摘要：本文研究了几种热镀锌钢板在使用中出现的不同开裂模式，包括翻边开裂、折弯开裂、疲劳开裂和颈缩开裂。因基板材质的差异，开裂的机理各有不同。翻边开裂一般出现在高强钢结构件的加工过程中，提高材料的扩孔性能是解决问题的关键，从材质机理上讲就是要获得较细小的晶粒和均匀的组织，减少带状组织，并且尽量降低以硫化物为代表的夹杂物成分，从而提高材料扩孔率。当材料需要180度折弯时，采用高延伸率的冲压用钢可能会出现开裂情况，而晶粒较细小、碳化物分散的CQ钢才是即经济又好用的选择。热镀锌钢板疲劳开裂不仅仅是材料性能本身的问题，还与整机零件设计、材料的服役条件、使用环境息息相关。锌铁合金钢板表面镀层的铁含量往往会成为钢板开裂的影响因素。
关键词：热镀锌钢板，开裂，翻边，折弯，疲劳，颈缩
宝钢热镀锌钢板
1前言
通过热浸镀锌工艺生产的钢板是目前使用最广泛的镀层钢板，按镀层结构划分可分为热镀纯锌及合金化钢板。根据基板强度级别可分为：普通强度级和高强度级，按冲压等级的不同，可分为商用级（CQ）、普通冲压级（DQ）、深冲压级（DDQ）和超深冲压级（EDDQ）[1]。热镀锌钢板因其良好的耐蚀性和美观度在汽车、家电、建筑等领域得到了广泛的应用。在加工使用过程中不同强度级别的热镀锌钢板常常会出现因用户选材、加工方式、材质缺陷等原因导致的开裂问题。因基板材质的差异，开裂的机理各有不同。因此，本文将对几种常见的加工开裂问题，就其机理进行讨论。
2案例
2.1翻边开裂
随着汽车轻量化的发展，高强度汽车板的使用量在快速增加。翻边开裂是高强钢一种常见的成型失效模式。汽车车身的结构件零件中如前后纵梁、风窗挡板、中通道加强板、中盘柱等要求材料既具有一定的强度还要具备良好的加工翻边性能。用户对材料的强度和断裂延伸率有明确的要求，尤其认为断裂延伸率越高翻边的开裂情况发生概率越小。其实，较高的扩孔率才是材料具有良好的曲面翻边性能的关键。
如图1为某品牌汽车中通道加强板零件。该零件成形共走四道工序，第一道切边冲孔、第二道翻边拉延、第三道弯曲、第四道冲孔。部分材料在第二道翻边拉延时产生边部开裂。
图1某品牌汽车中通道加强板零件
中通道加强件零件设计选材多采用碳锰强化的高强结构钢，这种钢板具有较高的强度和优良的延展性能。因零件在加工中需要翻边，不同材质的材料翻边性能差异很大。如表1所示，三类不同成分和工艺的材料（材料A、材料B、材料C)其力学性能接图3(a)材料A微观形貌近且均满足用户的设计要求，但不同材料的扩孔率差异却很大，材料A的扩孔率最高为82%，开裂率0%，材料C的扩孔率最低，开裂率100%。
表1不同材料的性能及开裂统计
高扩孔钢要具有较细小的晶粒和均匀的组织，不能有带状组织，并且尽量降低以硫化物为代表的夹杂物成分。
以开裂率最低的材料A和开裂率最高的材料C为例。如图2、3，分表为两种材料的S的含量的均值图和截面微观形貌。可以看出材料C的带状组织和S含量都明显多于材料A。所以对于这种有翻边要求的零件，在选材上要特别关注扩孔性能。
图2 S含量均值图
图3(a)材料A微观形貌图 3(b)材料C微观形貌
2.2折弯开裂
在金属零件加工方式中折弯是比较普遍的形式，根据设计要求可以分为180度、90度、45度等折弯角度。热镀锌钢板折弯后要求材料表面无裂纹、无锌层脱落等缺陷。
有些用户认为仅折弯成型的零件对材料要求不高，只要锌层附着性良好，一般的CQ或DQ钢均可满足要求。其实事实并非如此。尤其是180度折弯材料有时会出现折弯后基板开裂的情况。
如图4为某汽车零部件厂生产的汽车玻璃升降器部件，经过7个道次完成180度（0T）成型，在0T折弯顶部，目视基体微裂、锌层无脱锌，但锌层表面全程皲裂，有轻微手感（如图5）。
图4(a)开裂部位示意图图 4(b)开裂部位实物图
图5开裂部位微观组织
