折彎角度。熱鍍鋅鋼板折彎后要求材料表面無裂紋、無鋅層脫落等缺陷。

            有些用戶認為僅折彎成型的零件對材料要求不高,只要鋅層附著性良好,一般的CQ或DQ鋼均可滿足要求。其實事實并非如此。尤其是180度折彎材料有時會出現折彎后基板開裂的情況。

            如圖4為某汽車零部件廠生產的汽車玻璃升降器部件,經過7個道次完成180度(0T)成型,在0T折彎頂部,目視基體微裂、鋅層無脫鋅,但鋅層表面全程皸裂,有輕微手感(如圖5)。

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          4(a)開裂部位示意圖圖          4(b)開裂部位實物圖

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          圖5開裂部位微觀組織

            這種較大晶粒的組織形貌適用于較深沖壓用途零件。當用于折彎要求高的零件時,局部變形極大,大晶粒形貌對這種不均勻變形的抗力較低,且少量的碳化物在晶界處也會加劇這種劣勢,結果可能會導致基板“撕裂”

            此類問題的解決方案是選用晶粒較細小、碳化物分散的CQ鋼。如圖6為改進前后鋼板微觀組織形貌,表2為改進前后力學性能與晶粒度評級。改進后晶粒明顯細小,碳化物細小并彌散的均勻分布。改進后材料強度上升,晶粒度級別12。通過實際驗證,改進后材料不再出現折彎開裂問題。

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          6(a)改進前 6(b)改進后

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          表2改進前后材料的性能

            2.3疲勞開裂

            熱鍍鋅DDQ級別的鋼板經常裸用于家電背板。如某家電生產廠用高強IF鋼做滾筒洗衣機背蓋板。該新型洗衣機批量投產前需要對樣機進行震動跌落試驗。試驗方法依據GB/T4857.23(包裝運輸包裝件隨機振動試驗方法)。樣機在不同溫度條件下,不規則振幅上下、左右震動后進行多次跌落。然后檢查洗衣機表面情況。

            樣機背蓋板的四個“跑道”凹臺通過自鉚接的方式加裝了加強片(如圖7),此部位的沖孔處將擰入塑料加強件在運輸中起到固定洗衣機箱體的作用,洗衣機運達最終客戶處后塑料件拆除。在樣機震動跌落試驗中,背蓋板四個“跑道”凹臺中有兩個發生加強片脫落和基材開裂(如圖8)。

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          7“跑道”凹臺示意圖 8基材開裂示意圖

            該基材為熱鍍鋅高強IF鋼(厚度1.0mm),加強片為其它種類材料(厚度1.25mm)。每個凹臺有三個鉚接點,加工時從基材向加強件方向沖壓鉚接。對斷口微觀形貌分析,發現開裂處呈較典型的疲勞輝紋形貌特征,且存在較多二次裂紋如圖9所示)。

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          圖9基材端口形貌

            從上述現象可以推斷,“跑道”凹臺基材沖孔部位是在反復震動和跌落過程中受強烈的外力,加強片與基材脫離,基材沖孔部位材料發生疲勞斷裂。對基材與加強片的力學性能分析(如表3),基材的強度高于加強片的強度,抗拉強度相差近60MPa。加強片的強度低于基材強度,并沒有起到很好的加強作用。同時也從用戶處獲悉該零件鉚接設計時對基材和加強片的強度搭配是有要求的,但用戶在實際生產中并沒有嚴格按設計執行。導致加強片提早脫落,基材受力開裂。

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          表3基材與加強片力學性能

            對于該問題的解決辦法是更換加強片材料,重新進行鉚接剝離力評價。經過改進后,開裂情況明顯減少。

            2.4頸縮開裂

            在熱鍍鋅IF鋼的使用中頸縮開裂是一個比較常見的問題。如某汽車廠在用鋅鐵合金IF鋼生產一款轎車的前蓋內板時,拉延后在局部分出現了頸縮和開裂(如圖10)。

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          圖10拉延后頸縮(a)和開裂(b)

            對于開裂料和正常料進行性能、粗糙度及鍍層鐵含量測量等試驗,結果見表4、表5。可見,開裂料在力學性能上與正常料相當,粗糙度值比正常料要高,而且鐵含量要低。

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          表4力學性能

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          表5粗糙度及鐵含量

            對于合金化熱鍍鋅板,鍍層中的鐵含量是影響沖壓成形質量的一個很重要的因素。鐵含量過高,則容易出現粉化;鐵含量偏低,則增大成形中的摩擦,不利于材料流動,容易引起開裂。對于正常料和開裂料分別進行表面掃描,觀察得到的圖11,不難看出,異議料表面欠合金化。

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          圖11正常料(a)和開裂料(b)表面掃描

            3結論

            (1)有擴孔鋼要求的高強鋼要具有細小晶粒和均勻的組織,不能有帶狀組織,并且盡量降低以硫化物為代表的夾雜物成分。

            (2)對于180度折彎要求的零件,選擇材料不應關注延展性,而要盡量選擇晶粒細小的鋼板。

            (3)零件主要材料的選擇固然重要,但諸如加強件等輔材的搭配選用也是非常關鍵的。在開裂問題的調查中,不僅要關注材料性能本身,還要對材料的服役條件、使用環境進行綜合分析。

            (4)鋅鐵合金鋼板表面鍍層的鐵含量往往會成為鋼板開裂的影響因素。

          參考文獻

          [1] 康永林,現代汽車板的質量控制與成形性[M],冶金工業出版社,1999.6.

          版權說明:本文由寶鋼技術專家撰寫,如需轉載請聯系本欄目編輯組(電話4008208590-2,189 1675 7856,未經許可轉載者,平臺將依法追究其法律責任!)


          作成:2021年8月20日

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