22MnB5冷軋邊部裂口缺陷分析及控制

白玉朋, 張 帥,史建偉,王占國(guó) ,栗建輝

(唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 質(zhì)量管理部,河北 唐山 063000)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,汽車行業(yè)對(duì)鋼材種類的需求越來(lái)越多樣化。22MnB5作為熱沖壓成型鋼材,廣受各大汽車制造商的青睞。汽車制造商使用22MnB5鋼材利用熱沖壓成形工藝,制造前后保險(xiǎn)杠、車門防撞梁、AB柱、中央通道等車體結(jié)構(gòu)件的零件,車身件采用22MnB5可以使制件減薄減重并兼顧乘員艙高強(qiáng)度[1-2]。關(guān)鍵的安全結(jié)構(gòu)件在考慮高強(qiáng)度的同時(shí)需兼顧碰撞吸能的要求,高強(qiáng)鋼熱成型零件變強(qiáng)度技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。

唐鋼某冷軋廠,隨著汽車用戶的發(fā)展,汽車商對(duì)22MnB5鋼種的需求越來(lái)越多,22MnB5逐漸增產(chǎn),由原本年產(chǎn)八千噸提升至三萬(wàn)噸,產(chǎn)量的提升會(huì)暴露出很多不常見的質(zhì)量問(wèn)題,邊部裂口缺陷為典型缺陷。邊部裂口缺陷常常導(dǎo)致冷軋機(jī)組斷帶,影響生產(chǎn)順行,控制裂口缺陷迫在眉睫。

1 22MnB5邊部裂口缺陷描述

1.1 裂口缺陷發(fā)現(xiàn)位置和形貌

22MnB5的裂口缺陷發(fā)生位置較奇怪,利用唐鋼便利的全流程缺陷追蹤手段,跟蹤了大量鋼卷的生產(chǎn)質(zhì)量情況,發(fā)現(xiàn)在熱軋卷的端面并沒(méi)有明顯的開裂痕跡。熱軋?jiān)暇磉叢恳参窗l(fā)現(xiàn)存在明顯的其它導(dǎo)致裂口的缺陷,非原料異物或損傷類缺陷導(dǎo)致。如圖1。

圖1 熱軋卷端部圖像

很多端面無(wú)裂口缺陷的熱軋鋼卷經(jīng)過(guò)冷軋軋制后,在冷硬卷的端面發(fā)現(xiàn)了裂口缺陷。裂口深度2～5 mm,于鋼板垂直方向呈約45°角,且數(shù)量非常多,有的鋼卷甚至有上百處的裂口缺陷,冷硬鋼卷的操作側(cè)明顯重于驅(qū)動(dòng)側(cè)。冷硬卷端面裂口缺陷實(shí)物圖像如圖2所示。

圖2 冷硬卷端面裂口缺陷圖像

將冷硬卷開平,在開平線檢驗(yàn)平臺(tái)觀察裂口缺陷在板帶寬度方向上的形貌,裂口缺陷深入鋼帶內(nèi)部,嚴(yán)重位置影響區(qū)域約10 mm,嚴(yán)重的裂口缺陷也是導(dǎo)致鋼帶在冷軋軋制過(guò)程中斷帶的主要缺陷。鋼帶寬度方向缺陷實(shí)物圖像如圖3。

圖3 裂口缺陷在板帶寬度方向的圖像

1.2 裂口缺陷調(diào)查

從2022年熱成型22MnB5S鋼種邊部裂口缺陷趨勢(shì)上看,冷軋切邊鋼卷的邊部裂口缺陷比例一直比較穩(wěn)定,3～7月份不切邊鋼卷的產(chǎn)量很少。冷軋不切邊鋼卷缺陷比例在8月份隨著產(chǎn)量增加開始忽然增加,同時(shí)在1～2月份邊部裂口缺陷比例也異常高,如圖4。

