汽车大梁用热轧钢带冲压开裂原因分析及措施

刘云杰

【摘要】钢带出现冲压开裂分层现象，通过金相显微镜、扫描电镜对开裂处进行分析，发现开裂处有大量的夹杂物，结合炼钢生产实际，提出改进冶炼工艺和提高钢水纯净度的措施。

【关键字】汽车大梁；冲压开裂；夹杂物；钢水纯净度

1 引言

汽车轻量化是国家节能减排战略的紧迫需要，更成为车企和全行业提高核心能力的现实需求。轻量化主要的切入点是车架等，车架是汽车最重要的承载部件，而车架纵梁又是其中的关键零件之一。为了满足汽车制造业追求轻量化的要求，钢铁企业推出了高强度汽车钢板。高强度钢板在汽车零部件尤其是车架生产中的应用，减少了材料消耗、降低了汽车重量，达到了轻量化目的[1]。国家标准《汽车大梁用热轧钢板和钢带》（GB/T3273-2005），自2006年实施以来，标准内的钢种已经不适应汽车轻量化的要求。

莱芜钢铁集团生产的厚度规格为8mm的LG610L钢种，客户在冲压成形时出现开裂，开裂现象严重，开裂处出现分层现象，嚴重影响了莱钢的形象和经济效益。同时宽带钢质量的好坏，将对用户的最终产品的质量产生很大的影响。为此，为了研究冲压开裂分层产生的原因，并根据生产实践，提出改进措施，促进新钢种产品质量控制和产品质量的提升。

2、试验方法

取冲压件试样，在试样的未变形区切取金相试样，将平行于轧制方向的纵向截面研磨抛光后，用德国莱卡DM6000M金相显微镜进行非金属夹杂物及其级别的评定；用美国FEI扫描电子显微镜 （SEM）进行能谱分析；用德国斯派克LAB LAVMC05A直读光谱仪进行成品化学成分分析。

3、检验结果与分析

3.1 化学成分分析

选取开裂样，制备特定的试样（试样太薄，需要弯90度，并进行侧面抛光处理），用直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。从结果来看：一方面，验证了此钢材是莱钢的产品；另一方面，产品的成分在国家标准的范围内说明此产品成分符合国家要求[2]。

表1 冲压件的化学成分 %

元素

C

Si

Mn

P

S

Nb

Ti

Alt

取样实测值

0.10

0.23

1.55

0.011

0.003

0.064

0.032

0.032

原始成分

0.09

0.21

1.52

0.010

0.003

0.066

0.030

0.029

3.2 金相检验

夹杂物的形态在很大程度上取决于钢材压缩变形程度，因此，只有在经过相似程度变形的试样坯制备的截面上才可能进行测量结果的比较。

取开裂处的纵向试样，在显微镜下观察，LG610L汽车大梁用热轧钢卷的成品组织为铁素体+珠光体，珠光体约占12～18%，为正常组织。试样内非金属夹杂物较为严重，夹杂物主要是C类硅酸盐夹杂物（具有高的延展性，有较宽范围形态比（一般≥3）的单个呈黑色或深灰色夹杂物 ，一般端部呈锐角）[3]，级别达到3级以上，C类硅酸盐夹杂物长度最长达到0.8mm。

3.2 扫描电镜和能谱分析

利用扫描电镜对开裂处进行观察，见图4，从开裂处的形貌看分层很严重，在低倍数下，可见到分层出有许多条平行于钢板轧制方向的沟槽，放大后可观察到沟槽中有条状物。对条状物的能谱分析结果见图6，其含O、Si、Ca等元素，初步判断沟槽中的条状物是硅酸盐。

对开裂处的金相分析中观察到的夹杂进行能谱分析，分析结果见图7，从结果上看也为硅酸盐，其成分与沟槽中的夹杂成分基本相同，均含有O、Si、Ca等元素。

通过以上扫描电镜和能谱分析的结果可以更确切的判定条状夹杂物为硅酸盐夹杂物。

图6 夹杂物能谱分析

图7 夹杂物能谱分析

硅酸盐是金属氧化物和硅酸根的化合物，使用硅锰、硅铁合金脱氧时，极易形成可变形的硅酸盐，分析中发现存在SiO2·CaO和A12O3·CaO为主的硅酸盐夹杂，与出钢过程中弱脱氧或加铝量较少时加入硅铁合金脱氧合金化有必然的联系。出钢时，钢液中氧活度高，加入硅铁中的硅被氧化而形成大量的脱氧产物SiO2，这部分脱氧产物与其他夹杂物形成复合的夹杂滞留在钢中。这类夹杂物经LF铝脱氧后应可以去除，但是如果形成的量多，特别是与其他脱氧产物形成与钢液润湿好的夹杂物，就很难从钢液中去除[4]。

开裂处的形貌分层现象严重，与试样中含有大量的夹杂物有关[5]，试样中分布的大量硅酸盐夹杂破坏了基体的连续性，在外力作用下，夹杂物周围产生应力集中而产生塑性变形，在夹杂物周围产生大量的位错，当位错在外力作用下到达夹杂物和基体界面时，界面分离形成微孔，微孔又在外力的作用下迅速聚集和扩展，导致开裂处分层现象的出现。

4、预防控制措施及成效

4.1 预防控制措施

针对此钢种热轧卷板出现的缺陷，通过研究分析后找出原因，采取了以下预防控制措施：

1）精炼过程中先喂入一定量的铝线脱氧，使钢中溶解氧降到一定水平后再加入电石、硅铁等脱氧剂[6-7]，这样不易生成硅的氧化物夹杂，从而降低硅酸盐夹杂的生成机率；出钢过程中采用脱氧和氩站定氧后再脱氧的工艺，通过控制钢液中硅的含量，使低熔点的硅酸盐呈液态，容易去除。

2）制定合理的冶炼工艺，控制炼钢过程的温度和成分，改善夹杂物形态；保持足够的吹氩时间，保证钢水中大颗粒夹杂物充分上浮，提高钢水纯净度；连铸工序做好保护浇注，减少钢水的二次氧化；结晶器液面保持稳定，避免由于液面波动造成卷渣；保证中间包浸入式水口的完整，出现破损及时更换，避免水口残渣混入钢坯中

]。

4.2 成效

通过采取以上措施，热轧卷板冲压开裂缺陷得到了有效控制。目前此问题未收到客户的质量异议。也为莱钢700MPa及以上级别的汽车用大梁钢卷的开发奠定了基础。

结论

1）钢带中存在大量的夹杂物是造成冲压开裂的主要原因，钢中的夹杂物以C类硅酸盐夹杂物为主。

2）通过制定合理的炼钢和连铸工艺，保证设备运行稳定，精细操作，精炼过程铝脱氧降低钢中氧含量，进而减少夹杂物的产生，为下道工序提供良好的连铸坯，提高了钢材的品质。

参考文献

[1] 鲁春艳. 高强度船体用结构钢拉伸试验断口分层的影响因素， 技术导向，2007.6.

[2] GB/T 222. 钢的成品化学成分允许偏差， 2006， 1～4.

[3] 黄振东. 钢铁金相图谱，2005 ，1267～1270.

[4] GB/T 10561. 钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法， 2005， 1～7.

[5] 傅清霞， 张水菊. 高强度船体用结构钢拉伸试验断口分层的影响因素， 江西冶金，2009，29（6）.

[6] T.M. 伊茨科维奇.钢脱氧及非金属夹杂物的变性处理[M].北京：冶金工业出版社.1986.

[7]许中波.钙处理钢水中非金属夹杂物的形态[J].北京科技大学学报.1995， 17（2）： 125.