段明南,房 鑫,楊向鵬

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年來,我國汽車工業(yè)持續(xù)高速發(fā)展,高強(qiáng)度、高成形、高精度和高表面鋼板將是今后汽車用鋼的發(fā)展方向。熱軋雙相鋼具有強(qiáng)度高、延展性好、屈強(qiáng)比低等優(yōu)異的綜合性能,相比于傳統(tǒng)的固溶強(qiáng)化鋼和沉淀強(qiáng)化鋼具有更好的強(qiáng)度和延性匹配,非常適合于制作高強(qiáng)度成形件。更高強(qiáng)度的原料可以通過更薄的方式達(dá)到以前同等的綜合強(qiáng)度,從而達(dá)到減重的目標(biāo),此舉可顯著降低承載件的原料用量。對于汽車、拖拉機(jī)等移動機(jī)械,自重是決定燃料消耗的最重要指標(biāo)之一,降低自重可以顯著降低燃料消耗,直接減少污染排放[1]。

為獲得其特殊的材質(zhì)性能并兼顧成本,雙相鋼通常會添加一定比例的Si元素,該元素含量達(dá)到一定水平時(shí)往往容易導(dǎo)致酸洗除鱗后的成品表面產(chǎn)生“紅鐵皮條紋”。這種缺陷直接導(dǎo)致沖壓涂裝件的表面形成肉眼可見的凹凸紋路,影響目視外觀,為各車輪企業(yè)所詬病。

基于此,本文采用一種新型無酸除鱗工藝——寶鋼BMD工藝,向某車輪企業(yè)試制多個(gè)批次的車輪用料,解決新工藝產(chǎn)生的沖壓開裂問題,并以此充分驗(yàn)證BMD工藝對于典型雙向熱軋料的除鱗有效性與用戶可接受性,解決酸洗工藝缺陷。

1 BMD除鱗與成形

1.1 BMD工藝簡介

寶鋼BMD工藝是針對酸洗“污染大、缺陷多、成本高”而開發(fā)的一項(xiàng)新型環(huán)保型除鱗工藝,具備“零污染、高質(zhì)量、低成本”的典型特征。其工藝流程如圖1所示,其中A為混合射流噴射系統(tǒng),B為介質(zhì)回收系統(tǒng),C為過濾系統(tǒng),D為供砂系統(tǒng)。

寶鋼BMD具體工藝流程如下:

(1) 噴射系統(tǒng)接收來自過濾系統(tǒng)與供砂系統(tǒng)的水和磨料兩種介質(zhì),在其內(nèi)進(jìn)行快速混合并發(fā)射,向目標(biāo)板面擊打、磨削,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板面鱗皮的快速清除。

(2) 介質(zhì)回收系統(tǒng)將除鱗后的磨料顆粒、鱗皮粉末、磨料破碎后的細(xì)小粉末、水體等一并收集,快速實(shí)現(xiàn)水、砂分離,并將分離后的污濁水體輸送至過濾系統(tǒng),同時(shí)將磨料介質(zhì)輸送至供砂系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)兩類介質(zhì)的處理回用。

(3) 過濾系統(tǒng)基于物理原理,快速對動態(tài)水體進(jìn)行懸浮物的截取、收集、輸出,同時(shí)將處理后的潔凈水體輸送至噴射系統(tǒng)的各用水點(diǎn),實(shí)現(xiàn)水體的回收利用。

(4) 供砂系統(tǒng)對輸入的磨料顆粒進(jìn)行快速的選粒、清理雜物、體量檢測與動態(tài)補(bǔ)充,并動態(tài)輸送至噴射系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)磨料顆粒的回收利用[2]。

本次采用BMD-Z機(jī)組(即BMD第一條窄鋼卷除鱗機(jī)組)進(jìn)行除鱗處理,除鱗方案及參數(shù)為:

(1) 采用混合磨料式除鱗處理,無化學(xué)酸洗介質(zhì)。

(2) 除鱗處理后,經(jīng)過沖洗→烘干,形成潔凈、干燥的除鱗成品。

為逐步解決BMD工藝用于車輪原料及其后處理過程所暴露的各類問題,項(xiàng)目組計(jì)劃分批次進(jìn)行BMD除鱗處理與分批交付。

1.2 原料準(zhǔn)備與加工

基于國內(nèi)某車輪制造企業(yè)的委托,BMD機(jī)組接受多卷580DP熱軋精整卷,信息如下:

(1) 鋼種牌號為580DP。

(2) 鋼卷來自寶鋼上海本部的熱軋精整卷。

(3) 鋼卷需縱切分條至3.6 mm厚×405 mm寬。

(4) 原料卷重分別為3.700、6.434 t兩個(gè)批次。

基于此,第一批次的熱軋?jiān)?3.700 t)上線,并完成BMD除鱗,其過程照片如圖2。

通過肉眼檢測可知,BMD處理后的580DP原料的上、下表面,宏觀形貌十分均勻、一致,只有近距離放大觀測才能發(fā)現(xiàn)一些微弱的明暗條紋,這種形貌比之酸洗成品有著顯著的外觀改善,參見圖2及圖3所示。

1.3 板料沖壓成型

針對BMD處理后的成品卷,還需進(jìn)行矯直→定尺橫切→堆垛,將其形成的板料轉(zhuǎn)運(yùn)至車輪廠內(nèi),完成一系列的沖壓成形,具體如圖4所示 。

塊狀樣板在沖壓車間具體成形工藝分為7道工序,其部分典型工序?qū)嵟娜鐖D5所示:

(1) 樣板沖裁,沖裁過程中確保質(zhì)量較優(yōu)的面朝上。

(2) 第一道次成形,成形前,還需將樣板翻身,以確保突出的一面為質(zhì)量較優(yōu)面。

(3) 多道次成形。第二道次、第三道次、第四道次成形,沖出中間的大圓孔。

(4) 第五道次成形,沖裁邊界,以去除邊部的多余料。

(5) 第六道次成形,沖出四個(gè)螺栓通孔,最終完成輪輻樣件的制作。

如圖6所示,這批原料完成近百件沖壓成形后,質(zhì)檢人員在螺栓孔的邊緣處頻繁發(fā)現(xiàn)裂紋,尤其是螺栓孔的弧形凸起部位,有時(shí)單個(gè)樣件上能發(fā)現(xiàn)多處條形裂紋,裂紋長度在5～20 mm范圍內(nèi)不等,具體如圖6所示。

這種開裂率已經(jīng)顯著超過了普通酸洗原料的正常開裂率,根據(jù)車輪廠家的質(zhì)檢人員統(tǒng)計(jì),本次開裂率超過10%,而普通酸洗料的沖壓開裂率均控制在5‰以內(nèi)?；诖?需盡快開展針對這種開裂的原因分析與解決方案的制定。

2 開裂原因分析及解決

2.1 開裂問題的處理對策

通過與580DP的原料開發(fā)專家以及車輪廠家的質(zhì)檢負(fù)責(zé)人等多次調(diào)研、溝通,針對本次異常沖壓開裂問題,制定如下分析方案:

(1) 分別選取580DP料的酸洗樣板與580DP的BMD樣板,規(guī)格需完全相同。

(2) 檢測內(nèi)容(一)為材料斷面金相組織形貌。

(3) 檢測內(nèi)容(二)為除鱗后樣板表面的臨邊區(qū)域硬度值檢測,采用顯微硬度測量儀。

2.2 同批次BMD樣板檢測

為充分論證本次580DP原料采用兩種不同工藝(BMD與酸洗)處理后的各項(xiàng)性能,需詳細(xì)完成斷面金相、表層顯微硬度等指標(biāo)的仔細(xì)檢測對比。為此,在BMD處理的成品卷上直接切取樣板、制樣,并依托光學(xué)放大裝置進(jìn)行微觀檢測,具體如圖7。

基于以上制樣,依托金相顯微鏡進(jìn)行微觀檢測,結(jié)果如圖8。

基于以上微觀實(shí)物照片可知,樣件厚度的邊部與中心區(qū)域的微觀金相組織差異明顯:

(1) 在距離表面100 μm以外的厚度中心處,晶粒大且均勻,每個(gè)晶粒都比較飽滿。

(2) 在距離表面100 μm以內(nèi)的臨邊區(qū)域,晶粒明顯被擠壓成長條狀,且晶粒細(xì)小、扁平。

基于此,可初步判斷:在該基材表面的距邊部100 μm左右的厚度區(qū)域,因BMD的介質(zhì)沖擊、磨削等力學(xué)作用,其晶粒出現(xiàn)了非常明顯的物性變化,有可能提前出現(xiàn)加工硬化層。為更確鑿地確定原因,需針對這兩類晶粒區(qū)域進(jìn)行微觀硬度檢測,具體如下:

(1) 檢測設(shè)備采用寶鋼中央研究院物理室的Akashi-MVK-H21顯微硬度計(jì)。

(2) 檢測方式為在邊界層內(nèi)、截面1/4厚度處隨機(jī)選4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測。

這種方式的詳細(xì)檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)參見圖9所示。

表1 BMD原工藝樣板的顯微硬度檢測數(shù)據(jù)記錄Table 1 Microhardness test data record of BMD original process sample

基于表1可知:BMD除鱗處理后的原料表面硬度顯著高于表層100 μm以下的硬度值,這屬于典型的表面加工硬化,是由BMD除鱗過程中的物理沖擊作用導(dǎo)致的結(jié)果。

2.3 同規(guī)格酸洗樣板檢測

為充分論證BMD檢測結(jié)果所產(chǎn)生的根源,可通過對同規(guī)格的酸洗樣板進(jìn)行相同內(nèi)容的檢測。通過肉眼對比可知:同規(guī)格酸洗樣板,切取小樣后的斷面微觀放大后,如圖10所示。

通過圖10可知,采用酸洗工藝處理的580DP樣板,其截面距離表面的臨邊區(qū)域與截面中間區(qū)域的金相組織基本一致,無論是晶粒大小、分布狀態(tài)還是各晶粒的形狀特征等,均較為一致。由此可定論:酸洗工藝沒有出現(xiàn)表層晶粒的物性改變,即未發(fā)現(xiàn)表面硬化。

2.4 BMD工藝改進(jìn)后檢測

依托以上分析結(jié)果,結(jié)合580DP這類雙相鋼的材料屬性,降低打擊強(qiáng)度、減弱表面撞擊力度是有效解決表面提前硬化的舉措。基于此,BMD技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)對BMD除鱗系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了針對性的調(diào)整,主要為:

(1) 降低介質(zhì)的打擊速度,在原模型固定參數(shù)的基礎(chǔ)上降低20%。

(2) 增大介質(zhì)供應(yīng)的質(zhì)量流,在原有介質(zhì)供應(yīng)量的參數(shù)基礎(chǔ)上提高35%。

(3) 樣品鋼卷的通過參數(shù)維持不變。

基于此,先期對小塊樣板進(jìn)行BMD除鱗處理,并交付檢測、分析,結(jié)果如圖11、12及表2所示。

表2 BMD改進(jìn)工藝后樣板的顯微硬度檢測數(shù)據(jù)記錄Table 2 Microhardness test data record of sample plate after BMD improvement

基于改進(jìn)后的小樣板試制后的檢測結(jié)果(見表2),發(fā)現(xiàn)斷面的金相顆粒與酸洗斷面相同:在表面區(qū)域的金相顆粒沒有發(fā)生顯著的細(xì)化變性,而與中區(qū)晶?；疽恢?參見圖11);同時(shí)通過微觀硬度檢測發(fā)現(xiàn),表面硬度雖然略有增加,但顯著低于前期的表面微觀硬度值。在此試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,再次通過BMD系統(tǒng)完成6.434 t的580DP原料的除鱗加工,并交付車輪廠進(jìn)行沖壓驗(yàn)證,最終發(fā)現(xiàn):580DP料連續(xù)沖壓超1 000片,開裂率完全達(dá)到低于5‰的開裂標(biāo)準(zhǔn)。

基于本次采用BMD工藝向某車輪企業(yè)的第一批次的樣品試制,以及試制過程發(fā)現(xiàn)的沖壓開裂與后續(xù)檢測改進(jìn)結(jié)果分析可知:

(1) BMD針對580DP除鱗后的成品表面外觀,比之酸洗,更加清潔、均勻,色澤更亮,且BMD原料在沖壓期間沒有發(fā)生拉毛、材料表層脫落等現(xiàn)象(酸洗580DP料頻繁出現(xiàn))。

(2) 通過微觀檢測發(fā)現(xiàn):BMD處理的580DP鋼卷表面存在明顯的硬化層,厚度約100 μm,顯微強(qiáng)度高達(dá)700 MPa (由硬度值推算),較之內(nèi)部組織有明顯的硬化;而通過BMD工藝參數(shù)調(diào)整后,其表面過早硬化的缺陷可有效規(guī)避,且通過持續(xù)沖壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)開裂率接近為零。

基于此,針對580DP這類雙向鋼,BMD工藝參數(shù)通過合理的優(yōu)化調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)加工硬化明顯減弱,充分滿足沖壓工藝要求。

3 涂裝及力學(xué)檢測

車輪用料在滿足沖壓工藝之外,另外幾項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)分別為:涂裝耐蝕、疲勞開裂,基于此,針對第二批BMD試驗(yàn)料進(jìn)行如下試驗(yàn)。

3.1 表面微觀形貌

為充分明確BMD除鱗后的成品表面潔凈度與微觀形貌,對BMD成品進(jìn)行取樣并通過掃描電鏡進(jìn)行放大檢測,如圖13。

由圖13兩類樣板的微觀形貌可知:

(1) BMD樣板表面鱗皮殘留率極低,粗糙度相對較大,存在典型的凹凸峰谷形貌。

(2) 酸洗樣板表面同樣鱗皮殘留率極低,但表面十分平坦,凹凸幅度小,粗糙度低。

這種粗糙度更大的BMD表面,在其樣板完成焊接后檢測其車輪總成的熔深,通過切片檢測,結(jié)果完全達(dá)標(biāo)。

3.2 涂裝耐蝕檢測

基于BMD除鱗樣板所制成的成品輪輻,在車輪廠正常的涂裝產(chǎn)線上掛件制成后,先檢測其漆膜厚度,均值為23 μm,達(dá)標(biāo);而后將其置于標(biāo)準(zhǔn)鹽霧箱中,進(jìn)行連續(xù)720 h的耐蝕與擴(kuò)蝕試驗(yàn),具體見圖14。

通過本次鹽霧試驗(yàn),BMD除鱗后的成品輪輻在720 h之后,其樣品表面無顯著氣泡與開裂,且裂紋的單邊擴(kuò)蝕小于2 mm,滿足車輪用涂層腐蝕性能。

3.3 疲勞性能檢測

為充分驗(yàn)證BMD沖壓涂裝后的制成品能充分抵御疲勞斷裂,特將BMD制成的輪轂置于標(biāo)準(zhǔn)臺架疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行持續(xù)破壞性試驗(yàn),具體見圖15。

最終,BMD輪轂臺架疲勞次數(shù)達(dá)133萬次,該數(shù)字比傳統(tǒng)酸洗料所要求的40萬次不斷裂要高出較多[3]。基于力學(xué)分析可知,BMD這種優(yōu)異的抗疲勞性均得益于其表面附著的一層均勻的壓應(yīng)力,這也是由BMD工藝原理所決定的。

基于涂裝及各項(xiàng)力學(xué)性能檢測結(jié)果可知:

(1) BMD樣板在涂裝工藝不變時(shí),漆膜厚度及耐蝕能力均達(dá)標(biāo),且外觀無顯著的紋路缺陷。

(2) BMD成型后的車輪總成,其焊接性能與整體耐疲勞能力均達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

(1) 針對車輪用的雙相鋼,BMD工藝處理后的宏觀表面無顯著紅鐵皮條紋,明顯優(yōu)于酸洗。

(2) BMD工藝通過合理的參數(shù)優(yōu)化可有效解決雙相鋼的表面硬化問題,且通過批量驗(yàn)證,其沖壓性能完全達(dá)標(biāo)。

(3) BMD成品的涂裝、抗疲勞等各項(xiàng)指標(biāo),均滿足或超過原酸洗料的性能指標(biāo),滿足車輪用料的質(zhì)量要求。

基于以上可知:在車輪用鋼領(lǐng)域,BMD可完全替代酸洗。