沖焊橋殼用鋼板常見缺陷原因分析

梁文 劉永前 胡俊 魏兵

寶鋼股份中央研究院武漢分院 湖北武漢 430080

1 前言

車橋作為商用車三大總成之一——底盤系統(tǒng)的重要組成部分，近年來越來越受到重視。特別是本世紀(jì)以來，車橋結(jié)構(gòu)、車橋用材、車橋加工工藝等均得到長(zhǎng)足發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)各車橋生產(chǎn)企業(yè)基本上形成了專業(yè)化、系列化、批量化生產(chǎn)的局面，朝著輕量化、大扭矩、低噪聲、寬速比、壽命長(zhǎng)和低生產(chǎn)成本的方向發(fā)展[1]。

汽車驅(qū)動(dòng)車橋作為汽車的主要傳力件和承載件，與從動(dòng)橋共同支承車架及其上的各種質(zhì)量，并承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩。驅(qū)動(dòng)橋殼又是主減速器、差速器及驅(qū)動(dòng)車輪傳動(dòng)裝置的外殼，因而驅(qū)動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)汽車在路面行駛，受到交變負(fù)荷的作用，且運(yùn)行地域廣，溫差大，因此要求車橋還應(yīng)具有良好的韌性以及疲勞壽命[2,3]。

開發(fā)熱軋沖壓橋殼專用鋼曾被列為國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，以滿足我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展的需求[4]。目前我國(guó)汽車行業(yè)已廣泛使用12～20 mm厚度的熱軋橋殼鋼板制作沖焊橋殼體，取代制作工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率偏低、笨重、成本較高的鑄造橋殼體［4，5］。沖焊橋殼是由鋼板沖壓成形后，再經(jīng)焊接、整形而成，在使用過程中它要承受車架及車架以后的總成質(zhì)量。因此，橋殼用鋼應(yīng)兼?zhèn)鋸?qiáng)度高、冷彎和拉延成形性能好、韌性高及焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)[6，7]。目前我國(guó)生產(chǎn)沖焊橋殼用鋼的企業(yè)有武鋼有限、寶鋼、首鋼、攀鋼及濟(jì)鋼等。

然而，目前市面上仍存在采用普碳鋼或大梁鋼來制作沖壓橋殼的現(xiàn)象，造成鋼板的熱加工性能和成形性能差、表面質(zhì)量差、廢品率高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等不良后果。本文通過對(duì)沖壓橋殼存在的常見缺陷進(jìn)行研究，對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

2 缺陷現(xiàn)象

2.1 熱加工性能差

沖焊橋殼的沖壓工藝分為熱沖壓和冷沖壓工藝。熱沖壓工藝要求鋼板在中頻感應(yīng)爐中加熱到800 ℃左右，然后進(jìn)行沖壓，沖壓后空冷。熱沖壓工藝成型壓力小、尺寸精度高、疲勞性能好，因此得到了廣泛應(yīng)用。因?qū)Σ牧闲阅懿皇煜?，大部分用戶僅對(duì)鋼板進(jìn)行入廠檢驗(yàn)，而熱沖壓后鋼板力學(xué)性能下降幅度很大，導(dǎo)致熱沖壓后鋼板的力學(xué)性能遠(yuǎn)低于要求值。沖壓前后鋼板力學(xué)性能變化如圖1所示。

圖1 熱沖壓前后鋼板力學(xué)性能變化圖

由圖1可知，1#試樣熱沖壓前后強(qiáng)度變化值很小，不到10 MPa；而2#試樣在熱沖壓后，屈服強(qiáng)度下降了149 MPa，抗拉強(qiáng)度下降了162 MPa，導(dǎo)致性能不能滿足抗拉強(qiáng)度Rm≥510 MPa的要求。

2.2 鋼板表面開裂

表面開裂是沖焊橋殼鋼板常見的表面質(zhì)量缺陷，常出現(xiàn)在成型后鋼板的表面。這些裂紋沿鋼板軋制方向擴(kuò)展，長(zhǎng)度呈數(shù)毫米至數(shù)厘米不等，深度較淺。缺陷處的鋼板有起皮現(xiàn)象，在彎角處開裂嚴(yán)重，鋼板甚至被撕開。此缺陷一般呈批量發(fā)生，在鋼板上密集出現(xiàn)，如圖2、3所示。

