610L汽車(chē)大梁鋼成型開(kāi)裂分析

單巖磊　郭健　田秀剛　魏煥君　趙光

摘 要：成型開(kāi)裂是汽車(chē)大梁鋼在應(yīng)用中失效的主要形式，而車(chē)輛橋殼的成型形狀相對(duì)比較復(fù)雜，在沖壓過(guò)程中更容易出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題。針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的610L汽車(chē)大梁鋼在下料及加工車(chē)輛橋殼過(guò)程中產(chǎn)生的分層開(kāi)裂問(wèn)題，分別從客戶的兩個(gè)基地取樣，且兩地樣品均有分層開(kāi)裂現(xiàn)象，利用直讀光譜儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)、光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）以及能譜儀等檢測(cè)儀器，對(duì)板料樣品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織和夾雜物進(jìn)行檢測(cè)和分析。結(jié)果表明，由于板料中存在嚴(yán)重的MnS中心偏析，且偏析帶內(nèi)含有大量的TiN析出物，破壞了基體組織的均勻性和連續(xù)性，進(jìn)而影響其成型的塑韌性，導(dǎo)致在加工車(chē)輛橋殼過(guò)程中出現(xiàn)分層開(kāi)裂問(wèn)題，并闡述煉鋼以及軋鋼工藝中可以有效控制MnS夾雜物和TiN析出物的措施，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)大梁鋼；成型開(kāi)裂；中心偏析；夾雜物

ANALYSIS OF CRACKING IN THE FORMING PROCESS OF 610L AUTOMOBILE BEAM STEEL

Shan Yanlei? ? Guo Jian? ? Tian Xiugang? ? Wei Huanjun? ? Zhao Guang

（Tangshan Iron and Steel Group Co.，Ltd.? ? Tangshan? ? 063000，China）

Abstract：Cracking during forming process is the main form of failure in the application of automotive beam steel， and the forming shape of vehicle axle shells is relatively complex， making it more prone to cracking during the stamping process. In view of the delamination and cracking problem of 610L automobile girder steel produced by a domestic steel factory in the process of processing vehicle axle housing， samples were taken from two customer bases， and the samples in both places had delamination and cracking phenomenon. The chemical composition， mechanical properties detection and analysis of microstructure and inclusions. The results indicate that due to severe central segregation in the sheet metal and the presence of a large amount of precipitates and inclusions in the segregation zone， the uniformity and continuity of the microstructure are disrupted， which in turn affects the plastic toughness of its formation， leading to delamination cracking during the processing of vehicle bridge shells. Measures that can effectively control inclusions in steel making processes are elaborated， providing theoretical support for practical production.

Key words： automobile beam steel; forming cracking; central segregation; inclusion

0? ? 前? ? 言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)行業(yè)的高速發(fā)展，有關(guān)熱軋汽車(chē)大梁鋼的研究也在不斷創(chuàng)新和推進(jìn)。作為重型卡車(chē)底盤(pán)上的橫縱梁以及橋殼等結(jié)構(gòu)部件，其理化性能對(duì)車(chē)輛的安全系數(shù)和使用壽命有著至關(guān)重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降本，并且提高產(chǎn)品的安全性能，可以通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝或者成分設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高汽車(chē)大梁鋼的塑韌性、冷彎成型性、焊接性、抗疲勞等性能[1]。鞍鋼、武鋼、包鋼、酒鋼、八鋼、新余鋼鐵先后采用不同的工藝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)研制高強(qiáng)度熱軋610L汽車(chē)大梁鋼，其成分設(shè)計(jì)通常為低碳高錳、適量的硅，并且采用添加Nb、Ti或者Nb、V的微合金化技術(shù)，以及恰當(dāng)?shù)目剀埧乩涔に嚕诰Я６?、沖擊韌性、冷彎成型等方面獲得了優(yōu)異的穩(wěn)定性能，已經(jīng)成功被國(guó)內(nèi)多家著名汽車(chē)制造商應(yīng)用在橫縱梁、橋殼等結(jié)構(gòu)件的制造[2-7]。車(chē)輛橋殼作為汽車(chē)總成中的主要承載件，是傳動(dòng)系和行駛系的重要組成部分，通常使用鋼板經(jīng)過(guò)沖壓成型后再進(jìn)行焊接處理，因此對(duì)鋼板的沖壓成型性能和焊接性能有著較高的要求 [8]。

