不锈钢深冲件表面桔皮现象的原因初探

文/张秀平·上海交通大学材料科学与工程学院

不锈钢深冲件表面桔皮现象的原因初探

文/张秀平·上海交通大学材料科学与工程学院

深冲件由于其生产的高效性、制品的高强度以及高性价比，广泛应用于汽车传感器、门锁等领域。不锈钢作为深冲件的常用原材料之一，在满足设计性能的情况下，深冲后处理相对简单，受到产品设计师的青睐。

但是不锈钢材质的深冲件生产时出现的问题也很多，使得大批量连续生产困难。如，易粘模，产品容易拉伤，拉深工序多，加工硬化严重，极易拉破等等。

不良现象描述

不锈钢在多次拉深后，表面会出现“桔皮”裂纹的现象，图1产品用于汽车传感器外壳，材质为SUS305，料厚0.50mm，高径比约为10。年用量约为200万件。

图1 实际产品示意图

我们将该产品分为四个区域PNT1～PNT4，如图2所示，分别进行跟踪检测，初步研究“桔皮”裂纹产生原因。

图2 产品尺寸及测点图

该产品PNT1区域经过图3中，1到6各工步的拉深，表面产生了“桔皮”裂纹，通过投影仪放大40倍和放大180倍，分别得出产品裂纹图片如图4和图5所示。裂纹的产生可能会影响后续客户端的压装，引起产品开裂。

图3 产品拉深各工序示意图

图4 PNT1位置( X40)产品裂纹图片

图5 PNT1位置( X180)产品裂纹图片

图6 PNT1裂纹宽度

图7 PNT1裂纹深度

图8 PNT2裂纹宽度

从各参考文献资料中，我们可以了解到，奥氏体不锈钢塑性变形时极易产生马氏体相变。马氏体硬而脆的特性，让我们初步怀疑这种“桔皮”裂纹是由马氏体相变引起的。

图9 PNT2裂纹深度

图10 PNT3裂纹宽度

图11 PNT3裂纹深度

宏观分析

采用KEYENCE VHX-5000三维显微镜对产品相应三个位置进行观测各裂纹的深度、宽度，所得图片如图6～11所示。检测结果如表1所示。

表1 产品三个不同测点位置的裂纹宽度和深度对比图

从表1实验结果可以得出，三处裂纹的尺寸依次是PNT1＞PNT2＞PNT3；结合图3的拉深工序图，三处的变形量依次是PNT1＞PNT2＞PNT3。可以得出以下结论：塑性变形量越大，“桔皮”裂纹也越大。

微观分析

通过EBSD（扫描电镜）分析四点处及相应原材料的金相组织如图12～19所示。

图12 PNT1相分布

图13 PNT1衍射带衬度

图14 PNT2相分布

图15 PNT2衍射带衬度

图16 PNT3相分布

图17 PNT3衍射带衬度

图18 PNT4相分布

图19 PNT4衍射带衬度

从表2、表3数据结果可以分析看出，变形最剧烈的PNT1的非奥氏体占比最多，说明该处产生相变最多，而且产生的渗碳体相更多，而非马氏体相。

表2 四个检测点相组成比例

表3 四个检测点相计数

但是由于PNT1的EBSD命中率很低，有很多组织无法识别，一般要求命中率80%以上才有参考意义。于是改用XRD测试PNT1处的相组成。见图20，结果显示奥氏体相含量99.9%，无法识别渗碳体及马氏体，也即其含量小于3%（设备分辨率）。

图20 PNT1 XRD相组成

由于产品拉深变形的影响，导致PNT1的EBSD分析结果可信度不高。结合XRD分析，在变形最剧烈的PNT1，奥氏体几乎没有发生相变。从而说明该305牌号的奥氏体不锈钢在高径比10倍的变形量下，没有发生相变。即使有，也是极其微量的，完全可以忽略。

结束语

通过前面的一系列的相变试验，该305不锈钢深冲时产生的“桔皮”裂纹，并非我们假设的“相变”引起的。排除了“相”的原因，还可能有“晶粒”及“织构”等两方面的影响。由于材料在大量塑性变形后，分析测试手段有限，后续会考虑选用不同的原材料进行比对试验，宏观上分析成品，微观上分析原材料。

同时也有个很好的结论是：并非所有的奥氏体不锈钢塑性变形都会有马氏体相产生。这也为奥氏体不锈钢的有限元模拟分析提供了一个更好的理论基础。因为有限元模拟是力学的计算，无法考虑相变的影响。