进阶篇:3.2.6)钣金件-材料选择

本章目的:了解钣金工艺常用材料及特性。

 

1.前言

钣金材料是产品结构设计中最常用的材料,了解材料的综合性能和正确的选材,对产品成本、产品性能、产品质量、加工工艺性都有重要的影响。

2.钣金材料的选材原则

1)选用常见的金属材料,减少材料规格品种,尽可能控制在公司材料手册范围内;
2)在同一产品中,尽可能的减少材料的品种和板材厚度规格;
3)在保证零件的功能的前提下,尽量选用廉价的材料品种,并降低材料的消耗,降低材料成本;
4)对于机柜和一些大的插箱,需要充分考虑降低整机的重量;
5)除保证零件的功能的前提外,还必须考虑材料的冲压性能应满足加工艺要求,以保证制品的加工的合理性和质量。

3.几种常用的板材介绍

我们通常所说的板材,是指薄钢板(带);而所谓的薄钢板,是指板材厚度小于4mm的钢板,它分为热轧板和冷轧板。众所周知,在家电制造领域里,冷轧板以及以冷轧板为原板的镀锌板的用途十分广泛,冰箱、空调、洗衣机、微波炉、燃气热水器等等的零件材料的选用都与它紧密相连。近年来,国外牌号钢材的大量涌入,丰富了国内钢材市场,使板材选用范围逐步扩大了,这对提高家电产品的制造质量,提供更丰富的款式和外观,起到了显而易见的作用;然而,由于国外的板材型号与我国板材牌号及标记不一致,再加上目前市面上很少有这方面专门介绍的资料和技术书籍,这给如何选用比较恰当的钢板带来了一定的困惑。

本文针对上述情况,介绍了在我国经常用到和使用最多的几个国家(日本、德国、俄罗斯)的冷轧薄钢板以及以冷轧板为原板的镀锌板的基本资料,并归纳出与我们国家钢板牌号的相互对应关系,借此提高我们对国外板材的识别和认知度,并能熟练选用之。

3.1 冷轧薄钢板

3.1.1 冷轧普通薄钢板

冷轧薄钢板是普通碳素结构钢冷轧板的简称,俗称冷板。它是由普通碳素结构钢热轧钢带,经过进一步冷轧制成厚度小于4mm的钢板。由于在常温下轧制,不产生氧化铁皮,因此,冷板表面质量好,尺寸精度高,再加之退火处理,其机械性能和工艺性能都优于热轧薄钢板,在许多领域里,特别是家电制造领域,已逐渐用它取代热轧薄钢板。      
适用牌号:Q195、Q215、Q235、Q275;
符号:Q—普通碳素结构钢屈服点(极限)的代号,它是“屈”的第一个汉语拼音字母的大小写;195、215、235、255、275—分别表示它们屈服点(极限)的数值,单位:兆帕MPa(N/mm2);

由于Q235钢的强度、塑性、韧性和焊接性等综合机械性能在普通碳素结构钢中属最了,能较好地满足一般的使用要求,所以应用范围十分广泛。

3.1.2 冷轧优质薄钢板

同冷轧普通薄钢析一样,冷轧优质碳素结构钢薄钢板也是冷板中使用最广泛的薄钢板。冷轧优质碳素薄钢板是以优质碳素结构钢为材质,经冷轧制成厚度小于4mm的薄板。
适用牌号:08、08F、10、10F
符号:08、10—钢号开头的两位数字表示钢的含碳量,以平均碳含量×100表示;F—不脱氧的沸腾钢;b—半镇静钢,Z—一般脱氧的镇静钢(有时无字母表示)。
例如:08F表示其平均含碳量为0.08%的不脱氧沸腾钢;

由于08F钢板的塑性好,冲压性能也好,大多用来制造一般有拉延结构的钣金件制品。

3.1.3 深冲压用冷轧薄钢板

深冲压冷轧薄钢板多半用铝脱氧的镇静钢,属于优质碳素结构钢。由于它的塑性非常好,具有优良的深拉延特性,所以被广泛用于需要比较复杂结构的深拉延的制品上。 适用牌号:08AL
符号:08-钢号开头的两位数字表示钢的含碳量,以平均碳含量×100表示;AL-使用铝脱氧的镇静钢。

3.1.4 日本冷轧碳素薄钢板

适用牌号:SPCC、SPCD、SPCE 。
符号:S-钢(Steel)、P-板(Plate)、C-冷轧(cold)、第四位C-普通级(common)、D-冲压级(Draw)、E-深冲级(Elongation)

