700 MPa級大梁鋼輥壓成形開裂分析

李智慧，馬 聰，王 堯

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

隨著近年來我國關(guān)于治超治限法規(guī)的持續(xù)嚴(yán)格實(shí)施，商用車輕量化要求逐步提高，鋼鐵材料特別是高強(qiáng)鋼仍是研究重點(diǎn)。商用車縱梁、橫梁是整車重量的重要組成部分，由于輕量化的需求，越來越多的主機(jī)廠采用700 MPa級高屈服強(qiáng)度大梁鋼替代傳統(tǒng)的500 MPa級大梁鋼，在滿足產(chǎn)品性能提升的前提下，達(dá)到減重的目的。重型卡車車架采用高強(qiáng)鋼單層梁結(jié)構(gòu)可減重20%～35%，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)可達(dá)到提高安全性能的目的。

700 MPa級大梁鋼是近年來各大鋼廠開發(fā)的針對商用車大梁的一個(gè)重要產(chǎn)品，主要用來生產(chǎn)中重卡車縱梁。但下游客戶在批量使用該產(chǎn)品一段時(shí)間后偶發(fā)開裂現(xiàn)象，經(jīng)過對開裂材料斷口觀察及材料解剖分析，探討了某批次開裂的主要原因，并提出了相應(yīng)的整改措施。

1 開裂形貌

客戶生產(chǎn)工藝為熱卷開卷—拋丸—連續(xù)縱切分卷—連續(xù)輥壓成形—橫切。針對開裂材料進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，該批次材料在縱切分卷后已經(jīng)存在邊部裂紋，輥壓成形后在R角處部分出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如圖1所示。筆者從材料本身出發(fā)，采用微觀組織觀察、斷口掃描、力學(xué)性能測試、低倍分析等方法展開分析。

2 分析方法

對開裂大梁鋼進(jìn)行現(xiàn)場取樣，采用數(shù)控電火花切割機(jī)對斷口取樣，利用火花放電原子發(fā)射光譜儀進(jìn)行成分檢測，斷口微觀形貌在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，拉伸試驗(yàn)在Z600拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用光學(xué)顯微鏡對組織、夾雜及裂紋源進(jìn)行光學(xué)分析。

3 檢測結(jié)果

3.1 斷口形貌

3.1.1 斷口宏觀觀察

U型梁開裂如圖2所示，為縱梁端部R角處開裂，外側(cè)裂紋長33 mm，內(nèi)側(cè)裂紋長12 mm，從開裂斷口形貌觀察受力情況及尺寸，開裂裂紋由U型梁外側(cè)端部開裂，向內(nèi)側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展。分條邊部質(zhì)量較差，出現(xiàn)起皮粗糙形貌。

3.1.2 斷口微觀觀察

通常，在輥式連續(xù)冷彎成形過程中只有彎曲變形，除板料彎曲角局部有輕微減薄外，變形材料的厚度在成形過程中基本保持不變，最大變形部位在彎曲角部位。

圖3為U型梁裂紋起裂處微觀形貌。通過掃描電鏡對斷口進(jìn)行觀察，圖3(a)處，靠近分條邊部主要是韌窩形貌，為裂紋源；圖3(b)處形貌主要為韌窩夾含有微裂紋的擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展相對較慢；圖3(c)處為快速解理區(qū)。在主裂紋附近處未發(fā)現(xiàn)孔洞、疏松等缺陷。

3.2 開裂部位檢測結(jié)果

3.2.1 成分

通過對開裂的零件取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，儀器為直讀光譜儀，結(jié)果如表1所示。產(chǎn)品化學(xué)成分控制滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 力學(xué)

通過對開裂的零件取樣進(jìn)行拉伸檢測，結(jié)果如表2所示，產(chǎn)品力學(xué)性能合格，圖4為拉伸斷口形貌。冷彎R角均無明顯開裂、裂紋。但從拉伸斷口形貌看，在板厚中間出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

3.1.3 低倍分析

為探尋零件開裂原因，對靠近U型件開裂部位橫向取樣進(jìn)行低倍分析，如圖5所示。低倍結(jié)果顯示U型件底部中心部位未開裂一側(cè)經(jīng)酸洗后存在輕微的偏析、分層現(xiàn)象。

