王昭云 ，楊建寬，靳志力，張 姝，姜景榮

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司，河北 邯鄲 056015)

低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼熱鍍鋅板因其優(yōu)良的耐腐蝕性能、加工成形性能和焊接性能等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在汽車(chē)、家電和建筑行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。河鋼邯鋼目前與國(guó)內(nèi)外多家知名家電企業(yè)開(kāi)展了深入合作，并根據(jù)客戶(hù)需求定制化開(kāi)發(fā)了多種鍍鋅沖壓用鋼。但根據(jù)某家電企業(yè)需求定制開(kāi)發(fā)的DX51D+Z熱鍍鋅板在加工洗衣機(jī)箱體時(shí)出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂情況，影響了客戶(hù)的生產(chǎn)效率。河鋼邯鋼通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，成功解決了該產(chǎn)品沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。

1 存在的問(wèn)題

洗衣機(jī)箱體作為洗衣機(jī)的重要組成部分起著支撐、裝飾的作用，其生產(chǎn)工藝流程包括:鍍鋅盒板→沖壓成形→U型折彎→噴漆→安裝加強(qiáng)筋。洗衣機(jī)箱體沖壓成形過(guò)程中涉及剪切、沖孔、拉伸、壓形、折彎、翻邊等多個(gè)復(fù)雜過(guò)程，對(duì)材料的成形性能要求較高，同時(shí)為防止洗衣機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中跌落而損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還要求箱體具有一定的強(qiáng)度。因此洗衣機(jī)生產(chǎn)企業(yè)均對(duì)箱體用鋼的性能和強(qiáng)度提出了嚴(yán)格要求。

綜合洗衣機(jī)箱體對(duì)鋼板性能、強(qiáng)度的要求以及生產(chǎn)成本等因素，一般洗衣機(jī)箱體用鋼均采用DX51D+Z，但性能指標(biāo)要求嚴(yán)于國(guó)標(biāo)(見(jiàn)表1)，要求具有良好的成形性能且有一定的強(qiáng)度。河鋼邯鋼根據(jù)客戶(hù)要求定制開(kāi)發(fā)的DX51D+Z性能優(yōu)異，但在產(chǎn)品試用初期，客戶(hù)反饋鋼板在沖壓拉伸時(shí)出現(xiàn)了開(kāi)裂問(wèn)題(見(jiàn)圖1)，并且經(jīng)過(guò)模具調(diào)整也無(wú)法解決。

表1 客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的性能要求和國(guó)標(biāo)要求對(duì)比

圖1 典型開(kāi)裂缺陷

2 原因分析

2.1 力學(xué)性能分析

DX51D+Z為國(guó)標(biāo)GB/T 2518中最普通的一個(gè)品種，廣泛應(yīng)用在汽車(chē)、家電、建材等領(lǐng)域。國(guó)標(biāo)中對(duì)DX51D+Z的性能、化學(xué)成分要求十分寬泛，因此針對(duì)不同客戶(hù)的需求，國(guó)內(nèi)各鋼鐵企業(yè)均采取定制開(kāi)發(fā)的方式來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)要求。表2是邯鋼根據(jù)客戶(hù)要求開(kāi)發(fā)的DX51D+Z化學(xué)成分，采用轉(zhuǎn)爐-LF-連鑄冶煉路徑，碳含量較高，同時(shí)不添加Nb、Ti等合金元素，通過(guò)工藝調(diào)整獲得良好的力學(xué)性能。

表2 河鋼邯鋼DX51D+Z化學(xué)成分 單位：%

通過(guò)對(duì)開(kāi)裂樣板的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，樣板強(qiáng)度較出廠時(shí)有了明顯升高，且延伸率降低(見(jiàn)表3)，試驗(yàn)卷已出現(xiàn)明顯時(shí)效硬化現(xiàn)象，但其性能指標(biāo)仍然滿(mǎn)足客戶(hù)要求。

表3 試驗(yàn)卷力學(xué)性能對(duì)比

經(jīng)與客戶(hù)了解，該試驗(yàn)卷使用時(shí)已在客戶(hù)倉(cāng)庫(kù)放置時(shí)間超過(guò)4個(gè)月。由于試驗(yàn)卷采用低碳成分體系，未對(duì)碳、氮含量進(jìn)行控制。為確保產(chǎn)品強(qiáng)度及延伸率達(dá)到客戶(hù)要求，熱軋采用高溫卷取，鍍鋅退火采用高溫退火，導(dǎo)致鋼基體中有相當(dāng)數(shù)量的固溶碳、氮在熱鍍鋅板成品中保留下來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間放置，鋼中的固溶碳、氮原子向位錯(cuò)周?chē)奂?，形成柯氏氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，使鍍鋅板的屈服強(qiáng)度上升，延伸率下降，影響了產(chǎn)品的成形性能，對(duì)沖壓成形過(guò)程十分不利[1-2]。

