洗衣机箱体冲压开裂原因分析

王昭云 ，杨建宽，靳志力，张 姝，姜景荣

(河钢集团邯钢公司，河北 邯郸 056015)

低碳铝镇静钢热镀锌板因其优良的耐腐蚀性能、加工成形性能和焊接性能等优点，近年来在汽车、家电和建筑行业的应用日益广泛。河钢邯钢目前与国内外多家知名家电企业开展了深入合作，并根据客户需求定制化开发了多种镀锌冲压用钢。但根据某家电企业需求定制开发的DX51D+Z热镀锌板在加工洗衣机箱体时出现冲压开裂情况，影响了客户的生产效率。河钢邯钢通过技术攻关，成功解决了该产品冲压开裂问题。

1 存在的问题

洗衣机箱体作为洗衣机的重要组成部分起着支撑、装饰的作用，其生产工艺流程包括:镀锌盒板→冲压成形→U型折弯→喷漆→安装加强筋。洗衣机箱体冲压成形过程中涉及剪切、冲孔、拉伸、压形、折弯、翻边等多个复杂过程，对材料的成形性能要求较高，同时为防止洗衣机在运输过程中跌落而损坏内部结构，还要求箱体具有一定的强度。因此洗衣机生产企业均对箱体用钢的性能和强度提出了严格要求。

综合洗衣机箱体对钢板性能、强度的要求以及生产成本等因素，一般洗衣机箱体用钢均采用DX51D+Z，但性能指标要求严于国标(见表1)，要求具有良好的成形性能且有一定的强度。河钢邯钢根据客户要求定制开发的DX51D+Z性能优异，但在产品试用初期，客户反馈钢板在冲压拉伸时出现了开裂问题(见图1)，并且经过模具调整也无法解决。

表1 客户对产品的性能要求和国标要求对比

图1 典型开裂缺陷

2 原因分析

2.1 力学性能分析

DX51D+Z为国标GB/T 2518中最普通的一个品种，广泛应用在汽车、家电、建材等领域。国标中对DX51D+Z的性能、化学成分要求十分宽泛，因此针对不同客户的需求，国内各钢铁企业均采取定制开发的方式来满足客户要求。表2是邯钢根据客户要求开发的DX51D+Z化学成分，采用转炉-LF-连铸冶炼路径，碳含量较高，同时不添加Nb、Ti等合金元素，通过工艺调整获得良好的力学性能。

表2 河钢邯钢DX51D+Z化学成分 单位：%

通过对开裂样板的力学性能进行检测，样板强度较出厂时有了明显升高，且延伸率降低(见表3)，试验卷已出现明显时效硬化现象，但其性能指标仍然满足客户要求。

表3 试验卷力学性能对比

经与客户了解，该试验卷使用时已在客户仓库放置时间超过4个月。由于试验卷采用低碳成分体系，未对碳、氮含量进行控制。为确保产品强度及延伸率达到客户要求，热轧采用高温卷取，镀锌退火采用高温退火，导致钢基体中有相当数量的固溶碳、氮在热镀锌板成品中保留下来，经过长时间放置，钢中的固溶碳、氮原子向位错周围聚集，形成柯氏气团钉扎位错，使镀锌板的屈服强度上升，延伸率下降，影响了产品的成形性能，对冲压成形过程十分不利[1-2]。

2.2 显微组织分析

图2(a)是开裂样板基体显微组织照片，可以看到带钢的退火组织为铁素体和渗碳体。图2(b)是带钢显微组织的扫描照片，可以发现，晶界处析出了网状分布的渗碳体。由于带钢采用高温退火，退火温度已超过带钢的共析相变点，在退火过程中出现了奥氏体，在缓冷时导致了网状渗碳体的析出。

图2 DX51D+Z显微组织

相关研究表明[3-4]，当渗碳体以颗粒形态弥散分布在铁素体基体中时，才不会对材料冲压成型带来损害；但渗碳体若呈半网状或网状在晶界析出，将严重恶化带钢的延伸性，影响材料的冲压性能。

根据金属变形理论，金属的塑性变形主要是通过位错在滑移面上的运动来逐步实现的[5-6]。对低碳钢而言，其组织中的铁素体在冲压中很容易产生变形，而渗碳体在冲压过程中几乎不产生变形。带钢在加工拉延时，当渗碳体在晶界处呈网状分布，晶界处的渗碳体将阻碍铁素体的变形，成为铁素体滑移的“障碍墙”。因此，带钢在变形时，晶粒组织中的铁素体变形受到晶界处渗碳体的阻碍，导致位错在滑移面的障碍前堆积起来，造成高度应力集中进而引起晶界脆性[7-8]。随着渗碳体数量的增多，其对铁素体变形的阻碍越大，当应力集中达到材料的强度极限时，将沿渗碳体形成裂纹并扩展,造成冲压破裂。

2.3 开裂原因分析

河钢邯钢依据客户需求定制开发的DX51D+Z试验卷，初始成分设计碳含量较高。由于带钢的碳含量直接影响渗碳体的数量和尺寸，且对成品的时效有直接影响[9]，试验卷经热轧高温卷取及镀锌高温退火后导致了沿晶界析出的渗碳体多而集中，同时导致铁素体晶格中的固溶碳含量也较高[10]。

结合试验卷材料力学性能及显微组织检测结果，沿晶界析出的网状渗碳体对位错滑移的阻碍，使得钢板在冲压过程中沿渗碳体形成裂纹，进而导致了洗衣机箱体在拉伸变形时开裂。同时带钢使用时已出现时效硬化，固溶碳所形成的柯氏气团对位错的钉扎，使得带钢伸长率降低，进一步恶化了材料的加工性能。

3 改进措施

根据以上分析，针对试验卷加工开裂问题，结合河钢邯钢产线能力，优化产品成分设计(见表4)，降低碳含量，同时降低了热轧卷取温度、镀锌退火温度(见表5)，避免了沿晶界析出网状渗碳体，提升了带钢的冲压性能及抗时效性能。

表4 优化后的DX51D+Z成分 单位：%

表5 热轧卷取温度和镀锌退火温度优化设定 单位：℃

由图3可以看出，优化成分及工艺后带钢显微组织基体为铁素体和渗碳体，晶界处析出的渗碳体呈弥散分布，数量较优化前明显减少，并且产品强度降低，延伸率升高(见表6)，带钢的抗时效性能得到提升。经客户再次验证使用，冲压过程稳定，未出现冲压开裂。

图3 优化后的DX51D+Z金相组织

表6 优化后DX51D+Z力学性能

4 结论

(1)河钢邯钢定制DX51D+Z开发初期，带钢退火组织晶界处析出了网状分布的渗碳体，使得钢板在冲压过程中沿渗碳体形成裂纹，导致了洗衣机箱体冲压开裂，同时带钢产生的时效硬化，进一步恶化了材料的加工性能。

(2)通过降低碳含量的成分优化设计，匹配合适热轧、镀锌退火工艺，有效减少了晶界处渗碳体的析出，改善了带钢的抗时效性能，获得了性能优良的产品，有效解决了DX51D+Z冲压开裂问题。