3.1.5 德国冷轧碳素薄钢板

适用牌号:st12、st13、st14、st15、st16(st14-T)
符号:ST-钢(Steel)、12-普通级冷轧薄钢板、13-冲压级冷轧薄钢板、14-深冲级冷轧薄钢板、15-特深冲级冷轧薄钢板、16(st14-T)-超级冷轧薄钢板

3.1.6 俄罗斯冷轧碳素薄钢板

适用牌号:CT-3kП、08kП、08ПC   符号:CT-普通钢、kП-沸腾钢、ПC-镇静钢。 产地:俄罗斯

3.1.7 我国与上述三个国家的标准钢板牌号近似对照(见表1) 

 

 这张表可以好好记住,特别是我国与日本、德国的钣金牌号换算。

3.2 热镀锌薄钢板

3.2.1 连续热镀锌薄钢板

连续热镀锌薄钢板简称镀锌板或白铁皮(作者觉得浸锌板更好),是厚度0.25~2.5mm的冷轧连续热镀锌薄钢板和钢带,钢带先通过火焰加热的预热炉,烧掉表面残油,同时在表面生成氧化铁膜,再进入含有H2、N2混合气体的还原退火炉加热到710~920℃,使氧化铁膜还原成海绵铁,表面活化和净化了的带钢冷却到稍高于熔锌的温度后,进入450~460℃的锌锅,利用气刀控制锌层表面厚度。最后经铬酸盐溶液钝化处理,以提高耐白锈性。
钢板表面美观、有块状或树叶状镀结晶花纹,且镀层牢固,有优良的耐大气腐蚀性能,同时,钢板还有良好的焊接性能和冷加工成型性能。与电镀锌板表面相比,其镀层较厚,主要用于要求耐腐蚀性较强的扳金件。
适用牌号:Zn100-PT、Zn200-SC、Zn275-JY
结构分类代号:

Z-正常锌花:按正常冷却速度结晶而获得的锌花,可作一般用途:

X-小锌花:冷却速度经特殊控制,锌花尺寸小于正常锌花,适于涂漆和正常锌花达不到要求的其他场合;

GZ-光整锌花:小锌花经过光整处理,适于深冲和超深冲加工及表面粗糙度要求低的场合。

加工性能代号:PT-普通用途、JY-机械咬合、SC-深冲、CS-超深冲、JY-结构。

3.2.2 日本热镀锌薄钢板

适用牌号:SGCC、SGCD1、SGCD2、SGCD3    锌层代号:Z12、Z18、Z20、Z22、Z25、Z27

符号:

S-钢(Steel)、 G- 镀锌(Galvanized)、 C-冷轧(Cold)、第四位C-普通级(common)、D-冲压(Draw);1、2-冲压级、3-深冲级;

Z-镀锌层(Zine)、12,…,27-锌附着量×10g/m2。

3.2.3 德国热镀锌薄钢板

适用牌号:St01Z、St02Z、St03Z、St04Z、St05Z 锌层代号:100、180、200、275、350、450
符号:St-钢(Steel),01-一般用、02-机械咬口用、03-冲压用、04-深冲用、05-深冲用;Z-镀锌层(Zine);100-锌附着量(二面)100g/m2、275-锌附着量275g/m2、350-锌附着量350g/m2。

3.3 电镀锌薄钢板

3.3.1 连续电镀锌冷轧薄钢板       

连续电镀锌冷轧薄钢板,即“电解板”, 指电镀锌作业线上在电场作用下,锌从锌盐的水深液中连续沉积到预先准备好的钢带表现上得到表面镀锌层的过程。
适用牌号:DX1、DX2、DX3、DX4
锌层代号:14、28、42、56、70,其两位数表示锌在钢板表面的附着量(g/m2)。
符号:D-电镀、X-锌、1-商品级、2-冲压级、3-深冲压、4-结构级。

3.3.2 日本电镀锌薄钢板

适用牌号:SECC(原板SPCC)、SECD(原板SPCD)、SECE(原板SPCE)锌层代号:E8、E16、E24、E32
符号:S-钢(Steel)、E-电镀(Electrodeposition)、C-冷轧(Cold)、第四位C-普通级(common)、D-冲压级(Draw)、E-深冲级(Elongation)。
锌层代号:E-电镀锌层,8、16、24、32表示锌附着量,单位为g/m2,镀层厚度(单面)1.4μ、4.2μ、7.0μ。