圖4 邊部裂口缺陷柱狀統(tǒng)計(jì)圖

在熱軋鋼卷上沿軋制方向取多組試驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試性能,分為OS1(操作側(cè))、OS2(操作側(cè))、中間、DS1(驅(qū)動(dòng)側(cè))、DS2(驅(qū)動(dòng)側(cè))。測(cè)試多組試樣后取平均值,發(fā)現(xiàn)OS1屈服強(qiáng)度有降低,與中間位置差距約為52MPa,OS2各性能指與中間位置幾乎無(wú)差異。DS側(cè)取的樣品性能各項(xiàng)指標(biāo)與中間位置相比無(wú)差距。取樣位置示意如圖5,測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 熱軋樣品性能測(cè)試結(jié)果

圖5 熱卷取樣位置示意圖

對(duì)冷硬卷上的裂口缺陷進(jìn)行取樣,做電鏡分析,發(fā)現(xiàn)裂口處幾乎只有Fe元素,有少量Mn元素是由于22MnB5為高M(jìn)n鋼?？梢耘懦龏A雜物、異物等外物造成的裂口缺陷。電鏡結(jié)果如圖6。

圖6 樣品微觀組織對(duì)比

對(duì)冷硬卷上的裂口缺陷進(jìn)行取樣,利用電子顯微鏡將鋼帶表面放大1000倍,觀察裂口缺陷的晶相組織,邊部與心部組織存在差距,操作側(cè)與驅(qū)動(dòng)側(cè)組織存在差距,操作側(cè)以鐵素體和珠光體為主,但是還存在部分貝氏體;驅(qū)動(dòng)側(cè)則是以鐵素體和珠光體為主,有少量的貝氏體。鐵素體為邊界清晰白色的塊狀晶粒;珠光體為鐵素體晶粒中的點(diǎn)狀晶粒;貝氏體為黑色的塊狀晶粒。22MnB5鋼冷卻速率為5℃/s時(shí),有貝氏體生成,隨著冷卻速率的增加,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸增加,延伸率減小[5]。晶相組織如圖7所示。

圖7 樣品微觀組織對(duì)比

2 邊部裂口缺陷產(chǎn)生原因分析

2.1 壓下率相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

由于缺陷發(fā)現(xiàn)位置在冷軋,且有切邊鋼卷缺陷發(fā)生率明顯低于不切邊鋼卷的規(guī)律,對(duì)22MnB5冷軋不切邊的產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)的過(guò)程參數(shù)與裂口缺陷發(fā)生比率進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)冷軋壓下率對(duì)于裂口缺陷發(fā)生率有一定的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)了冷軋不切邊鋼卷不同壓下率的裂口缺陷比例,當(dāng)壓下率超過(guò)55%時(shí)不切邊裂口缺陷發(fā)生的比例要明顯高于55%壓下率以下不切邊裂口缺陷的比例。如圖8所示。

圖8 不切邊22MnB5鋼卷缺陷比率統(tǒng)計(jì)折線圖

2.2 微觀組織產(chǎn)生原因分析

通過(guò)前面的組織分析結(jié)果,認(rèn)為22MnB5出現(xiàn)邊部裂口缺陷的原因之一為邊部存在過(guò)冷組織,導(dǎo)致塑性降低并且晶間結(jié)合力下降,在冷軋軋制過(guò)程中易萌生裂紋并且發(fā)生延晶擴(kuò)展進(jìn)而形成裂口。低碳硅錳貝氏體鋼通過(guò)熱模擬試驗(yàn),當(dāng)冷速為5℃/s時(shí),利用熱膨脹及切線法所得到貝氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)為565℃,試樣冷卻到室溫的顯微組織大部分是貝氏體鐵素體[6]。熱膨脹曲線如圖9所示。

圖9 冷卻速度為5℃/s時(shí)試驗(yàn)鋼的熱膨脹曲線

圖10 帶鋼寬度方向溫度分布示意圖

使用高溫槍對(duì)正在生產(chǎn)的22MnB5鋼帶溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,鋼帶層冷出口位置邊部與中部溫差達(dá)到60～80 ℃,且中間溫度高于邊部溫度。22MnB5在生產(chǎn)時(shí)卷取溫度設(shè)定目標(biāo)為640 ℃,設(shè)定的卷曲溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為鋼帶寬度方向中間位置溫度,即鋼帶寬度方向中間位置溫度約為640 ℃,因此邊部實(shí)際溫度將在560～580 ℃范圍,進(jìn)入了貝氏體生成區(qū)間。帶鋼成卷后,鋼卷端面接觸外部環(huán)境面積較大,即邊部接觸外部環(huán)境面積較大,接觸面積大散熱快為常理,因此鋼帶邊部溫度逸散快于中部。

