熱軋酸洗低碳鋼成形缺陷分析

供稿|袁亮，孫忠斌，王旭生 / YUAN Liang, SUN Zhong-bin, WANG Xu-sheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

通過(guò)金相組織分析和掃描電鏡斷口分析，結(jié)合用戶(hù)反饋的熱軋酸洗低碳鋼SPHD制作車(chē)輪輪輞后開(kāi)裂的現(xiàn)象，找到了引起開(kāi)裂的原因：精軋期間，熱軋酸洗板因終軋溫度過(guò)低，軋制過(guò)程中發(fā)生γ→α轉(zhuǎn)變，從而形成混晶缺陷，影響了鋼板的成形性能，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輪制作過(guò)程的復(fù)雜變形，在輪輞成形過(guò)程中形成初始裂紋，并隨著車(chē)輪加工過(guò)程逐步擴(kuò)展?？紤]表面質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)工藝的要求，采用綜合優(yōu)化措施改善熱軋酸洗板邊部混晶問(wèn)題，優(yōu)化后軋制邊混晶缺陷明顯改善。

熱軋酸洗板是以?xún)?yōu)質(zhì)的熱軋板卷為原料，在酸洗機(jī)組上，主要經(jīng)酸洗去掉帶鋼表面的氧化鐵皮、切邊、平整及涂油等工序處理后得到的熱軋酸洗板卷，除作各類(lèi)冷軋板帶產(chǎn)品、熱鍍鋅產(chǎn)品以及焊管產(chǎn)品的原料鋼卷外，還能直接用作各類(lèi)商品鋼材，用途廣泛[1]。隨著熱軋酸洗產(chǎn)線(xiàn)的精益求精，熱軋酸洗產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升，熱軋酸洗產(chǎn)品已成為一種生產(chǎn)汽車(chē)零部件的備選原料，而不再作為替代用品使用。熱軋酸洗產(chǎn)品在汽車(chē)行業(yè)廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車(chē)大梁、橫梁、縱裂、座椅滑軌、車(chē)輪、剎車(chē)閘套等。

SPHD為熱軋酸洗低碳鋼，因其碳含量較低，深沖性能良好，主要應(yīng)用于沖壓零件，也應(yīng)用于車(chē)輪輪輞。輪輞制造主要包括下料、閃光焊、刨渣、擴(kuò)口、輥壓成型、擴(kuò)漲等工序[2]。焊后擴(kuò)口、擴(kuò)漲開(kāi)裂是輪輞用鋼常見(jiàn)問(wèn)題[3]，但此次輪輞開(kāi)裂處距離焊縫有一定的距離，通過(guò)研究分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂原因主要為軋制邊混晶。混晶造成軋制邊強(qiáng)度和速度降低，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輪輪輞的成形要求，在輪輞制作過(guò)程中出現(xiàn)初始微裂紋，在擴(kuò)口、擴(kuò)漲的過(guò)程中裂紋不斷擴(kuò)展，形成較大的宏觀(guān)裂紋。針對(duì)此問(wèn)題提出了綜合性改進(jìn)措施，實(shí)施后效果較好，軋制邊混晶區(qū)域控制在10 mm以?xún)?nèi)，酸洗切邊后清除。

SPHD開(kāi)裂缺陷

輪輞開(kāi)裂位置

車(chē)輪輪輞樣品易出現(xiàn)開(kāi)裂的區(qū)域靠近焊縫，但不在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)；裂口與輪輞邊緣垂直，大多裂口較小，個(gè)別裂口較大，深度可達(dá)10 mm，開(kāi)口寬可達(dá)5 mm，如圖1所示。

輪輞開(kāi)裂缺陷對(duì)應(yīng)鋼板的位置

SPHD熱軋酸洗鋼卷先在剪切線(xiàn)切成定尺板，然后縱切成6塊1120 mm×213 mm鋼板作為制作車(chē)輪輪輞的原料；縱切的6塊細(xì)長(zhǎng)的鋼板中，中間4塊制作的車(chē)輪質(zhì)量良好，而兩個(gè)軋制邊的鋼板易出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷，示意圖如圖2所示。

樣品檢測(cè)

取車(chē)輪輪輞開(kāi)裂處試樣作斷口分析，檢測(cè)內(nèi)容包括掃描電鏡斷口檢測(cè)和金相顯微組織檢測(cè)。軋制邊為易出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷的位置，可能因軋制邊存在質(zhì)量缺陷而引起成形時(shí)開(kāi)裂，因此，在鋼板軋制邊和非軋制取樣，進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

輪輞開(kāi)裂處掃描電鏡檢測(cè)

對(duì)輪輞開(kāi)裂斷口進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，斷口為韌性斷口，呈拋物線(xiàn)韌窩和等軸韌窩形貌，韌窩處未見(jiàn)較大的非金屬夾雜物，且開(kāi)裂起始位置沒(méi)有找到異常的非金屬夾雜物，如圖3所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果初步排除了非金屬夾雜物引起開(kāi)裂的原因。

輪輞開(kāi)裂處金相顯微組織檢測(cè)

在輪輞開(kāi)裂處切取金相試樣，磨平，拋光，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后在光學(xué)顯微鏡觀(guān)察組織，如圖4所示。

從圖4可以看出，輪輞開(kāi)裂處的顯微組織主要為鐵素體，但鐵素體的大小不均勻，試樣厚度方向表面(對(duì)應(yīng)軋制面)中基本為短軸尺寸20～50 μm、長(zhǎng)軸尺寸50～100 μm的鐵素體，此類(lèi)鐵素體有同方向扁長(zhǎng)的特點(diǎn)，有少量10～20 μm的多邊形鐵素體；試樣厚度方向心部組織中，同方向扁長(zhǎng)的鐵素體減少，10～20 μm的多邊形鐵素體增多。