圖2 起皮缺陷照片

圖3 冷彎處撕開的缺陷照片

2.3 鋼板邊部開裂

鋼板邊部開裂僅出現(xiàn)在冷沖壓工藝中。成型后的鋼板在距軸管端約250 mm處的邊部起裂，并沿橫向擴(kuò)展，如圖4所示。裂紋寬度約10 mm，長(zhǎng)度達(dá)50 mm，這種缺陷貫穿鋼板，發(fā)生概率較低，一旦發(fā)生，零件只能報(bào)廢。

圖4 邊部開裂照片

2.4 鋼板翹曲

橋殼鋼板采用等離子設(shè)備切割下料成料片后，部分料片發(fā)生翹曲，翹曲量高達(dá)20 mm/1 700 mm，如圖5所示。導(dǎo)致料片無法進(jìn)入中頻感應(yīng)爐進(jìn)行加熱，需二次矯直后才能進(jìn)行生產(chǎn)。

圖5 料片翹曲照片

3 原因分析及改進(jìn)措施

3.1 熱加工性能差

沖焊橋殼用鋼目前有低碳（≤0.12 wt%）和中碳含量（0.12～0.18 wt%）兩種成分體系。低碳含量鋼中一般添加鈮鈦等微合金元素，采用控軋控冷工藝進(jìn)行控制，充分發(fā)揮細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化，甚至是組織強(qiáng)化等強(qiáng)化方式來提高鋼板的力學(xué)性能。中碳含量鋼中一般添加高硅、高錳含量，通過固溶強(qiáng)化來實(shí)現(xiàn)鋼板的高強(qiáng)化。在熱沖壓的加熱工序中，細(xì)晶、組織和析出強(qiáng)化都會(huì)弱化，但固溶強(qiáng)化的效果仍然會(huì)保留，這就是1#試樣熱沖壓前后強(qiáng)度下降幅度小的原因。從1、2#組織的金相照片可看出，熱加工處理前后，1#試樣的晶粒度和組織類型均相同，且珠光體量也相同，唯一的區(qū)別是珠光體帶狀組織有所減緩，如圖6所示。而熱加工后的2#試樣，晶粒度略有增大，但珠光體的量明顯減少，如圖7所示。這種珠光體帶狀和量變化的原因是熱加工過程中，碳原子擴(kuò)散所致[8]。 因此對(duì)于熱沖壓工藝來說，必須選擇具有良好熱加工性能的橋殼鋼。

圖6 1#試樣金相組織

圖7 2#試樣金相組織

3.2 鋼板表面開裂

對(duì)鋼板表面存在裂紋的部位取樣分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 起皮缺陷分析照片

由圖8可知，起皮處裂紋深約50 μm，斜向下擴(kuò)展，并最終與板面方向平行。裂紋尖端存在明顯的高溫氧化圓點(diǎn)，這是在熱軋加熱爐中氧化所致[9]，說明鑄坯表面在進(jìn)加熱爐前已存在缺陷，在軋鋼加熱過程中氧化導(dǎo)致。由于這些缺陷較淺，熱軋時(shí)被軋合，很難被發(fā)現(xiàn)。在鋼板的后續(xù)成型過程中，這些軋合的裂紋在外力作用下重新被撕開，導(dǎo)致鋼板表面形成起皮缺陷。若這些缺陷位于冷彎處，則會(huì)進(jìn)一步撕開成大裂口。由于這些缺陷在連鑄過程產(chǎn)生，因此在鋼板表面成片出現(xiàn)。

由于這種缺陷是在連鑄過程產(chǎn)生，因此需加強(qiáng)對(duì)連鑄工藝控制、連鑄坯下線檢查與清坯處理、鋼板成品表面檢查，減少此類缺陷發(fā)生。同時(shí)在車橋生產(chǎn)環(huán)節(jié)，一旦發(fā)現(xiàn)鋼板表面起皮開裂，應(yīng)增加對(duì)料片的表面檢查，并將存在微裂紋的試樣進(jìn)行拋丸處理后再進(jìn)行成型加工。

