汽車大梁鋼成型開裂的原因分析

楊成鑫

（廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門 361102）

我國制造業(yè)在快速的發(fā)展，沖壓鈑金件的復雜性和可變性越來越大。汽車大梁鋼主要應用于重卡汽車底盤上的縱梁、襯梁、橫梁以及前后車橋等結構件，這些部件在汽車行駛過程中幾乎承載了貨物的全部重量，其綜合性能對整車的行駛安全和使用壽命至關重要[1]。沖壓后的縱梁形狀簡單，一般采用槽鋼或U形梁，除了一般的機械性能外，還對寬冷彎工藝性能要求很高。因為橫梁和加強筋比桁條更復雜，因此在沖壓過程中它們更容易破裂。不合理的材料選擇和原材料質量的波動往往都會導致了沖壓的時候出現(xiàn)了裂縫，這樣會給加工的企業(yè)以及材料的供應商帶來一定的經濟損失。所以，我們從原材料的鑄造工藝進行有效分析，并實施有效的工藝改進措施，使得原材料從冶金質量上更上一層，最終達到所需的使用要求。

1 化學成分及顯微組織的分析

1.1 化學成分的分析

我們以低碳、高錳和適宜的鈦微合金化復合設計方案用于汽車大梁鋼的冶煉。其中，適當?shù)卦黾渝i含量以補償由低碳含量引起的抗拉強度的降低。通過一定分析，發(fā)現(xiàn)化學成分滿足國標GB/T3273-2005的要求。

1.2 組織和夾雜物的分析

利用光學顯微鏡對大梁鋼的組織、帶狀組織和夾雜物進行分析，結果表明，顯微組織為鐵素體（F）+珠光體（P），珠光體體積分數(shù)為10%，晶粒度為10.5級，心部帶狀組織為1.0級，非金屬夾雜物屬于脆性夾雜，且略高于正常的水平，這樣會引起在變形過程中因為變形不協(xié)調而增加開裂的幾率[2]。為能夠解決到沖壓裂紋這個問題，必須控制夾雜物的形成，加強夾雜物的去除，從鐵水預處理、一次轉爐冶煉、LF爐冶煉到連鑄。

2 各工序夾雜物的控制

從熔融鐵預處理，轉爐初級冶煉再到LF爐精煉到連鑄等每道工序都必須要經過嚴格的精細管理，任何鏈接的任何偏差都可能導致最終產品中的雜質過多。

2.1 鐵水預處理

在汽車梁鋼冶煉過程中，對熱處理和LF爐精煉進行了脫硫處理。在預處理的時候，采用噴施鈍化鎂顆粒的工藝然后進行脫硫。脫硫目標值＜0.015%。因為脫硫渣不易從鐵水中析出，將的爐渣骨料分散在鐵水上，使脫硫渣變厚。嚴格的結渣操作，生產出符合沖壓要求的鋼材。鐵預脫硫后刮渣，盡可能刮渣，防止硫的返回?？梢詼p輕低頻爐的負荷，減少夾雜物的來源，縮短精煉過程中的脫硫時間，使精煉鋼中漂浮夾雜物能夠在更短的時間內被去除[3]。

2.2 轉爐脫磷

脫磷是轉爐冶煉中的一個難題。如果脫磷操作不符合標準的話，會導致礦渣中氧化鐵含量變高，鋼水中氧含量也增加。吹制后加入脫氧劑需要從鋼中去除氧。當使用鋁基脫氧劑時，脫氧產物如果沒有被很好地去除，仍然還留在鋼夾的雜物里面。轉爐冶煉的時候，爐渣的含氧量會高過鋼。只有當最終渣中氧化鐵含量降低時，才能降低最終鋼液中的氧含量。為能夠降低到鋼里面的夾雜物含量，能有效地脫磷，轉爐冶煉的時候應該采取以下措施：一是這一過程中要適當增加石灰的用量，每爐優(yōu)質石灰添加量由5t增加到6t，每爐鋼添加量約為150t，石灰采用蒸汽窯石灰，它的活性高，結渣快；二是要依據(jù)渣鋼界面脫磷反應動力學原理，只有劇烈攪拌熔池，形成泡沫渣，才能快速進行脫磷[4]。轉爐初始熔化溫度要低于1400℃，在此條件下應進行脫磷，并且滿足以下幾種情況：

首先在有碳的情況下脫磷：通過鋼中碳和氧反應形成的CO對金屬熔池有著極為強烈的攪拌作用，并且爐渣與鋼完全接觸，這增加了爐渣與鋼之間的反應界面，并且可以有效地脫磷。

其次全程底吹：底吹的主要目的是為能夠促進攪拌，然后增加爐渣和鋼倆者之間的反應界面，在加快反應之后，可以起到快速脫磷的效果，這樣才能夠降低到爐渣里面氧化鐵的含量。

最后在完成轉爐冶煉終點測溫取樣檢測，我們通過轉爐煉鋼的自動化、爐渣檢測等的新技術的應用，可以為低碳汽車大梁鋼的穩(wěn)定生產提供保證。采用轉爐自動煉鋼的系統(tǒng)，在進行轉爐冶煉的時候，使得合格率變成93%，氧含量（鋼水的含氧量）平均值為550×10-6，同時減少了鋼液中還原劑和夾雜物的來源。另外，在大約3min的送樣、制樣、檢測時間里，我們需要利用好這段時間來進行底吹強攪拌的操作，因為鋼水流動的強烈沖擊和攪拌作用，令脫氧產物充分的團聚、碰撞、生長和懸浮。