3.4 覆铝锌板

覆铝锌板的铝锌合金镀层是由 55%铝、43.4%锌与 1.6%硅在 600℃高温下固化而组成,形成致密的四元结晶体保护层,具有优良的耐腐蚀性,正常使用寿命可达 25 年,比镀锌板长 3-6 倍,与不锈钢相当。覆铝锌板的耐腐蚀性来自铝的障碍层保护功能,和锌的牺牲性保护功能。当锌在切边、刮痕及镀层擦伤部分作牺牲保护时,铝便形成不能溶解的氧化物层,发挥屏障保护功能。
浸锌板、电解板、覆铝锌板,统称为涂层钢板,在国内通讯等行业上广泛采用,涂层钢板加工后可以不再电镀、油漆,切口不做特殊处理,便可直接使用,也可以进行特殊磷化处理,提高切口耐锈蚀的能力。 从成本分析看, 采用连续电镀锌薄钢板, 加工厂不必将零件送去电镀,节省电镀时间和运输出费用,另外零件喷涂前也不用酸洗,提高了加工效率。

3.5 不锈钢板

因为具有较强的耐腐蚀能力、良好的导电性能、强度较高等优点,使用非常广泛,但也要充分考虑它的缺点:材料价格很贵,是普通镀锌板的 4 倍;材料强度较高对数控冲床的刀具磨损较大一般不合适数控冲床上加工; 不锈钢板的压铆螺母要采用高强度的特种不锈钢材料的压铆螺母,价格很贵;压铆螺母铆接不牢固经常需要再点焊;表面喷涂的附着力不高、质量不宜控制;材料回弹较大折弯和冲压不易保证形状和尺寸精度。

常用的不锈钢板如sus301,sus304。

3.6 铝和铝合金板

通常使用的铝和铝合金板主要有以下三种材料:防锈铝 3A21、 防锈铝 5A02 和 硬铝2A06。

防锈铝 3A21 即为老牌号 LF21,系 AL-Mn 合金,是应用最广的一种防锈铝。这种合金的强度不高(仅高于工业纯铝),不能热处理强化。故常用冷加工方法来提高它的力学性能,在退火状态下有高的塑性,在半冷作硬化时塑性尚好。冷作硬化时塑性低,耐蚀性好,焊接性良好。

防锈铝 5A02 即为老牌号 LF2 系 AL—Mg 防锈铝,与 3A21 相比,5A02 强度较高,特别是具有较高的疲劳强度、 塑性与耐蚀性高。 热处理不能强化, 用接触焊和氢原子焊焊接性良好,氩弧焊时有形成结晶裂纹的倾向,合金在冷作硬化时有形成结晶裂纹的倾向。合金在冷作硬化和半冷作硬化状态下可切削性较好,退火状态下可切削性不良,可抛光。

硬铝 2A06 为老牌号的 LY6,是常用的硬铝牌号。硬铝和超硬铝比一般的铝合金具有更高的强度和硬度,可以作为一些面板类的材料,但是塑性较差,不能进行折弯,折弯会造成外圆角部位有裂缝或者开裂。

 

铝合金的牌号和状态已经有新的标准,牌号表示方法的标准代号为 GB/T16474-1996,状态代号 GB/T16475—1996,与老标准的对照表如下表 1 所示:

3.7 铜和铜合金板

常用的铜和铜合金板材主要有两种,紫铜 T2 和黄铜 H62
紫铜 T2 是最常用的纯铜,外观呈紫色,又称紫铜,具有高的导电、导热性、良好的耐蚀性和成形性,但强度和硬度比黄铜低得多,价格也是非常昂贵,主要用作导电、导热和耐用消费品腐蚀元件,一般用于电源上需要承载大电流的零件。
黄铜 H62,属高锌黄铜,具有较高的强度和优良的冷、热加工性,易用于进行各种形式的压力加工和切削加工。主要用于各种深拉伸和折弯的受力零件,其导电性不如紫铜,但有较好强度和硬度,价格也比较适中,在满足导电要求的情况下,尽可能选用黄铜 H62 代替紫铜,可以大大降低材料成本,如汇流排,目前绝大部分汇流排的导电片都是采用黄铜 H62,事实证明完全满足要求。

 

