供稿|張城銘，徐勇，康海軍 / ZHANG Cheng-ming, XU Yong, KANG Hai-jun

內(nèi)容導(dǎo)讀

熱軋酸洗板SPHD廣泛應(yīng)用于各種沖壓成形材料，市場需求量大。文章從宏觀力學(xué)性能和微觀組織特征針對本鋼生產(chǎn)的熱軋酸洗板SPHD產(chǎn)生的橘皮缺陷進(jìn)行原因分析。分析表明，鋼板成分設(shè)計(jì)中Al含量對SPHD組織內(nèi)AlN的析出有明顯的影響，進(jìn)而導(dǎo)致屈服平臺(tái)的產(chǎn)生，影響鋼板的沖壓性能，是材料加工成形過程中產(chǎn)生橘皮表面缺陷的重要原因。通過對Al含量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，改善鋼板內(nèi)部的組織形態(tài)，進(jìn)而消除橘皮缺陷的產(chǎn)生。通過對后續(xù)SPHD產(chǎn)品性能進(jìn)行跟蹤，進(jìn)一步驗(yàn)證了改善措施的合理性。

熱軋酸洗板SPHD是目前市場需求量大、用途廣泛的熱軋酸洗板產(chǎn)品。SPHD熱軋酸洗板以工業(yè)純鐵為基礎(chǔ)，除含有少量的錳、鋁外，不添加其他合金，通過控制硅、磷、硫的含量獲得較低的強(qiáng)度和優(yōu)異的延伸率、n值。熱軋酸洗板SPHD具有良好的沖壓成形性、拉伸和彎曲性能[1]，廣泛地應(yīng)用于各種沖壓成形材料。

在SPHD作為結(jié)構(gòu)件進(jìn)行沖壓成形的過程中，表面缺陷會(huì)嚴(yán)重影響零件的使用壽命。橘皮缺陷作為表面缺陷的一種，主要表現(xiàn)為表面粗糙不平，有明顯的折皺類手感，在結(jié)構(gòu)件沖壓成形的過程中比較容易產(chǎn)生，影響下游用戶的后續(xù)加工使用。

實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)來源為2019年下游用戶的一次質(zhì)量異議，用戶反映的具體情況：鋼板表面平整，壓花后距花形區(qū)邊部約10 cm，沿著花形變形區(qū)出現(xiàn)起皺，未變形的板面正常。該下游用戶通過提高平整壓力等方式進(jìn)行改善，未能消除此種缺陷。經(jīng)過我們現(xiàn)場調(diào)研，確定為橘皮缺陷。

為了更清楚地了解該批SPHD鋼卷橘皮缺陷產(chǎn)生的原因，對同批次鋼卷的整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行了回溯分析，并從產(chǎn)生橘皮缺陷的鋼卷上取回樣板進(jìn)行性能、成分和組織分析，以此來進(jìn)行進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

化學(xué)成分

化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從成分上看，Al的實(shí)際含量對比設(shè)計(jì)值有點(diǎn)偏低。通常認(rèn)為Al含量的增加對改善板材冷沖壓性能有利，進(jìn)而推斷Al含量偏低是導(dǎo)致橘皮產(chǎn)生的原因之一。

拉伸實(shí)驗(yàn)

對取回樣板進(jìn)行了拉伸性能檢驗(yàn)，選取了產(chǎn)生橘皮缺陷的兩件試樣，具體結(jié)果見表2。

表1 樣品主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 不同樣品的力學(xué)性能情況

從圖1拉伸曲線上看，兩只試樣均有比較明顯的屈服平臺(tái)產(chǎn)生，根據(jù)前人理論[2]，屈服平臺(tái)的存在極有可能在后續(xù)加工過程中導(dǎo)致橘皮缺陷的產(chǎn)生。對此進(jìn)行進(jìn)一步分析。

金相組織

對出現(xiàn)橘皮缺陷的部位和正常部位分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖2所示，其中圖2(a)為正常部位，圖2(b)為橘皮缺陷部位，金相組織情況見表3。

圖1 不同樣品的拉伸曲線：(a) 1#試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線；(b) 2#試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 金相組織：(a) 正常試樣；(b) 橘皮試樣

對比圖2金相組織可以發(fā)現(xiàn)，兩試樣組織均為鐵素體和游離滲碳體，且圖2(a)試樣由于發(fā)生沖壓變形，晶粒有細(xì)化的趨勢。對比不同部位，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生橘皮缺陷試樣的上下表面存在晶粒尺寸不均的情況。有關(guān)研究表明[3]，晶粒尺寸不均勻，會(huì)使試樣在沖壓過程中，較大晶粒的位錯(cuò)塞積應(yīng)力迅速增大，與較小晶粒的變形不同步，從而在晶界邊緣出現(xiàn)微裂，即橘皮。在宏觀上，對應(yīng)了屈服平臺(tái)的產(chǎn)生，即鋼帶的局部在沖壓過程中，受到超出彈性極限的應(yīng)力時(shí)，會(huì)從彈性區(qū)突發(fā)轉(zhuǎn)變到塑性區(qū)，因而產(chǎn)生屈服，使鋼帶表面產(chǎn)生局部的不均勻流動(dòng)變形，從而出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象。