鋼板金相顯微組織檢測(cè)

在鋼板軋制邊和非軋制邊分別切取金相試樣，磨平，拋光，用4%硝酸酒精溶液侵蝕后在光學(xué)顯微鏡觀(guān)察組織，鋼板軋制邊的組織與輪輞開(kāi)裂處顯微組織一樣，非軋制邊的顯微組織如圖5所示。

從圖5可以看出，鋼板非軋制邊的顯微組織主要為鐵素體，試樣厚度方向表面(對(duì)應(yīng)軋制面)中明顯分為兩種不同的鐵素體，一種鐵素體距離軋制表面0～200 μm、且同方向扁長(zhǎng)，短軸尺寸15～30 μm、長(zhǎng)軸尺寸40～80 μm；另一種鐵素體距離軋制表面＞200 μm，為晶粒尺寸10～20 μm的多邊形鐵素體。試樣厚度方向心部組織均為10～20 μm的多邊形鐵素體。

原因分析

由于車(chē)輪輪輞制作成形復(fù)雜，擴(kuò)口和擴(kuò)漲的工序最易出現(xiàn)缺陷，對(duì)原料的成形性能、塑性等指標(biāo)要求嚴(yán)格，因此輪輞用鋼除強(qiáng)度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)外，其組織均勻性、組織變形協(xié)調(diào)性也要達(dá)到成形的要求。

車(chē)輪輪輞開(kāi)裂處組織為粗大的鐵素體、細(xì)小的鐵素體和微量珠光體的混合組織，輪輞開(kāi)裂處與鋼板軋制邊組織一樣，而非軋制邊的組織僅軋制面存在200 μm深的粗大鐵素體，其余位置主要為10～20 μm的多邊形鐵素體，因此開(kāi)裂處位于鋼板軋制邊。由于軋制邊粗大的鐵素體、細(xì)小的鐵素體形成混晶狀態(tài)，使鋼板的強(qiáng)度和塑性明顯下降，在輪輞加工成形的過(guò)程中，混晶區(qū)域易先斷裂，形成初始微裂紋，隨著輪輞復(fù)雜的加工成形過(guò)程不斷擴(kuò)大，最終擴(kuò)展成肉眼可見(jiàn)的裂口。當(dāng)制作輪輞的鋼板沒(méi)有軋制邊時(shí)，鋼板的組織主要為細(xì)小的多邊形鐵素體，組織變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，適于復(fù)雜變形，即便軋制面存在一定的粗大晶粒，仍然能滿(mǎn)足變形要求。

根據(jù)掃描電鏡分析結(jié)果分析，車(chē)輪輪輞開(kāi)裂為拉裂斷口、非夾雜物等缺陷引起，并且結(jié)合金相顯微組織，可以判斷輪輞開(kāi)裂主要由于混晶造成。

熱軋酸洗低碳鋼SPHD軋制邊混晶主要為精軋期間軋制邊溫度低于γ→α相變溫度，組織提前轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體并迅速長(zhǎng)大，晶粒組織較為粗大，且在隨后的軋制過(guò)程中被拉長(zhǎng)，呈同向扁長(zhǎng)狀態(tài)。熱軋酸洗低碳鋼SPHD生產(chǎn)過(guò)程中需要考慮除鱗效果，受除鱗水降溫的影響，軋制邊和軋制面的問(wèn)題均較低，因此出現(xiàn)軋制邊和軋制面混晶，其余位置不混晶。

優(yōu)化措施及效果

熱軋酸洗低碳鋼SPHD中合金元素很少，因此其γ→α相變溫度較高。解決SPHD混晶的問(wèn)題，最為有效的措施是提高終軋溫度，避免鋼板出現(xiàn)低溫區(qū)而組織轉(zhuǎn)變。但熱軋酸洗低碳鋼SPHD的生產(chǎn)工藝大幅降低了溫度，很難實(shí)現(xiàn)較高的終軋溫度，因此采用針對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的軋制邊實(shí)施綜合性?xún)?yōu)化措施：①少量提高終軋溫度；②加強(qiáng)側(cè)噴水，避免中間坯在除鱗過(guò)程中水對(duì)軋制邊溫度的影響；③投入精軋前保溫罩，提高中間坯溫度；④弱化兩邊部水嘴的噴水強(qiáng)度。

通過(guò)采取以上優(yōu)化措施，生產(chǎn)的熱軋酸洗低碳鋼SPHD混晶影響使用的問(wèn)題得到了有效的解決。僅有距離軋制邊10 mm以?xún)?nèi)的區(qū)域存在混晶缺陷，但酸洗生產(chǎn)時(shí)切邊后完全切除，不影響用戶(hù)使用。軋制面的混晶層減少到150 μm以?xún)?nèi)，晶粒差異進(jìn)一步提高了組織均勻性，如圖6所示。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 熱軋酸洗低碳鋼SPHD制作車(chē)輪輪輞開(kāi)裂的主要原因?yàn)檐堉七吇炀А?/p>

(2) 考慮表面質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)工藝的要求，采用綜合優(yōu)化措施改善邊部混晶問(wèn)題，優(yōu)化后軋制邊混晶區(qū)域控制在10 mm以?xún)?nèi)，軋制面混晶層減少到150 μm以?xún)?nèi)。