帶狀組織對車輪用鋼性能的影響

田玉偉

(本鋼技術中心,遼寧本溪 117000)

帶狀組織對車輪用鋼性能的影響

田玉偉

(本鋼技術中心,遼寧本溪 117000)

分析了鋼中帶狀組織對SW400車輪鋼焊接開裂、沖壓分層、沖擊斷口分離質量問題的影響,簡要闡述了通過優(yōu)化成分設計和制定合理的鑄坯澆注溫度、冷卻制度以及軋后快冷來減少鋼中帶狀組織的措施。

帶狀組織;焊接開裂;沖壓分層;沖擊斷口分離

1 引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展,對汽車車輪用鋼服役性能的要求也越來越高,特別是對鋼的焊接性能、沖壓成型性和行駛過程中承受沖擊載荷的沖擊韌性等性能要求更高。為此生產廠家不斷的通過提高鋼的純凈度、優(yōu)化鋼的顯微組織等措施來提高鋼的使用性能。某鋼廠在生產熱軋SW400車輪用鋼時,由于鋼中帶狀組織嚴重,出現了產品焊接開裂、沖壓分層、沖擊斷口分離的質量問題,以下為解決上述問題進行了簡要分析研究。

2 實驗方法與材料

2.1 實驗鋼的化學成分及生產工藝

本實驗中所用鋼種為SW400,化學成分見表1,鑄坯規(guī)格:230 mm×1500 mm,成品規(guī)格:11.5 mm ×1200 mm,成品鋼的力學性能見表2。結合實際生產裝備能力制定工藝路線。

生產工藝路線為:鑄坯加熱→粗軋→精軋→層流冷卻→卷取→檢驗→包裝出廠,熱軋設定工藝參數:加熱溫度1200℃,開軋溫度1100℃,終軋溫度800℃,卷取溫度560℃。

表1 鋼的化學成分(質量分數/%)

表2 鋼的力學性能

2.2 實驗方法

鋼的沖擊性能試驗是在德國zwick公司PSW750示波沖擊試驗機上完成,試樣平行鋼板軋制方向為縱向,垂直鋼板軋制方向為橫向,系列沖擊每個溫度及橫、縱兩個方向各取五支試樣,沖擊試樣尺寸為:10 mm×10 mm×55 mm,開“V”型口,使用酒精和液氮作為冷卻介質。金相檢驗通過德國蔡司金相顯微鏡和Supra 55場發(fā)射掃描電鏡完成,金相斷口試樣采用熱鑲嵌,腐蝕劑采用4%的硝酸酒精溶液,沖擊斷口用酒精和超聲波進行清洗。

3 帶狀組織形成的原因

鋼中之所以產生鐵素體和珠光體交替分布的帶狀組織,主要是因為鋼液在凝固的過程中,由于選分結晶的作用,優(yōu)先形成含合金元素量較低的鐵素體,而后形成含合金元素較多的珠光體,交替分布于板坯中,形成枝晶偏析。在后續(xù)的熱軋過程中,雖然較長時間的加熱可以部分通過合金元素的擴散,減輕一定的偏析程度。但是枝晶偏析大部分仍將會沿著軋制方向延伸,并且在后續(xù)軋后冷卻相變過程中由于碳和其它合金元素在擴散速度上的差別,偏析仍將大部分存在。同時由于合金元素溶于奧氏體中將會顯著影響奧氏體向鐵素體轉變的Ar3溫度。合金成分較低的區(qū)域Ar3溫度高,將形成鐵素體,由于鐵素體中含碳量較少,隨著溫度的降低和鐵素體的不斷增加,碳將逐步向未轉變的奧氏體中富集,當溫度達到Ar1時,剩余的奧氏體將轉變?yōu)橹楣怏w。由于合金元素的偏析呈條帶狀分布,因此最終的顯微組織成為鐵素體和珠光體交替分布呈現帶狀分布特征,將對鋼板的性能產生影響。