3 邊部裂口缺陷控制方法試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)以上分析可以清楚的了解到缺陷產(chǎn)生的原因,邊部裂口缺陷非異物、夾雜物造成,與冷軋的壓下率有先行相關(guān),與邊部的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。于是組織了大量生產(chǎn)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證控制邊部裂口缺陷的最佳工藝。

3.1 鋼卷減緩冷卻試驗(yàn)

結(jié)合以邊部裂口缺陷產(chǎn)生機(jī)理,帶鋼在層冷過(guò)程中及入庫(kù)后邊部溫度將進(jìn)入或快速進(jìn)入貝氏體相區(qū),進(jìn)而生成貝氏體組織。為減緩鋼卷的冷卻,對(duì)進(jìn)行了鋼卷入坑緩冷試驗(yàn),鋼卷卸卷后如坑緩冷48小時(shí),出坑溫度在400℃左右,并對(duì)試驗(yàn)卷進(jìn)行了通寬組織檢測(cè),放大五百倍檢測(cè)后組織依舊含有貝氏體。由此可以判斷貝氏體組織為層冷或成卷后在極短時(shí)間內(nèi)形成,通過(guò)鋼卷入坑減緩冷卻速度無(wú)法得到改善。鋼卷入緩冷坑后檢測(cè)的貝氏體組織如圖11。

3.2 壓下率修改

由缺陷分析可知當(dāng)壓下率超過(guò)55%時(shí)不切邊裂口缺陷發(fā)生的比例要明顯高于55%壓下率以下不切邊裂口缺陷的比例。因此對(duì)冷軋現(xiàn)有的軋制規(guī)程進(jìn)行修改,將現(xiàn)有的鋼卷按照不同規(guī)格調(diào)整壓下率,使所有鋼卷的壓下率均在55%以下。跟蹤生產(chǎn)了50卷鋼,發(fā)現(xiàn)修改壓下率后,不切邊的鋼卷邊部裂口缺陷數(shù)量有明顯的減少,鋼卷邊部質(zhì)量有明顯的改善,同時(shí)缺陷發(fā)生率也明顯降低。缺陷雖有明顯改善,但是還存在冷軋斷帶風(fēng)險(xiǎn),產(chǎn)生的缺陷率為6%。還需要進(jìn)行進(jìn)一步從缺陷產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 熱軋層冷水溫調(diào)查試驗(yàn)

將十月份冷軋發(fā)生的裂口缺陷回歸到熱軋生產(chǎn)時(shí)序,從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,熱軋10月4日生產(chǎn)的鋼卷邊部裂口缺陷比例較其他日期生產(chǎn)鋼卷要高很多。如圖12所示。

圖12 熱軋生產(chǎn)時(shí)序下缺陷比率折線圖

圖13 超快冷段出口側(cè)噴布置簡(jiǎn)圖

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)熱軋?jiān)?0月4日生產(chǎn)22MnB5時(shí)的層冷水溫為10 ℃,其它幾日為20～30 ℃,較其他日期鋼卷生產(chǎn)時(shí)層冷水溫要明顯低。因此對(duì)層冷水溫進(jìn)行修改,要求其穩(wěn)定控制在20～30 ℃。跟蹤生產(chǎn)50卷22MnB5產(chǎn)品,跟蹤條件為冷軋使用修改后的壓縮比,熱軋層冷水溫控制在20～30 ℃,觀察冷軋生產(chǎn)完成后鋼卷邊部狀態(tài)。缺陷卷上的缺陷數(shù)量進(jìn)一步減少,單發(fā)生缺陷的幾率相比單修改壓下率的試驗(yàn)沒(méi)有明顯降低,此時(shí)產(chǎn)生的缺陷已經(jīng)不會(huì)在冷軋?jiān)斐蓴鄮эL(fēng)險(xiǎn),可以維持生產(chǎn)順行。

