孔加維，蘇振軍，曹曉恩，楊建寬

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司 技術(shù)中心，河北 邯鄲 056000)

近年來，隨著汽車銷量的快速增加，汽車零部件行業(yè)和用鋼量持續(xù)增長。汽車零部件種類繁多、成形復(fù)雜且多變，對(duì)原材料性能要求極為嚴(yán)格。零件原材料識(shí)別不準(zhǔn)確或產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)等因素往往導(dǎo)致用戶使用過程中出現(xiàn)起皺、開裂等問題，給用戶帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

熱軋酸洗板是板材市場的新產(chǎn)品，其以優(yōu)質(zhì)熱軋板卷為原料，經(jīng)酸洗機(jī)組去除表面氧化鐵皮后可直接使用，不經(jīng)過冷軋工序，具有接近冷軋的表面質(zhì)量，同時(shí)保持著熱軋產(chǎn)品的力學(xué)性能，是“以熱代冷”的理想中間產(chǎn)品，不僅能降低用戶成本，而且還能減少用戶分散酸洗造成的污染，被廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)、冰箱空調(diào)用壓縮機(jī)等行業(yè)[1-4]。其中酸洗板QSTE420TM屬于冷成形用高屈服強(qiáng)度汽車結(jié)構(gòu)鋼，由于強(qiáng)度高、成形性優(yōu)等特點(diǎn)，深受廣大汽車產(chǎn)商的青睞，被廣泛應(yīng)用于對(duì)成形加工性能和強(qiáng)度有較高要求的汽車底盤、構(gòu)架、座椅、地板等零部件。

本文針對(duì)某主機(jī)廠使用酸洗板QSTE420TM沖壓過程中出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)原材料顯微組織、力學(xué)性能、斷口形貌等進(jìn)行檢測分析，提出相應(yīng)的控制措施，有效解決了用戶沖壓開裂問題。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

某主機(jī)廠自2019年開始采購邯鋼酸洗板QSTE420TM，用于沖壓座椅懸浮系統(tǒng)下殼體，使用一直無問題；近期反饋使用QSTE420TM沖壓該零件時(shí)出現(xiàn)開裂問題，開裂處出現(xiàn)分層現(xiàn)象，開裂率30%，不僅影響用戶生產(chǎn)效率，還造成較大經(jīng)濟(jì)損失。座椅懸浮系統(tǒng)下殼體加工工藝路徑：縱切分卷-落料-一次成形-沖孔。開裂形貌見圖1。

圖1 開裂件形貌

根據(jù)上述情況，從材料角度出發(fā)，開裂料基板上取樣進(jìn)行化學(xué)成分、顯微組織、力學(xué)性能檢測，開裂件上斷口處取樣觀察其斷口形貌，分析其產(chǎn)生原因。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)成分

采用光電直讀光譜儀ARL460對(duì)開裂料進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其各元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)Q/HG 036-2019 要求范圍內(nèi)。檢測結(jié)果見表1。

表1 成分檢測結(jié)果 單位：%

2.2 顯微組織

有關(guān)研究表明[5-6]，材料組織不均勻且存在較嚴(yán)重的混晶是導(dǎo)致沖壓開裂的主要原因，當(dāng)材料組織存在嚴(yán)重混晶時(shí)，細(xì)小晶粒的晶粒內(nèi)部和晶界附近變形差距小，粗大晶粒變形差距大，晶粒變形彼此難以協(xié)調(diào)，各部位的變形抗力大小不均勻，容易在大小晶粒交界處引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，在相同拉應(yīng)力作用下，更容易出現(xiàn)開裂，產(chǎn)生微裂紋后，在翻邊拉應(yīng)力的作用下進(jìn)一步發(fā)展成肉眼可視的裂紋，宏觀上表現(xiàn)出開裂特征。為驗(yàn)證此次QSTE420TM沖壓開裂是否為混晶導(dǎo)致，從開裂料板厚1/4位置、1/2位置分別截取金相試樣，經(jīng)過粗磨-細(xì)磨-拋光-侵蝕工序制備金相樣品，利用ZEISS光學(xué)顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察分析。顯微組織檢驗(yàn)按照GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，鐵素體晶粒度評(píng)級(jí)按GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進(jìn)行。顯微組織如圖2所示。

(a)板厚1/4位置

從圖2可以看出，顯微組織以多邊形鐵素體、珠光體為主，鐵素體晶粒大小均勻，珠光體分布彌散，晶粒度10.5級(jí)，無明顯混晶、帶狀組織等異常組織。此次沖壓開裂非材料存在混晶組織所致。

2.3 力學(xué)性能

對(duì)開裂料進(jìn)行拉伸及冷彎試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)在Zwick/Roell Z100拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸試樣采用L0=80 mm，b=20 mm，力學(xué)性能結(jié)果見表2；從開裂料上切取冷彎試樣，沿軋向按d=0.5a，a=180°進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，鋼板表面出現(xiàn)裂紋缺陷，裂紋沿折痕方向擴(kuò)展，同時(shí)裂口從彎曲表面向鋼板厚度方向擴(kuò)展，冷彎形貌見圖3。力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)Q/HG 036-2019 要求，冷彎試驗(yàn)均出現(xiàn)開裂情況。

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果

圖3 冷彎試樣開裂形貌

2.4 斷口形貌

利用ZEISS掃描電鏡對(duì)開裂斷口處形貌進(jìn)行觀察，開裂處形貌明顯存在分層現(xiàn)象，高倍下斷口微觀形貌為拉長的韌窩(見圖4)，具有典型韌窩特征，且韌窩內(nèi)分布較多顆粒狀的異物，對(duì)韌窩內(nèi)異物進(jìn)行EDS能譜檢測，結(jié)果如表3所示，所含元素主要為Si、Al、Mg、O、Fe等，判斷異物為氧化鋁類、硅酸鹽類等非金屬夾雜物，與爐渣成分接近，可能是轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)卷入鋼水中未來得及上浮的爐渣。