4 實驗結果及分析

4.1 鋼板焊接時產生開裂

鋼板在使用過程中,某些需要焊接的部位出現了一些焊接裂紋,為了分析焊接裂紋產生的原因,截取金相樣品進行分析。經過金相檢驗,發(fā)現多數裂紋的裂紋源在鋼板厚度方向的心部,此處正是帶狀組織嚴重的區(qū)域,裂紋多數起源于帶狀組織中的珠光體區(qū)(見圖1)。分析認為,鋼板焊接是高線能量的快速加熱和冷卻過程,焊接完成后,焊縫的表面快速冷卻,體積收縮劇烈,而鋼板心部,冷卻相對較慢,體積收縮也相對較慢,產生體積變化差異,焊縫表面對焊縫厚度方向心部產生拉應力。同時由于鋼板心部帶狀組織較嚴重,碳和合金元素含量較高,穩(wěn)定了奧氏體,使焊縫和焊縫的熱影響區(qū)產生了較多的貝氏體和粒狀貝氏體,這些組織相韌性較差,在應力的作用下易在此處開裂,成為裂紋源,并最終形成起始于厚度方向心部的鋼板焊接裂紋。

圖1 焊接裂紋處帶狀組織

圖2 沖壓分層裂紋

4.2 鋼板沖壓開裂

鋼板在沖壓零件時,彎曲變形量大的部位多處產生了開裂現象(見圖2),從裂紋的宏觀形貌來看,裂紋多起源于鋼板的厚度方向心部,呈現分層的特征,而后裂紋再從心部分層處向鋼板表面擴展,產生多條二次裂紋直通鋼板表面,以至于從鋼板表面看形成多條大致垂直于沖壓變形方向的裂紋。截取金相試樣進行金相分析,發(fā)現鋼板沖壓彎曲變形較大的部位產生開裂,裂紋源也是起源于鋼板厚度方向心部帶狀組織較嚴重的區(qū)域(見圖3)。分析認為,鋼板沖壓過程中,鋼板受力產生變形,由于鋼板的顯微組織是由珠光體和鐵素體兩相組成,這兩相抵抗變形的強度和塑性變形能力是不同的。珠光體強度高,塑性變形差,鐵素體強度低,塑性變形好,所以它們的變形并不是完全均勻進行的,以鐵素體相為主的鋼延伸率可達到30%左右,而以珠光體相為主的鋼其延伸率一般在10%以下,所以當厚度方向心部存在較多帶狀組織的鋼板沖壓彎曲變形時,帶狀組織中的珠光體帶在局部變形超過10%左右時可能先產生局部裂紋,而心部其他兩邊的部分可以繼續(xù)進行塑性變形,使整個鋼板在沖壓應力作用下擴展成分層裂紋。當沖壓變形量繼續(xù)加大時,在分層裂紋的基礎上產生其他更多的二次裂紋,一直擴展到鋼板表面。

