洗衣機箱體沖壓開裂原因分析

王昭云 ，楊建寬，靳志力，張 姝，姜景榮

(河鋼集團邯鋼公司，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，近年來在汽車、家電和建筑行業(yè)的應用日益廣泛。河鋼邯鋼目前與國內外多家知名家電企業(yè)開展了深入合作，并根據客戶需求定制化開發(fā)了多種鍍鋅沖壓用鋼。但根據某家電企業(yè)需求定制開發(fā)的DX51D+Z熱鍍鋅板在加工洗衣機箱體時出現(xiàn)沖壓開裂情況，影響了客戶的生產效率。河鋼邯鋼通過技術攻關，成功解決了該產品沖壓開裂問題。

1 存在的問題

洗衣機箱體作為洗衣機的重要組成部分起著支撐、裝飾的作用，其生產工藝流程包括:鍍鋅盒板→沖壓成形→U型折彎→噴漆→安裝加強筋。洗衣機箱體沖壓成形過程中涉及剪切、沖孔、拉伸、壓形、折彎、翻邊等多個復雜過程，對材料的成形性能要求較高，同時為防止洗衣機在運輸過程中跌落而損壞內部結構，還要求箱體具有一定的強度。因此洗衣機生產企業(yè)均對箱體用鋼的性能和強度提出了嚴格要求。

綜合洗衣機箱體對鋼板性能、強度的要求以及生產成本等因素，一般洗衣機箱體用鋼均采用DX51D+Z，但性能指標要求嚴于國標(見表1)，要求具有良好的成形性能且有一定的強度。河鋼邯鋼根據客戶要求定制開發(fā)的DX51D+Z性能優(yōu)異，但在產品試用初期，客戶反饋鋼板在沖壓拉伸時出現(xiàn)了開裂問題(見圖1)，并且經過模具調整也無法解決。

表1 客戶對產品的性能要求和國標要求對比

圖1 典型開裂缺陷

2 原因分析

2.1 力學性能分析

DX51D+Z為國標GB/T 2518中最普通的一個品種，廣泛應用在汽車、家電、建材等領域。國標中對DX51D+Z的性能、化學成分要求十分寬泛，因此針對不同客戶的需求，國內各鋼鐵企業(yè)均采取定制開發(fā)的方式來滿足客戶要求。表2是邯鋼根據客戶要求開發(fā)的DX51D+Z化學成分，采用轉爐-LF-連鑄冶煉路徑，碳含量較高，同時不添加Nb、Ti等合金元素，通過工藝調整獲得良好的力學性能。

表2 河鋼邯鋼DX51D+Z化學成分 單位：%

通過對開裂樣板的力學性能進行檢測，樣板強度較出廠時有了明顯升高，且延伸率降低(見表3)，試驗卷已出現(xiàn)明顯時效硬化現(xiàn)象，但其性能指標仍然滿足客戶要求。

表3 試驗卷力學性能對比

經與客戶了解，該試驗卷使用時已在客戶倉庫放置時間超過4個月。由于試驗卷采用低碳成分體系，未對碳、氮含量進行控制。為確保產品強度及延伸率達到客戶要求，熱軋采用高溫卷取，鍍鋅退火采用高溫退火，導致鋼基體中有相當數量的固溶碳、氮在熱鍍鋅板成品中保留下來，經過長時間放置，鋼中的固溶碳、氮原子向位錯周圍聚集，形成柯氏氣團釘扎位錯，使鍍鋅板的屈服強度上升，延伸率下降，影響了產品的成形性能，對沖壓成形過程十分不利[1-2]。

2.2 顯微組織分析

圖2(a)是開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)，晶界處析出了網狀分布的滲碳體。由于帶鋼采用高溫退火，退火溫度已超過帶鋼的共析相變點，在退火過程中出現(xiàn)了奧氏體，在緩冷時導致了網狀滲碳體的析出。

圖2 DX51D+Z顯微組織

相關研究表明[3-4]，當滲碳體以顆粒形態(tài)彌散分布在鐵素體基體中時，才不會對材料沖壓成型帶來損害；但滲碳體若呈半網狀或網狀在晶界析出，將嚴重惡化帶鋼的延伸性，影響材料的沖壓性能。

根據金屬變形理論，金屬的塑性變形主要是通過位錯在滑移面上的運動來逐步實現(xiàn)的[5-6]。對低碳鋼而言，其組織中的鐵素體在沖壓中很容易產生變形，而滲碳體在沖壓過程中幾乎不產生變形。帶鋼在加工拉延時，當滲碳體在晶界處呈網狀分布，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，晶粒組織中的鐵素體變形受到晶界處滲碳體的阻礙，導致位錯在滑移面的障礙前堆積起來，造成高度應力集中進而引起晶界脆性[7-8]。隨著滲碳體數量的增多，其對鐵素體變形的阻礙越大，當應力集中達到材料的強度極限時，將沿滲碳體形成裂紋并擴展,造成沖壓破裂。

2.3 開裂原因分析

河鋼邯鋼依據客戶需求定制開發(fā)的DX51D+Z試驗卷，初始成分設計碳含量較高。由于帶鋼的碳含量直接影響滲碳體的數量和尺寸，且對成品的時效有直接影響[9]，試驗卷經熱軋高溫卷取及鍍鋅高溫退火后導致了沿晶界析出的滲碳體多而集中，同時導致鐵素體晶格中的固溶碳含量也較高[10]。

結合試驗卷材料力學性能及顯微組織檢測結果，沿晶界析出的網狀滲碳體對位錯滑移的阻礙，使得鋼板在沖壓過程中沿滲碳體形成裂紋，進而導致了洗衣機箱體在拉伸變形時開裂。同時帶鋼使用時已出現(xiàn)時效硬化，固溶碳所形成的柯氏氣團對位錯的釘扎，使得帶鋼伸長率降低，進一步惡化了材料的加工性能。

3 改進措施

根據以上分析，針對試驗卷加工開裂問題，結合河鋼邯鋼產線能力，優(yōu)化產品成分設計(見表4)，降低碳含量，同時降低了熱軋卷取溫度、鍍鋅退火溫度(見表5)，避免了沿晶界析出網狀滲碳體，提升了帶鋼的沖壓性能及抗時效性能。

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，數量較優(yōu)化前明顯減少，并且產品強度降低，延伸率升高(見表6)，帶鋼的抗時效性能得到提升。經客戶再次驗證使用，沖壓過程穩(wěn)定，未出現(xiàn)沖壓開裂。

圖3 優(yōu)化后的DX51D+Z金相組織

表6 優(yōu)化后DX51D+Z力學性能

4 結論

(1)河鋼邯鋼定制DX51D+Z開發(fā)初期，帶鋼退火組織晶界處析出了網狀分布的滲碳體，使得鋼板在沖壓過程中沿滲碳體形成裂紋，導致了洗衣機箱體沖壓開裂，同時帶鋼產生的時效硬化，進一步惡化了材料的加工性能。

(2)通過降低碳含量的成分優(yōu)化設計，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，改善了帶鋼的抗時效性能，獲得了性能優(yōu)良的產品，有效解決了DX51D+Z沖壓開裂問題。