國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的厚度為9.7 mm的610L汽車(chē)大梁鋼，其工藝流程為：鐵水脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→板坯連鑄→鑄坯精整→板坯加熱→熱連軋機(jī)控軋→層流冷卻→卷取→取樣檢驗(yàn)→包裝外運(yùn)。在下料和客戶加工車(chē)輛橋殼過(guò)程中出現(xiàn)了分層開(kāi)裂問(wèn)題，成型后的車(chē)輛橋殼以及板材的宏觀開(kāi)裂形貌如圖1、圖2所示。

為了查明橋殼開(kāi)裂的原因，使用瑞士ARL4460直讀光譜儀、WEW-300屏顯式液壓萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)、德國(guó)Zeiss AXIO Image.A2m光學(xué)顯微鏡、德國(guó)Zeiss SIGMA-HD掃描電子顯微鏡及能譜儀等設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

1? ? 理化檢驗(yàn)

1.1? ? 化學(xué)成分

從客戶兩基地取回的610L汽車(chē)大梁鋼樣品的化學(xué)成分如表1所示，兩地樣品的化學(xué)成分基本一致，且符合610L汽車(chē)大梁鋼的企標(biāo)。適量的Nb不僅可以提高鋼中奧氏體的再結(jié)晶溫度，進(jìn)而使奧氏體晶粒細(xì)化，還能通過(guò)固溶作用和析出作用來(lái)提高鋼的強(qiáng)度，而Ti可以起到細(xì)化晶粒以及沉淀強(qiáng)化的作用，加入合適的微合金元素Ti能夠與S生成硫化鈦，有效降低了MnS夾雜物對(duì)大梁鋼的危害，從而提高橫縱向機(jī)械性能的一致性[9-10]。

1.2? ? 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T228.1-2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，對(duì)客戶兩基地提供的樣品沿著板材的軋制方向使用線切割加工標(biāo)距為50 mm的拉伸試樣，在WEW-300屏顯式液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度設(shè)定為4 mm/min，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為拉伸試驗(yàn)結(jié)果，試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足企標(biāo)。

1.3? ? 金相組織檢測(cè)

對(duì)客戶兩基地提供樣品的開(kāi)裂部位進(jìn)行取樣，磨拋處理并用4%硝酸酒精腐蝕后在Zeiss AXIO Image.A2m光學(xué)顯微鏡100倍下觀察，如圖3所示，兩地樣品的基體組織均為鐵素體+珠光體，并發(fā)現(xiàn)若干條帶狀組織貫穿整個(gè)視場(chǎng)。

對(duì)厚度不同部位的顯微組織檢測(cè)見(jiàn)圖 4（兩地樣品的組織基本一致，故選取其中一地樣品組織進(jìn)行說(shuō)明），并結(jié)合宏觀的缺陷樣品，發(fā)現(xiàn)其偏析僅存在于板厚的中心位置。

1.4? ? 夾雜物檢測(cè)

對(duì)開(kāi)裂樣品進(jìn)行磨拋處理，在掃描電鏡下對(duì)夾雜物的類型進(jìn)行檢測(cè)（兩地樣品夾雜物類型相似，故選取其中一地樣品進(jìn)行說(shuō)明）。