圖3 沖壓分層處帶狀組織

圖4 沖擊斷口形貌

4.3 沖擊斷口分離

鋼板在進行沖擊試驗時,發(fā)現這批帶狀組織嚴重的產品,其橫向和縱向沖擊功差值較大,而且沖擊功值比帶狀組織較輕產品的沖擊功低,沖擊斷口出現分離的現象(見圖4)。為此取兩種帶狀組織程度不同的產品進行系列沖擊試驗對比,取5支試樣的沖擊功平均值,帶狀組織較重的為A鋼,帶狀組織較輕的為B鋼。從表3系列沖擊的結果可以看出, A鋼縱向和橫向沖擊功差值大約為20焦耳左右,而B鋼縱向和橫向沖擊功差值大約為10焦耳左右,這說明帶狀組織嚴重加大了鋼板韌性的各向異性,不利于鋼板沖壓成型時各個方向上金屬的均勻流動和變形,加大了沖壓開裂的可能,惡化了鋼板的沖壓性能。試驗溫度在韌脆轉變溫度以上時,A鋼的沖擊功低于B鋼,試驗溫度在韌脆轉變溫度以下時,A鋼的沖擊功值略高于B鋼。截取沖擊斷口分離樣品進行金相分析和斷口分析。從圖4可以看出室溫斷口呈灰色纖維狀,斷口中部有分離裂紋,裂紋最大寬度大約為0.8 mm,剪切唇面積較小。產生的分離裂紋與鋼中帶狀組織的分布有很好的匹配性(見圖5),斷口分離裂紋幾乎都是沿著帶狀組織產生和擴展,可能是因為鐵素體和珠光體帶的薄弱界面利于裂紋的擴展。圖6顯示掃描電鏡下斷口纖維區(qū)微觀形貌為韌窩,部分韌窩中有夾雜物,分離面形貌在較高試驗溫度下由韌性纖維斷口、準解理斷口和解理斷口構成,-40℃以下全部為解理斷口。當試驗溫度在室溫附近時,發(fā)生的斷口分離主斷口主要為韌性纖維斷裂特征,在分離裂紋與主斷面的交界處有較多塑性變形區(qū),其微觀形貌呈現為韌窩特征。這可能是因為產生于韌性區(qū)的分離裂紋,在整個沖擊斷裂過程中,在主斷口形成之前就因為帶狀組織處的薄弱而先形成分離裂紋,然后再與起裂于缺口根部的主斷口匯合,然后發(fā)生整個沖擊試樣的斷裂,這相當于降低了整個試樣的有效厚度,降低了試樣沖擊功。當試驗溫度在韌脆轉變溫度以下時,發(fā)生的斷口分離使沖擊功增加,應該是分離裂紋吸收了部分沖擊功,增加了試樣的沖擊功值,文獻[1]的研究表明沖擊試樣的分離層數越多,沖擊曲線的上階能越低,在低溫下分離層數越多吸收能越高。文獻[2]的研究表明斷口分離可降低試樣的上階能,而且可使試樣的沖擊韌度隨溫度的下降速度減慢,加寬了過渡區(qū),并導致下平臺向低溫側移動,使韌脆轉變溫度降低。

表3 鋼的系列沖擊功值(J)

圖5 沖擊斷口分離處帶狀組織

圖6 沖擊斷口形貌

5 減輕帶狀組織的措施

由于鋼中帶狀組織嚴重造成上述質量問題,為了減輕鋼中的帶狀組織,在隨后的生產中采取了下列措施。

(1)在鋼的成分設計上,適當減少升高Ar3轉變溫度的硅元素和降低Ar3轉變溫度的錳元素,來減小枝晶內和枝晶間不同區(qū)域Ar3轉變溫度的差異。

(2)在連鑄工藝上,盡量保證鋼水的純凈度,合理地控制澆注溫度,降低過熱度,啟用電磁攪拌來打碎枝晶,增加結晶的形核核心,擴大等軸晶區(qū)面積,同時優(yōu)化二冷區(qū)冷卻水量,合理控制二冷速度,減少中心偏析。

(3)在制定軋鋼工藝時,增加鑄坯加熱時間,保證合金元素有一定的擴散時間,軋后快速冷卻,減少鋼中富溶質區(qū)轉變?yōu)橹楣怏w的量。

6 結論

(1)車輪用鋼產生焊接開裂、沖壓分層、沖擊斷口分離質量問題是因為鋼中帶狀組織較嚴重造成的。

(2)通過優(yōu)化成分設計和制定合理的鑄坯澆注溫度、冷卻制度以及軋后快冷可以減少鋼中的帶狀組織。

[1] 高惠臨.管線鋼—組織性能焊接行為[M].西安:陜西科學技術出版社,1995:36-38.

[2] 熊慶人,馮耀榮,霍春勇,等.X70管線鋼的斷口分離現象分析研究[J].機械工程材料,2005,29(12):21-25.

Influence of Banded Structure on Mechanical Property of Automobile Wheel Steel

TIAN Yuwei
(Technical Center of Benxi Iron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Benxi 117000,Liaoning,China)

The influence of banded structure on mechanical property of automobile wheel steel is analysed in this article.The serious banded structure in steel will cause welding crack,punching layered and separation impact fracture. It is described briefly that reducing banded structure by optimization chemical composition design,casting temperature and cooling rate.

banded structure,welding crack,punching layered,separation impact fracture

TG113

A

1001-5108(2017)03-0040-03

田玉偉,研究生,高級工程師,從事金相分析工作。