2.2 顯微組織分析

圖2(a)是開(kāi)裂樣板基體顯微組織照片，可以看到帶鋼的退火組織為鐵素體和滲碳體。圖2(b)是帶鋼顯微組織的掃描照片，可以發(fā)現(xiàn)，晶界處析出了網(wǎng)狀分布的滲碳體。由于帶鋼采用高溫退火，退火溫度已超過(guò)帶鋼的共析相變點(diǎn)，在退火過(guò)程中出現(xiàn)了奧氏體，在緩冷時(shí)導(dǎo)致了網(wǎng)狀滲碳體的析出。

圖2 DX51D+Z顯微組織

相關(guān)研究表明[3-4]，當(dāng)滲碳體以顆粒形態(tài)彌散分布在鐵素體基體中時(shí)，才不會(huì)對(duì)材料沖壓成型帶來(lái)?yè)p害；但滲碳體若呈半網(wǎng)狀或網(wǎng)狀在晶界析出，將嚴(yán)重惡化帶鋼的延伸性，影響材料的沖壓性能。

根據(jù)金屬變形理論，金屬的塑性變形主要是通過(guò)位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)的[5-6]。對(duì)低碳鋼而言，其組織中的鐵素體在沖壓中很容易產(chǎn)生變形，而滲碳體在沖壓過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生變形。帶鋼在加工拉延時(shí)，當(dāng)滲碳體在晶界處呈網(wǎng)狀分布，晶界處的滲碳體將阻礙鐵素體的變形，成為鐵素體滑移的“障礙墻”。因此，帶鋼在變形時(shí)，晶粒組織中的鐵素體變形受到晶界處滲碳體的阻礙，導(dǎo)致位錯(cuò)在滑移面的障礙前堆積起來(lái)，造成高度應(yīng)力集中進(jìn)而引起晶界脆性[7-8]。隨著滲碳體數(shù)量的增多，其對(duì)鐵素體變形的阻礙越大，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，將沿滲碳體形成裂紋并擴(kuò)展,造成沖壓破裂。

2.3 開(kāi)裂原因分析

河鋼邯鋼依據(jù)客戶(hù)需求定制開(kāi)發(fā)的DX51D+Z試驗(yàn)卷，初始成分設(shè)計(jì)碳含量較高。由于帶鋼的碳含量直接影響滲碳體的數(shù)量和尺寸，且對(duì)成品的時(shí)效有直接影響[9]，試驗(yàn)卷經(jīng)熱軋高溫卷取及鍍鋅高溫退火后導(dǎo)致了沿晶界析出的滲碳體多而集中，同時(shí)導(dǎo)致鐵素體晶格中的固溶碳含量也較高[10]。

結(jié)合試驗(yàn)卷材料力學(xué)性能及顯微組織檢測(cè)結(jié)果，沿晶界析出的網(wǎng)狀滲碳體對(duì)位錯(cuò)滑移的阻礙，使得鋼板在沖壓過(guò)程中沿滲碳體形成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致了洗衣機(jī)箱體在拉伸變形時(shí)開(kāi)裂。同時(shí)帶鋼使用時(shí)已出現(xiàn)時(shí)效硬化，固溶碳所形成的柯氏氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)的釘扎，使得帶鋼伸長(zhǎng)率降低，進(jìn)一步惡化了材料的加工性能。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)以上分析，針對(duì)試驗(yàn)卷加工開(kāi)裂問(wèn)題，結(jié)合河鋼邯鋼產(chǎn)線能力，優(yōu)化產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)(見(jiàn)表4)，降低碳含量，同時(shí)降低了熱軋卷取溫度、鍍鋅退火溫度(見(jiàn)表5)，避免了沿晶界析出網(wǎng)狀滲碳體，提升了帶鋼的沖壓性能及抗時(shí)效性能。

表4 優(yōu)化后的DX51D+Z成分 單位：%

表5 熱軋卷取溫度和鍍鋅退火溫度優(yōu)化設(shè)定 單位：℃

由圖3可以看出，優(yōu)化成分及工藝后帶鋼顯微組織基體為鐵素體和滲碳體，晶界處析出的滲碳體呈彌散分布，數(shù)量較優(yōu)化前明顯減少，并且產(chǎn)品強(qiáng)度降低，延伸率升高(見(jiàn)表6)，帶鋼的抗時(shí)效性能得到提升。經(jīng)客戶(hù)再次驗(yàn)證使用，沖壓過(guò)程穩(wěn)定，未出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂。

圖3 優(yōu)化后的DX51D+Z金相組織

表6 優(yōu)化后DX51D+Z力學(xué)性能

4 結(jié)論

(1)河鋼邯鋼定制DX51D+Z開(kāi)發(fā)初期，帶鋼退火組織晶界處析出了網(wǎng)狀分布的滲碳體，使得鋼板在沖壓過(guò)程中沿滲碳體形成裂紋，導(dǎo)致了洗衣機(jī)箱體沖壓開(kāi)裂，同時(shí)帶鋼產(chǎn)生的時(shí)效硬化，進(jìn)一步惡化了材料的加工性能。

(2)通過(guò)降低碳含量的成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，匹配合適熱軋、鍍鋅退火工藝，有效減少了晶界處滲碳體的析出，改善了帶鋼的抗時(shí)效性能，獲得了性能優(yōu)良的產(chǎn)品，有效解決了DX51D+Z沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。