4.冷轧板的时效性

4.1 时效

SPCC、SPCD板和08F板,平整后可保存8天;SPCE和08A1平整后可保存6个月内不出现冲压滑移线,即凸起线。

4.2 时效性机理

在退火或有时效的低碳钢拉伸曲线上具有明显的屈服平台。这在冲压成形时,会出现损害外观的作为滑移线。当变形超过屈服平台以后,滑移线消失,而板面变得稍微有点粗糙。所以,供冲压用的低碳钢板,在经过冷轧和退火以后,要进行调质轧制,使其变形量超过屈服平台,以防止冲压时发生滑移线。

4.3 时效性的消除

含溶解氮的沸腾钢板,从调质轧制以后,到冲压加工以前,若经过一段时间,会发生所谓应变时效现象,再次出现屈服平台,同样会发生滑移线。
对冲压加工厂或冲压车间来说,以光轧平整或在辊子参差配置的板材矫正机上,将板料向两个方向轻微地反复弯曲,使板料得到不大的冷变形(3%),便可以消除上述现象。但其效果是暂时的,甚至只经过几天,机械性能就有显著变化。因此,板料光轧工序应直接在冲压以前进行。
铝镇静钢,如08A1为非实效钢,经过适当的调质轧制,其拉伸曲线是平滑的,不允许有屈服平台,允许有不显著的折弯,它的机械性能几乎不会因时效而改变,因而也不会在冲压时产生滑移线。

5 钢板表面质量等级及表面缺陷对工件外观质量的影响

5.1 优质碳素钢冷轧薄钢板表面质量

板面基本要求:板面不得有气泡、裂纹、结疤、黑膜、拉裂、折痕和夹杂等,不得有分层和锈蚀等缺陷。
 [Ⅰ组表面] :正面不得有表面缺陷;反面允许有厚度公差1/4的轻微麻点和轻微划痕。
 [Ⅱ组表面]:两面允许有厚度公差之半的轻微麻点、轻微划痕、局部蓝色氧化色;反而允许有公差厚度之半的小气泡、小拉裂及辊印。
 [Ⅲ组表面]:正面允许有公差之半的轻微麻点、局部深麻点、小气泡、小拉裂、划伤、轻微划痕及辊印;反而允许有厚度公差的上述缺陷,允许有蓝色氧化色。
对于冲压件和喷涂件来说,应该按Ⅰ、Ⅱ组表面要求来验收进货。同时附加条件为:不允许有针孔和裂纹。表面为无光泽的加工毛面。

5.2 热镀锌薄钢板表面质量

光整锌花板[Ⅰ组表面]:外观均匀一致,无表面缺陷;[Ⅱ组表面]:允许有轻微划伤、压痕、大小不均的锌花。
正常锌花板[Ⅰ板表面]:允许有小蚀点、大小不均的锌花暗斑、气力条纹、轻微划伤和压疤、小的铬酸盐钝化处理缺陷、小的锌点和结疤。
 [Ⅱ组表面]:除允许Ⅰ组的缺陷外,还允许有不大于1mm边裂,局部轻微锌层起伏、轻微折痕、宽度不大于20mm轻微镀锌厚边及因原板锈点形成的轻微麻点。
对于冲压件,优先选用光整锌花板。用于柜机空调器室内机后板的小锌花板应按Ⅰ组表面验收。不允许有白锈、漏镀的缺陷。镀锌层不允许有开裂、剥落等现象。

5.3 电镀锌薄钢板表面质量

基本要求:板面不得有未镀锌现象,不得有锌层脱落、裂纹、破损等对使用有害的缺陷。原板不得有分层现象;板面不允许有白锈、黄锈等缺陷。

5.4 钢板外形通用要求

①钢板四角均切成直角,在保证公称尺寸最小矩形的条件下,切斜不大于板宽的1.0 %;钢板的镰刀弯应不大于长度的0.3%。
②钢板不平度:宽度不大于1000mm钢板和钢带每米不平度应符号如下规定:Ⅰ组表面≤6mm,Ⅱ组表面≤10mm,Ⅲ≤15mm;
③钢板和钢带厚度的同板差,不大于厚度公差之半;
④表面缺陷超格的钢带:不大于该卷钢带的8%,指普通冷轧钢带,电镀锌钢带,深冲用冷轧钢带。

6 冷轧板制件的电镀锌技术条件

6.1 冲压件的电镀锌适用于下列情况

①电镀锌板或冷轧板冲压件成品,由于锈蚀需要临时返工处理,应急交货的,可采用电镀锌的办法临时补救;
②该冲压件的板材,找不到合适厚度的电镀锌板的,用冷轧板加工成形再进行电镀锌; 
③一些不重要的内藏冲压件,用冷轧板进行电镀锌比使用电镀锌板更经济。