2.3 LF爐精煉工序

通過電極加熱精細調節(jié)鋼水的成分和溫度可以為連續(xù)鑄造提供合適的過熱鋼。LF爐電極在加熱鋼渣前采用埋弧加熱，避免鋼水的暴露。加熱時間越長，暴露的表面積越大，氧化的可能性越大。加強到對生產的組織以及管理，轉爐鋼的時候一定要使用連續(xù)使用的清潔鋼包，轉爐鋼的時候要能夠及時的升級到煉鋼廠，還要禁止使用爐溫過高的情況，加熱的時間會過長，LF爐精煉還可以使堿性還原渣脫硫。我們依據(jù)鋼水的硫含量，確定在鋼包渣表面加入鋁粉和石灰的量。LF爐具有很強的脫硫能力，但當鋼中含有高硫的時候，精煉過程中加入的鋁量會相應增加，導致氧化鋁夾雜物增加。在進行熱軋鋼板生產的時候，脫硫的任務可以轉移到熱軋的處理，從而減少帶夾雜物的來源。LF爐在精煉后期為鈣生產線提供原料，在通過鈣處理將高熔點夾雜物轉化為浮動的低熔點夾雜物。在用鈣處理鋼水之后，以低流速將氬氣泵入鋼包中8min，以使夾雜物完全漂浮。

2.4 連鑄工序

在連鑄過程中對中間包鋼液應控制在高水平。依據(jù)中間包中鋼液的重量，中間包中鋼液的重量為t（40±2）。在正常的鑄造的時候，中間包中鋼水的重量要求在33t以上才能改變中間包，以保證鋼中的夾雜物進入中間包中涂層劑的浮動，這些液位的增加，能夠使得鋼中的夾雜物含量趨于穩(wěn)定。另外，針對連鑄過程中形成的大型夾雜物的控制，既要保證連鑄工序中拉速的穩(wěn)定，也要控制澆注時液面的平穩(wěn)。

此外，針對連鑄連軋過程中的冷軋過程也要進一步控制。在冷軋中退火產生的粗晶通常是由軋制過程中冷塑性變形的不均勻或臨界變形引起的。一般來說，隨著變形程度的增加，晶粒尺寸從大到小逐漸減小，但晶粒尺寸有兩個變形峰，即兩個微晶區(qū)。第一個大顆粒區(qū)域稱為臨界變形區(qū)域，這是一個小的變形范圍。由于低變形和低成核，臨界變形區(qū)中的粗晶體通過消耗周圍的變形晶胞而生長。當變形大于臨界變形時，在金屬內發(fā)生塑性變形，導致再結晶，因此，可以通過重結晶獲得細晶粒。而當變形足夠大時，可能發(fā)生第二大顆粒區(qū)域。第二大晶粒區(qū)域通常被稱為具有大粒徑的晶粒結構，其中每個晶體表面上的多個金屬粒子被布置成具有足夠的變形方向變形，稱為變形織構和再結晶退火。在具有變形織構的材料上，再結晶后的晶粒取向基本上與原始變形織構相同。

該取向的再結晶結構通常被稱為具有顆粒的大顆粒。分析了材料的力學性能和裂紋附近樣品的微觀結構。因為混晶現(xiàn)象僅出現(xiàn)在鋼的表面，混晶層非常薄，對鋼的強度影響不大，但對加工影響很大。依據(jù)SMT的公式，鋼強度與晶粒尺寸呈線性關系，晶粒越細的話，強度就會越高。因此，當混合晶體鋼在冷彎曲期間變形的時候，粗晶粒率低并且開始發(fā)生位錯轉移機制。但是細晶粒不會屈服，并且位錯滑動機構不會打開。此時，當位錯在粗粒和細粒之間滑動晶界的時候，它會被阻擋開來，這種不匹配的變形導致晶粒間應力集中的加劇，導致粗晶粒開裂，從而材料斷裂。因此，在冷軋的塑性變形過程中我們要控制好變形量，以免在連鑄連軋過程中產生開裂現(xiàn)象。

3 結語

要解決汽車梁沖壓裂紋問題的話，最關鍵的點是要控制好鋼中夾雜物含量，鋼中的夾雜物控制是一項系統(tǒng)工程。在鐵水預處理再到轉爐冶煉和精煉到連續(xù)鑄造，每個過程都必須要精細的操作。任何環(huán)節(jié)中的偏差都可能導致過量的夾雜物含量，從而導致產品的沖壓開裂。此外，還要注意冷軋的影響，保證合適的變形量對鋼的基礎性能也起到良好的保護作用。