表3 金相組織情況

計(jì)算分析結(jié)果

Al在鋼中的存在形式

研究表明[4-5]，鋼中Al含量對鋼材組織和成形性能有明顯影響。根據(jù)二元合金相圖不難發(fā)現(xiàn)，Al與O結(jié)合起脫氧作用外，在液相和固相中還會(huì)以AlN形式析出，對組織和性能產(chǎn)生一定的影響，圖3為Al-N的二元相圖。

圖3 Al-N的二元相圖

AlN在鋼中的溶解析出規(guī)律

AlN在固相中析出可采用溶度積方式進(jìn)行計(jì)算：

式中，K為奧氏體中的固溶度積，T為奧氏體的溫度，下標(biāo)s為固態(tài)析出，g：固溶于奧氏體。

用溶度積公式計(jì)算分析表明，SPHD中隨著Al含量的增加，AlN在奧氏體中的析出溫度也隨著增加，如圖4所示。為了分析Al在鋼中的賦存形式，采用FactSage商業(yè)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

圖4 溶度積公式計(jì)算Al含量對AlN析出溫度的影響

圖5 FactSage軟件計(jì)算Al在鋼中的賦存形式

分析本鋼熱軋酸洗板SPHD中Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02%和0.05%的計(jì)算結(jié)果，受鋼中N的活度和含量的限制，鋼中AlN的總量并不會(huì)因?yàn)锳l含量的增加而變化。但是，鋼中AlN析出溫度隨著Al含量的增加明顯升高。

結(jié)果分析與討論

橘皮缺陷的產(chǎn)生歸因于屈服平臺(tái)的產(chǎn)生，而屈服平臺(tái)則主要是由于C、N原子對柯氏氣團(tuán)的釘扎作用產(chǎn)生的。鋼中C與Fe發(fā)生反應(yīng)，以滲碳體形式被固定，游離C含量極其有限。而SPHD鋼在合金設(shè)計(jì)時(shí)，并未添加Nb、V、Ti等具有固N(yùn)作用的微合金，鋼中游離N只能通過脫氧后殘余的Al加以固定。通過AlN析出相形式限制游離的N原子，消除其對柯氏氣團(tuán)的釘扎作用。

當(dāng)AlN的析出臨界溫度一定時(shí)，析出相析出過程與兩個(gè)因素有關(guān)：一方面，溫度較高時(shí)，過熱度偏低，析出驅(qū)動(dòng)力較小；另一方面，溫度較低時(shí)，化學(xué)驅(qū)動(dòng)力增加，但溫度降低對擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)不利。因此，只有將AlN析出臨界溫度提高，才有利于AlN在軋制過程中析出，減少鋼中游離N含量，避免橘皮現(xiàn)象的發(fā)生，而這與鋼中Al含量有直接關(guān)系。圖4和圖5結(jié)果均表明，隨著Al含量的增加，鋼中N可以在更高溫度與Al反應(yīng)形成AlN，以析出相形式析出。正因如此，SPHC鋼中采用Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.06%的設(shè)計(jì)方案。而其他鋼種設(shè)計(jì)時(shí)，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般僅為0.02%～0.04%。

結(jié)合上述分析結(jié)果可以推斷，較低Al(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%)情況下，在熱軋過程中會(huì)有相對較多的游離態(tài)N存在，這是導(dǎo)致屈服平臺(tái)出現(xiàn)的主要因素，也是橘皮現(xiàn)象產(chǎn)生的直接原因。

理論上，提高SPHD鋼中Al含量可以消除屈服平臺(tái)，也可以解決沖壓過程橘皮現(xiàn)象。

結(jié)束語

(1) 從內(nèi)部成因看，Al含量的不同對熱軋酸洗板SPHD的組織產(chǎn)生一定的影響。過低的Al含量會(huì)導(dǎo)致較多游離N的析出，進(jìn)而產(chǎn)生屈服平臺(tái)，是后續(xù)沖壓過程中橘皮缺陷產(chǎn)生的主要原因。

(2) 在原有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，合理地進(jìn)行Al的成分設(shè)計(jì)，可以避免熱軋酸洗板SPHD橘皮缺陷的產(chǎn)生，并通過后續(xù)對SPHD產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)地跟蹤，進(jìn)一步驗(yàn)證了其合理性。