圖5為610L汽車(chē)大梁鋼中檢測(cè)到比較明顯的夾雜物，主要為MnS夾雜物和TiN析出物。

2? ? 開(kāi)裂原因分析

兩地開(kāi)裂樣品的化學(xué)成分和力學(xué)性能未見(jiàn)異常，均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。在金相組織和夾雜物檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重的中心偏析以及偏析帶內(nèi)大量的MnS夾雜物和TiN析出物。中心偏析使帶鋼心部富集C、Mn、Nb、Ti等合金元素，從而形成了合金元素的貧化區(qū)、富化區(qū)并且交替存在，導(dǎo)致在卷曲慢冷過(guò)程中容易產(chǎn)生鐵素體和珠光體交疊的帶狀組織，而珠光體比鐵素體硬，因此在外應(yīng)力下兩相交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中而分層開(kāi)裂。從第二相對(duì)鋼的強(qiáng)塑性影響角度分析，大顆粒Nb、Ti碳化物不利于提高鋼的強(qiáng)度和塑韌性。由于切過(guò)機(jī)制的主導(dǎo)作用，鋼的強(qiáng)度與第二相的體積分?jǐn)?shù)成正比，而與其尺寸的平方根成反比，聚集的大尺寸和棱角塊狀第二相嚴(yán)重危害了鋼的塑韌性，從而增加了沖壓開(kāi)裂的可能性。MnS夾雜物在板厚中心部位，TiN析出物尺寸在5～10 μm左右，在板料中隨機(jī)分布，破壞了組織的均勻性和連續(xù)性，在成型過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋源，而這些裂紋會(huì)沿著偏析帶繼續(xù)延伸擴(kuò)展，最終擴(kuò)展到表面造成成型開(kāi)裂 [11-13]。

3? ? 控制鋼中夾雜物的措施

3.1? ? 氮化鈦的控制

3.1.1? ? 氮化鈦對(duì)鋼材性能的影響

鋼中的氮化鈦是一種硬而脆、且有尖銳棱角的夾雜物，其尖銳的棱角可以破壞鋼的基體組織從而產(chǎn)生裂紋源。有研究表明，對(duì)鋼材疲勞壽命的影響方面，平均尺寸8 μm的氮化鈦夾雜物與平均尺寸25 μm的氧化物夾雜是一樣的，也就是說(shuō)相同尺寸的氮化鈦夾雜物和氧化物夾雜，氮化鈦的危害更大，因此，控制鋼中氮化鈦的含量和尺寸對(duì)鋼材的綜合性能有著至關(guān)重要的作用[14]。

3.1.2? ? 氮化鈦析出熱力學(xué)條件

3.1.3? ? 鋼液中氮含量的控制

3.1.3.1? ? 鋼液中氮含量的來(lái)源

3.1.3.2? ? 吸氮熱力學(xué)

3.1.3.3? ? 吸氮?jiǎng)恿W(xué)

3.1.3.4? ? 改進(jìn)措施及效果

對(duì)煉鋼各工序的含氮量進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)LF精煉過(guò)程是造成鋼液增氮的主要環(huán)節(jié)，并在LF精煉工藝中采取了如下改進(jìn)措施：合理控制除塵閥開(kāi)口度、提高造渣量、減少持續(xù)送電時(shí)間、調(diào)整不同時(shí)期吹氬流量，將LF精煉過(guò)程平均增氮量控制在10 ppm以內(nèi)。

3.2? ? 硫化錳的控制

3.2.1? ? 硫化錳對(duì)鋼材性能的影響

在熱軋工藝中，MnS會(huì)沿著軋制方向產(chǎn)生變形并延伸，嚴(yán)重危害鋼材的延伸性、沖擊韌性、焊接等性能，還會(huì)造成探傷不合，甚至使鋼材發(fā)生分層開(kāi)裂現(xiàn)象。通常出現(xiàn)在鑄坯中心偏析比較嚴(yán)重的部位，尤其是高濃度的硫化錳將出現(xiàn)在鑄坯中央?yún)^(qū)域[20]。

3.2.2? ? 硫化錳形成熱力學(xué)

3.2.3? ? 控制措施

MnS夾雜物的控制是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，可以從以下幾個(gè)方面考慮改進(jìn)：制定合適的鋼液成分，并運(yùn)用鈣處理技術(shù)；連鑄工藝中降低凝固終點(diǎn)溫度、控制結(jié)晶器內(nèi)鋼水溫度；優(yōu)化軋制工藝，控制軋制速度；選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，如高溫加熱、延長(zhǎng)保溫時(shí)間等[20]。

4? ? 結(jié)? ? 論

嚴(yán)重的MnS中心偏析以及存在于偏析帶內(nèi)大量的TiN析出物，是造成610L汽車(chē)大梁鋼在下料和成型過(guò)程中產(chǎn)生分層開(kāi)裂的主要原因，并闡述煉鋼以及軋鋼工藝中可以有效控制TiN析出物和MnS夾雜物的措施，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支撐。

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