6.2 电镀锌参考标准

GB 9799-99 钢铁上的锌电镀层;GB 9800-88 电镀锌层的铬酸盐转化膜;

6.3 按制件使用环境和使用寿命来分极

锌层厚度愈大,使用时间愈长,也愈能适应腐蚀环境。

6.4 铬酸盐钝化类别及其耐腐蚀时间

锌花类别分为A、B、C、D四类,其耐腐蚀时间分别为:A-6h;B-24h;C-72h;D-96h,一般选用:Fe/Zn 5~8,B-24h或C-72h.

7.材料对钣金加工工艺的影响

钣金加工主要有三种:冲裁、弯曲、拉伸,不同的加工工艺对板材有不同要求,钣金的选材也应该根据产品的大致形状和加工工艺考虑板材的选择。

7.1 材料对冲裁加工的影响

冲裁要求板材应具有足够的塑性,以保证冲裁时板材不开裂。软材料(如纯铝、防锈铝、黄铜、紫铜、低碳钢等)具有良好的冲裁性能,冲裁后可获得断面光滑和倾斜度很小的制件;
硬材料(如高碳钢、不锈钢、硬铝、超硬铝等)冲裁后质量不好,断面不平度大,对厚板料尤为严重。对于脆性材料,在冲裁后易产生撕裂现象,特别是宽度很小的情况下,容易产生撕裂。

7.2 材料对弯曲加工的影响

需要弯曲成形的板材,应有足够的塑性、较低的屈服极限。塑性高的板材,弯曲时不易开裂,较低屈服极限和较低弹性模量的板料,弯曲后回弹变形小,容易得到尺寸准确的的弯曲形状。含碳量<0.2%的低碳钢、黄铜和铝等塑性好的材料容易弯曲成形;脆性较大的的材料,如磷青铜(QSn6.5~2.5)、弹簧钢(65Mn)、硬铝、超硬铝等,弯曲时必须具有较大的相对弯曲半径(r/t),否则在弯曲过程中易发生开裂。

特别要注意材料的硬软状态的选择,对弯曲性能有很大的影响,很多脆性材料,折弯会造成外圆角开裂甚至折弯断裂,还有一些含碳量较高的钢板,如果选择硬质状态,折弯也会造成外圆角开裂甚至折弯断裂,这些都应该尽量避免。

7.3 材料对拉伸加工的影响

板材的拉伸,特别是深拉伸,是钣金加工工艺中较难的一种,不仅要求拉伸的深度尽量小,形状尽可能简单、圆滑过渡,还要求材料有较好的塑性,否则,非常容易引起零件整体扭曲变形、局部打皱、甚至拉伸部位拉裂。屈服极限低和板厚方向性系数大,板料的屈强比σs/σb 越小,冲压性能就越好,一次变形的极限程度越大。板厚方向性系数>1 时,宽度方向上的变形比厚度方向上的变形容易。拉伸圆角 R 值越大,在拉伸过程中越不容易产生变薄和发生断裂,拉伸性能就越好。

常见的拉伸性能较好的材料有:纯铝钣、08Al,ST16、SPCD。

7.4 材料对刚度的影响

在钣金结构设计中,经常遇到钣金结构件的刚度不能满足要求,结构设计师往往会用高碳钢或不锈钢代替低碳钢,或者用强度硬度较高的硬铝合金代替普通铝合金,期望提高零件的刚度,实际上没有明显的效果。对于同一种基材的材料,通过热处理、合金化能大幅提高材料的强度和硬度,但对刚度的改变很小,提高零件的刚度,只有通过变换材料、改变零件的形状,才能达到一定的效果,不同材料的弹性模量和剪切模量参见表 2。

 

//几乎所有材料力学教材对刚度( Rigidity)和强度( Strength)的定义均是一句话:强度是零件抵抗破坏的能力,而刚度是零件抵抗变形的能力。

强度与极限应力有关,刚度与弹性模量有关。

但很多时候,工程师比较难以分辨这两者的区别,很多时候也容易混在一起说,沟通的时候注意。

8.常用板材的性能比较

几种常用的的板材性能比较如下:


posted @ 2018-07-25 18:23  mdmodule  阅读(...)  评论(...编辑  收藏