3.3 鋼板邊部開裂

對(duì)邊部開裂部位取樣進(jìn)行缺陷分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，鋼板邊部存在厚度約100 μm的馬氏體組織（圖9a中白色區(qū)域），且馬氏體開裂嚴(yán)重（圖9b）。與馬氏體相鄰部位的基體組織為鐵素體+珠光體，考慮到用戶采用的等離子切割為熱切割方式，應(yīng)該與切割后冷速過快有關(guān)。采用AUTOFORM軟件對(duì)橋殼鋼沖壓成型過程進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖10所示。圖10中箭頭處是材料應(yīng)變最大的區(qū)域，該區(qū)域最易開裂，與材料實(shí)際開裂部位相對(duì)應(yīng)（圖4）。鋼板采用等離子切割，冷速過快會(huì)導(dǎo)致邊部產(chǎn)生馬氏體，馬氏體組織的強(qiáng)度高，變形效果差，加大了材料開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 邊部開裂缺陷分析照片

圖10 車橋沖壓成型云圖

因此鋼板切割的邊部質(zhì)量對(duì)其成型性能有很大影響。切割時(shí)應(yīng)優(yōu)化切割工藝、降低切割后鋼板的冷卻速率來改善切割邊質(zhì)量，也可在形變區(qū)域大的部位留取一定的加工余量，采用手工打磨方式將鋼板邊部表層的馬氏體去除，以提高鋼板的成型性能。

3.4 鋼板翹曲

下料后料片瓢曲與高強(qiáng)鋼鋼板的殘余內(nèi)應(yīng)力有很大關(guān)系，而殘余內(nèi)應(yīng)力又與熱應(yīng)力和組織應(yīng)力相關(guān)。內(nèi)應(yīng)力主要包括兩個(gè)方面[10]： a. 冷卻過程中，鋼板表面與芯部冷卻速度不同形成溫度差，而使其體積收縮不同產(chǎn)生熱應(yīng)力；b. 鋼板冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變伴隨有體積膨脹，因鋼板截面上各處轉(zhuǎn)變的先后順序不同，從而在鋼板內(nèi)部產(chǎn)生組織應(yīng)力。鋼板變形就是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力共同作用的結(jié)果。此外，熱連軋后鋼卷在精整時(shí)開平，若施加的精整力不均勻，同樣會(huì)導(dǎo)致殘余內(nèi)應(yīng)力加大，因此軋鋼工藝和精整工藝對(duì)鋼板的內(nèi)應(yīng)力有很大影響。要求高板型鋼板的熱沖壓工藝，必須采用消應(yīng)力退火鋼板或中厚板產(chǎn)線生產(chǎn)的鋼板，它們可將下料后料片的翹曲量控制在≤1 mm/1700 mm，若翹曲量可放寬至≤5 mm/1700 mm，則可采用低內(nèi)應(yīng)力的開平鋼板[11]。

4 結(jié)語

a. 細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和組織強(qiáng)化得到的橋殼鋼，在熱加工過程中強(qiáng)度下降幅度大；固溶強(qiáng)化為主的橋殼鋼，具有良好的熱加工性能；

b. 連鑄過程產(chǎn)生的鑄坯表面缺陷會(huì)導(dǎo)致橋殼鋼板在成型過程中產(chǎn)生表面起皮缺陷，部分缺陷深度約為50 μm，可通過拋丸工藝來消除；

c. 采用等離子切割方式下料，可能會(huì)因冷速過快導(dǎo)致橋殼鋼板切割邊部出現(xiàn)馬氏體組織；冷成型過程中，這些馬氏體會(huì)成為開裂起源點(diǎn)，可通過優(yōu)化切割工藝和打磨切割邊部來提高鋼板的成型性能；

d. 料片翹曲與鋼板的殘余內(nèi)應(yīng)力有關(guān)，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力是引起鋼板的殘余內(nèi)應(yīng)力的主要原因；同時(shí)精整工藝不合理，也會(huì)惡化這種缺陷。

用戶在選材的過程中，應(yīng)根據(jù)自身的工藝特點(diǎn)和工藝裝備選擇合適的材料。如熱沖壓工藝，必須選擇熱加工性能好的材料；中頻感應(yīng)爐爐膛小的生產(chǎn)設(shè)備，必須選擇中厚板或消應(yīng)力退火鋼板；而對(duì)于橋殼成型過程中出現(xiàn)的缺陷，需要對(duì)具體問題具體分析，不能一概而論。