3.1.4 組織形貌及夾雜物

圖6為未開裂位置板厚中心、1/4處金相組織示意圖。可以看出未開裂位置處顯微組織為超細(xì)小多邊形鐵素體+珠光體+細(xì)小碳化物，晶粒度為11.5。

圖7(a)為開裂處組織形貌，除斷口及裂紋處由于變形影響晶粒存在拉長現(xiàn)象，圖7(b)靠近中心地帶1/4處存在細(xì)小裂紋的擴(kuò)展，但與中心珠光體偏析帶有一定距離。

裂紋起裂處附近未發(fā)現(xiàn)明顯夾雜物；通過在金相顯微鏡下觀察試樣，材料開裂、未開裂處均存在氮化物夾雜物，如表3及圖8所示。

4 分析與討論

鋼板在加工過程中發(fā)生開裂，首先要形成開裂源，開裂源來源于兩個(gè)方面：一方面是材料自身的內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾雜物、內(nèi)部裂紋等缺陷；另外一方面是在加工過程中產(chǎn)生的，如毛刺、劃傷等缺陷。

對開裂零件現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，開裂過程為輥壓成形后飛剪分段時(shí)在R角處開裂，且開裂位置位于分條卷的頭部。通過對材料化學(xué)成分分析，試樣中的P、S控制較好，合金元素控制符合企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但從夾雜物分析中看出，鋼板中仍然存在氮化物夾雜物。通過對分條卷邊部宏觀觀察，該批次材料在縱切后邊部質(zhì)量較差，有些部位甚至出現(xiàn)了裂紋，通過低倍分析發(fā)現(xiàn)鋼板心部存在偏析。通過對開裂樣取樣進(jìn)行分析，該材料抗拉強(qiáng)度為814 MPa，相對偏要求上限，同時(shí)在拉伸斷口處仍然可以觀察到有分層現(xiàn)象出現(xiàn)。

經(jīng)過以上分析可知，該批次材料開裂的主要原因?yàn)椴牧媳旧韽?qiáng)度較高，且材料心部存在偏析，在成形后飛剪過程中，材料在外部剪切力的作用下出現(xiàn)微裂紋并擴(kuò)展，同時(shí)夾雜物的存在促進(jìn)裂紋擴(kuò)展的趨勢，因此，R角處產(chǎn)生應(yīng)力集中開裂。

要解決該材料開裂問題，要從中心偏析及材料強(qiáng)度兩個(gè)方面進(jìn)行改善。要減少偏析產(chǎn)生，則要控制連鑄工序工藝。柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對大小主要決定于澆注溫度，低過熱度可有效擴(kuò)大等軸晶區(qū)。同時(shí)連鑄過程中投入電磁攪拌工藝可進(jìn)一步改善中心偏析現(xiàn)象。由于P、S是強(qiáng)偏析元素，在夾雜物分析中發(fā)現(xiàn)氮化物夾雜，因此，要控制鋼水中P、S、N的含量。同時(shí)控制過熱度、拉速以及投入使用電磁攪拌以擴(kuò)大鑄坯中心的等軸晶區(qū)減少偏析現(xiàn)象。針對強(qiáng)度偏高問題，通過卷取溫度實(shí)驗(yàn)得出，該成分下卷取溫度在600 ℃比卷取溫度在580 ℃時(shí)整體強(qiáng)度高30 MPa左右，因此，該牌號材料卷取溫度設(shè)定為580 ℃，為保證熱卷性能頭部性能的穩(wěn)定性，采取全段冷卻，取消熱卷頭部不冷段部分。通過以上工藝改進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)300 t該牌號大梁鋼，在客戶使用過程中開裂問題得到避免。

5 結(jié)論

經(jīng)過對開裂試樣解刨分析，導(dǎo)致該批次材料開裂的主要原因?yàn)椴牧蠌?qiáng)度控制偏上限，開裂材料屈服強(qiáng)度在733 MPa，抗拉強(qiáng)度814 MPa，該材料在成形過程中存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；原材料本身存在輕微偏析、分層現(xiàn)象及夾雜物過多，導(dǎo)致板材在分條、沖壓成形過程中在強(qiáng)度過高的共同作用下產(chǎn)生R角開裂。

針對以上問題的研究，文章提出兩點(diǎn)建議：（1）降低終軋溫度，適當(dāng)降低材料強(qiáng)度，熱卷頭用全冷工藝，確保熱卷頭部性能的穩(wěn)定；（2）煉鋼提高O、N氣體含量控制水平，降低P、S含量，減少氮化物夾雜的產(chǎn)生，連鑄過程中投入使用電磁攪拌工藝，減輕中心偏析帶。