圖4 斷口微觀形貌及EDS能譜分析

表3 斷口異物能譜分析結(jié)果 單位：%

3 分析與討論

據(jù)以往研究[7-9]，夾雜物對(duì)鋼材的縱向延性的影響不大，而對(duì)橫向延性的影響很明顯，夾雜物的形狀對(duì)橫向延性的影響更加明顯，粗大的條帶狀塑性夾雜物和點(diǎn)鏈狀脆性夾雜物對(duì)塑形的危害最大，同時(shí)條帶狀塑性夾雜物和點(diǎn)鏈狀脆性夾雜物能引起鋼的各向異性，且與鋼基體的結(jié)合性較差。較多的且較高級(jí)別的條帶狀硅酸鹽夾雜和點(diǎn)鏈狀氧化物夾雜是造成冷彎開裂的主要原因之一。冷彎試驗(yàn)鋼板表面開裂及沖壓開裂斷口附近存在大量氧化鋁、硅酸鹽類等非金屬夾雜物，可推斷鋼板中存在氧化鋁、硅酸鹽類非金屬夾雜物是此次沖壓開裂的主要原因。

材料斷裂過程是微裂紋形成并繼續(xù)發(fā)展的過程。鋼中非金屬夾雜物為異相物質(zhì)，夾雜物的存在破壞了鋼基體的連續(xù)性、致密性，降低鋼板承載能力，易造成應(yīng)力集中；由于夾雜物比周圍鋼基體硬，在拉應(yīng)力作用下，鋼基體與夾雜物兩者變形不同步，甚至氧化鋁類等脆性夾雜物不發(fā)生變形，這樣在夾雜物周圍產(chǎn)生很大的應(yīng)力，導(dǎo)致金屬與非金屬夾雜物兩相界面聯(lián)結(jié)斷裂，促進(jìn)了微裂紋的產(chǎn)生，隨著應(yīng)力逐漸增大，微裂紋進(jìn)一步的擴(kuò)展、長大，從而導(dǎo)致零件沖壓過程中出現(xiàn)開裂。

有關(guān)研究表明[10-13]，鋼中非金屬夾雜物大多情況是在冶煉和凝固過程中生成，氧化鋁夾雜物是冶煉脫氧合金化時(shí)與鋁反應(yīng)生成，是鋁脫氧鋼中典型的夾雜物，其形狀不規(guī)則且?guī)в欣饨?，多為黑色、灰色或帶藍(lán)色的顆粒，經(jīng)過精煉處理后氧化鋁夾雜大部分上浮排出，部分殘留在鋼中；硅酸鹽類夾雜物是由于造渣和脫氧劑的使用與鋼中其他元素反應(yīng)生成的，以復(fù)合夾雜物的方式存在，多為白色或淺灰色，通常精煉處理后，此類夾雜物數(shù)量增加，是鑄坯中主要非金屬夾雜物。通過對(duì)冶煉和連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化，鋼中非金屬夾雜物含量和形態(tài)可得到有效控制和改善。

4 改善措施及效果

4.1 改善措施

為改善材料深沖性能，必須提高鋼水潔凈度，嚴(yán)格控制夾雜物數(shù)量和尺寸。鋼中夾雜物的控制是一種系統(tǒng)的工程，針對(duì)此次質(zhì)量問題，借鑒其他鋼廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[14-15]，從鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉到連鑄全過程控制夾雜物的形成，制定相應(yīng)改善措施：

(1)鐵水預(yù)處理過程中嚴(yán)格控制硫含量，脫硫目標(biāo)值≤0.015%，脫硫后防止浮渣中硫的回流。

(2)優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝，提高冶煉終點(diǎn)命中率，減少補(bǔ)吹及深吹、減少下渣量降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)[O]。

(3)優(yōu)化精煉過程中鋼包爐底部吹氬參數(shù)，控制吹氬流量和時(shí)間，防止鋼水增氮；鋼水進(jìn)行鈣處理，促使氧化物夾雜變性、上浮、去除。

(4)精細(xì)化操作管理，鋼包長水口和中間包下水口采用氬封保護(hù)澆鑄，防止在連鑄過程鋼水與空氣接觸氧化、增氮；板坯恒拉速連鑄，中間包鋼水液面波動(dòng)范圍在±50 mm內(nèi)，結(jié)晶器液位波動(dòng)控制在±3 mm內(nèi)，減少因液位波動(dòng)造成卷渣夾雜。

4.2 實(shí)施效果

通過生產(chǎn)工藝優(yōu)化，汽車結(jié)構(gòu)鋼QSTE420TM冶煉過程中夾雜物大幅減少，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升?？蛻籼幀F(xiàn)場跟蹤此零件生產(chǎn)，共計(jì)沖壓約5000件，沖壓過程穩(wěn)定，未再出現(xiàn)沖壓開裂批量質(zhì)量問題，不僅降低客戶經(jīng)濟(jì)損失，還成功挽回本廠酸洗板產(chǎn)品質(zhì)量聲譽(yù)。

5 結(jié)論

(1)汽車結(jié)構(gòu)鋼QSTE420TM中存在較多氧化鋁、硅酸鹽類非金屬夾雜物，夾雜物破壞鋼基體連續(xù)性，鋼板承載能力降低是引起此次沖壓開裂的主要原因。

(2)通過從轉(zhuǎn)爐初煉、LF爐精煉到連鑄全過程控制夾雜物形成，強(qiáng)化夾雜物去除工序，鋼中夾雜物含量明顯減少，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提升，沖壓開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅降低。