这种较大晶粒的组织形貌适用于较深冲压用途零件。当用于折弯要求高的零件时，局部变形极大，大晶粒形貌对这种不均匀变形的抗力较低，且少量的碳化物在晶界处也会加剧这种劣势，结果可能会导致基板“撕裂”
此类问题的解决方案是选用晶粒较细小、碳化物分散的CQ钢。如图6为改进前后钢板微观组织形貌，表2为改进前后力学性能与晶粒度评级。改进后晶粒明显细小，碳化物细小并弥散的均匀分布。改进后材料强度上升，晶粒度级别12。通过实际验证，改进后材料不再出现折弯开裂问题。
图6(a)改进前 图6(b)改进后
表2改进前后材料的性能
2.3疲劳开裂
热镀锌DDQ级别的钢板经常裸用于家电背板。如某家电生产厂用高强IF钢做滚筒洗衣机背盖板。该新型洗衣机批量投产前需要对样机进行震动跌落试验。试验方法依据GB/T4857.23（包装运输包装件随机振动试验方法）。样机在不同温度条件下，不规则振幅上下、左右震动后进行多次跌落。然后检查洗衣机表面情况。
样机背盖板的四个“跑道”凹台通过自铆接的方式加装了加强片（如图7)，此部位的冲孔处将拧入塑料加强件在运输中起到固定洗衣机箱体的作用，洗衣机运达最终客户处后塑料件拆除。在样机震动跌落试验中，背盖板四个“跑道”凹台中有两个发生加强片脱落和基材开裂（如图8）。
图7“跑道”凹台示意图 图8基材开裂示意图
该基材为热镀锌高强IF钢（厚度1.0mm)，加强片为其它种类材料(厚度1.25mm）。每个凹台有三个铆接点，加工时从基材向加强件方向冲压铆接。对断口微观形貌分析，发现开裂处呈较典型的疲劳辉纹形貌特征，且存在较多二次裂纹（如图9所示）。
图9基材端口形貌
从上述现象可以推断，“跑道”凹台基材冲孔部位是在反复震动和跌落过程中受强烈的外力，加强片与基材脱离，基材冲孔部位材料发生疲劳断裂。对基材与加强片的力学性能分析（如表3），基材的强度高于加强片的强度，抗拉强度相差近60MPa。加强片的强度低于基材强度，并没有起到很好的加强作用。同时也从用户处获悉该零件铆接设计时对基材和加强片的强度搭配是有要求的，但用户在实际生产中并没有严格按设计执行。导致加强片提早脱落，基材受力开裂。
表3基材与加强片力学性能
对于该问题的解决办法是更换加强片材料，重新进行铆接剥离力评价。经过改进后，开裂情况明显减少。
2.4颈缩开裂
在热镀锌IF钢的使用中颈缩开裂是一个比较常见的问题。如某汽车厂在用锌铁合金IF钢生产一款轿车的前盖内板时，拉延后在局部分出现了颈缩和开裂（如图10）。
图10拉延后颈缩(a)和开裂(b)
对于开裂料和正常料进行性能、粗糙度及镀层铁含量测量等试验，结果见表4、表5。可见，开裂料在力学性能上与正常料相当，粗糙度值比正常料要高，而且铁含量要低。
表4力学性能
表5粗糙度及铁含量
对于合金化热镀锌板，镀层中的铁含量是影响冲压成形质量的一个很重要的因素。铁含量过高，则容易出现粉化；铁含量偏低，则增大成形中的摩擦，不利于材料流动，容易引起开裂。对于正常料和开裂料分别进行表面扫描，观察得到的图11，不难看出，异议料表面欠合金化。
图11正常料（a)和开裂料(b)表面扫描
3结论
（1）有扩孔钢要求的高强钢要具有细小晶粒和均匀的组织，不能有带状组织，并且尽量降低以硫化物为代表的夹杂物成分。
（2）对于180度折弯要求的零件，选择材料不应关注延展性，而要尽量选择晶粒细小的钢板。
（3）零件主要材料的选择固然重要，但诸如加强件等辅材的搭配选用也是非常关键的。在开裂问题的调查中，不仅要关注材料性能本身，还要对材料的服役条件、使用环境进行综合分析。
（4）锌铁合金钢板表面镀层的铁含量往往会成为钢板开裂的影响因素。
参考文献
[1] 康永林,现代汽车板的质量控制与成形性[M]，冶金工业出版社，1999.6.
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作成：2021年8月20日
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