3.4 熱軋層冷噴水試驗(yàn)

繼續(xù)深入分析缺陷產(chǎn)生原因,從組織分析結(jié)果看為熱卷組織不均,造成組織不均的根本原因是鋼帶冷卻不均,邊部組織異常是由于邊部冷卻速度與寬度方向中間位置相比較快。理論上來(lái)看當(dāng)鋼帶寬度方向上冷卻速度較為接近時(shí),寬度方向的組織均勻性越好;組織均勻性越好,鋼帶在加工時(shí)受力會(huì)相對(duì)比較均勻,從而減少邊部撕裂。

對(duì)整個(gè)熱軋工藝進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)自板坯出爐后,整個(gè)熱軋軋制過(guò)程中均存在熱交換,帶鋼邊部的熱交換效率要明顯高于中部,這是導(dǎo)致邊部溫降的根本原因。同時(shí)在熱軋生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié),如定寬、除鱗、層冷等環(huán)節(jié)均會(huì)加大邊部與中部的溫差。利用測(cè)溫槍對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)位置鋼帶的溫度進(jìn)行測(cè)量調(diào)發(fā)現(xiàn)層冷出口操作側(cè)溫度明顯低于驅(qū)動(dòng)側(cè)。

對(duì)層冷段進(jìn)行更加深入的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)超快冷段出口及層冷出口側(cè)噴水全部布置于操作側(cè),區(qū)別于層冷中段的兩側(cè)對(duì)應(yīng)布置,且這兩個(gè)位置側(cè)噴水量較大,將導(dǎo)致操作側(cè)溫降大于驅(qū)動(dòng)側(cè)。這也解釋了22MnB5冷軋后產(chǎn)生的邊部裂口缺陷對(duì)應(yīng)熱軋卷的操作側(cè)要比驅(qū)動(dòng)側(cè)嚴(yán)重。超快冷段出口側(cè)噴布置簡(jiǎn)圖如圖12所示。

再次跟蹤生產(chǎn)50卷22MnB5產(chǎn)品,使用修改后的壓下率和層冷水溫,關(guān)閉層冷超快冷段的噴水嘴。產(chǎn)品在冷軋生產(chǎn)完成后跟蹤邊部質(zhì)量發(fā)現(xiàn)冷軋后的邊部裂口缺陷數(shù)量進(jìn)一步減少,缺陷產(chǎn)生率幾乎降低為零。此后按照最后一次的試驗(yàn)結(jié)果大批量生產(chǎn),22MnB5邊部裂口缺陷的缺陷比率控制在1%以內(nèi)。冷軋機(jī)組在生產(chǎn)改鋼種時(shí)無(wú)因此缺陷發(fā)生過(guò)斷帶事故。

4 結(jié)論

22MnB5鋼種在冷軋生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的邊部裂口缺陷的根本原因是由于鋼帶寬度方向組織不均;組織不均導(dǎo)致在冷軋軋制加工過(guò)程中邊部組織接收應(yīng)力和內(nèi)部不同,從而撕裂產(chǎn)生裂口缺陷。

經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)調(diào)整,熱軋鋼卷緩冷即降低熱軋鋼卷冷卻速度對(duì)22MnB5冷軋時(shí)產(chǎn)生的邊部裂口缺陷無(wú)明顯影響。

通過(guò)控制層冷水溫、控制層冷的噴水?dāng)?shù)量來(lái)控制熱軋過(guò)程中層冷的冷卻速率,使鋼帶在生產(chǎn)過(guò)程中不要過(guò)快的冷卻;冷軋找到合適的壓下率,將壓下率控制在55%以內(nèi)。通過(guò)熱軋、冷軋雙重工藝的調(diào)整,可以有效的減少22MnB5邊部裂口缺陷發(fā)生概率。