热镀锌板带由钢和锌复合而成，其具有钢基板的强度和塑性，又有镀层的耐腐蚀性,能保护金属基体内部不受腐蚀。热镀锌板带产品按镀层处理方法可分为纯锌镀层和锌铁合金；按涂层表面锌花的形态又可分为“小锌花”“正常锌花”“光整锌花”和“无锌花”4种。热镀锌板带具有耐腐蚀性、耐酸蚀性、耐湿性、表面质量好、利于深加工等优点，广泛应用于建筑、家电、汽车、容器等领域。近年来随着节约资源与合理用材的需求不断增大，家电用钢逐渐倾向于使用高强度薄板材，各类家电产品的板材厚度普遍出现减薄趋势。

1、 热镀锌板产品冲压开裂情况

      某家电厂冰箱内部的热镀锌板产品厚度为0.3mm，材料为 DC51D+Z钢，该热镀锌板位于压缩机上方，起到隔离的作用，对热镀锌板进行冲压后，最大变形处出现凸包现象，凸包高度为10~18mm(见图1)。热镀锌板的典型力学性能测试结果如表1所示。

       随着白色家电行业内部的激烈竞争，该家电厂要求将热镀锌板减薄10%，即要求材料的厚度为0.27mm。在成形要求不变的前提下，材料减薄后易发生冲压开裂现象。按0.3mm厚正常料的成分和工艺增加轧制变形环节，生产0.27mm 厚减薄料，经家电厂试冲压验证，热镀锌板在凸包处发生开裂现象，开裂位置为靠近凸包顶端的直壁段(见图2)，该处为传力区，因此在冲压过程中将承受较大的拉应力。

2、 减薄前后钢板的冲压成形性能

2.1 有限元仿真分析

      采用有限元仿真分析方法分析热镀锌板减薄对材料性能的影响。该热镀锌板的有限元仿真模型如图3所示，采用各向异性材料模型，网格类型为壳单元，板料网格尺寸为2mm。

2.2 0.3mm厚热镀锌板的仿真分析结果

     将表1中0.3mm厚热镀锌板的力学性能代入有限元仿真模型进行计算，可以得到冲压后材料的成形极限应变为0.204。采用GB/T 24171.2—2009《金属材料 薄板和薄带 成形极限曲线的测定 第2部分：实验室成形极限曲线的测定》，利用成形试验机进行成形极限测定和理论计算，结果如图4所示，材料的成形极限分别为0.24和0.23，处于材料成形极限的安全范围内，可以满足零件冲压成形的要求。

2.3 0.27mm厚热镀锌板的仿真分析结果

     将表1中力学性能数据和厚度0.27mm代入有限元分析模型进行计算，结果如图5所示。由图5可知：材料的成形极限为0.20，减薄后材料的极限应变为0.209，超出材料能够承受的成形极限。说明在材料性能和冲压工艺不变的条件下，直接减薄热镀锌板无法满足该零件冲压成形的要求。

2.4 改进措施

      对于拉延类零件，屈服强度越小，材料越容易发生塑性变形，且材料的冷压延成形性安全裕度明显降低。在冲压工艺不变、加工硬化指数不变的前提下，计算不同屈服强度下0.27mm厚热镀锌板的成形极限，结果如图6所示，可知当屈服强度小于256MPa时，材料可以满足该零件冲压成形的要求。

3、 热镀锌板性能的影响因素

3.1 化学成分的影响

      钢中碳元素的含量越高，锌和铁的反应就越强烈，铁的损失量就越大，且生成的合金镀层也越厚，使得镀层脆性变好、塑性变差、结合力变小。钢中碳元素含量过高也会影响镀层的表面质量，出现漏铁、锌瘤等缺陷。因此需要尽可能降低碳元素的含量。

     硼元素具有优化组织的作用，硼元素含量偏低，其优化组织的作用不明显；硼元素含量偏高会增加成本。

3.2 退火工艺的影响

      退火工艺是冷轧过程中的关键工序，冷轧后的板材内部晶粒会产生严重变形，从而造成金属表面出现加工硬化现象，内部产生残余应力。对冷轧卷进行退火处理可使金属内部组织变成更加细小的等轴晶粒，从而消除金属表面的形变硬化，并降低钢的强度和硬度，恢复金属或合金的塑性变形能力，同时可以消除金属在轧制过程中产生的应力，以及因冷轧工艺产生的表面加工硬化和内部残余应力，改善冷轧板的力学性能，以满足对冷轧板进行深加工的质量要求。退火温度偏低，材料没有完全再结晶，退火工艺参数偏大，会造成晶粒异常粗大，两种情况均会使材料的塑性变差，出现冲压开裂现象。

4、 优化方案制定与验证

4.1 优化方案制定

      0.27mm厚热镀锌板的化学成分设计方案如表2所示。热轧工艺为：出炉温度为1180~1220 ℃，终轧温度为870~900℃，层流冷却方式，后段冷却的卷取温度为680~720℃，热卷厚度为2.6mm；酸轧轧制厚度为0.256mm，热镀后成品厚度为0.27mm。

4.2 优化结果的验证

4.2.1 不同退火温度的影响

      对优化后的0.27mm厚热镀锌板分别进行770，790，810，830℃退火模拟试验，然后对试样进行力学性能测试和金相检验，结果分别如表3和图7所示。由表3和图7可知：当退火温度为810℃时，试样的组织为铁素体+游离渗碳体，晶粒度级别为8.0级，无渗碳体聚集现象，且屈服强度为224MPa，满足该零件冲压成形的要求。

4.2.2 时效性能评价

     开展人工时效性能与自然时效性能评价，其中人工时效的方法为：把加工好的拉伸试样放在100℃的马弗炉里，保温60min。材料的平均时效指数为42MPa，工艺优化前材料的平均时效指数为60MPa。

      自然时效方法为每周进行一次室温拉伸试验，并记录材料力学性能的变化情况,统计周期为2个月。经自然时效后材料的力学性能测试结果如图8所示，可知时效后材料的屈服强度小于260MPa，断后伸长率大于24%,说明材料自然时效后仍具有良好的冲压成形性能。

4.2.3 成形性能分析

     在优化后0.27mm厚热镀锌板上取样，根据GB/T 24171.2—2009将试样加工成长度为196mm，宽度分别为20，40，60，80，90，100，120，140，160，180mm的试样，对试样进行成形极限试验，结果如图9所示，优化后0.27mm厚热镀锌板的极限应变为0.23，能够满足零件冲压成形的要求(0.209)。

5、 结论

      (1)将热镀锌板的厚度由 0.3mm减薄至0.27mm，在材料不变、冲压工艺不变的前提下，热镀锌板的成形极限由0.23降低至0.20，冲压极限应变由0.204上升至0.209，直接减薄无法满足该零件冲压成形的要求，造成零件冲压开裂。在保持加工硬化指数不变或增大的情况下，材料的屈服强度低于255MPa，可以满足该零件的冲压成形要求。

      (2)采用增加镀锌板中碳元素含量、减小镀锌板硼元素含量、提高退火温度等方法，可以减小材料的屈服强度，提高材料的时效性能和冲压成形性能，改进后材料成形极限满足零件的冲压成形要求。

作者：申庆波1，2，郭训忠1

单位：1.南京航空航天大学 材料科学与技术学院；

2.上海梅山钢铁股份有限公司 技术中心

来源：《理化检验-物理分册》2024年第5期