王 進(jìn)，穆海玲

(1.寶鋼股份中央研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，沖壓技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域中也獲得了較大的發(fā)展，如由原來(lái)單工序沖壓升級(jí)為連續(xù)沖壓，提高了工作效率，但這對(duì)原材料的質(zhì)量提出了更高的要求，而原材料成分和工藝設(shè)計(jì)的不合理以及產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)等因素常常會(huì)導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂的現(xiàn)象，給加工企業(yè)和材料供應(yīng)商帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。

熱軋酸洗板S420MC產(chǎn)品屬于冷成型熱軋汽車(chē)結(jié)構(gòu)用鋼，不但有較高的強(qiáng)度，還具備良好的表面質(zhì)量和優(yōu)異的成型性能，因而在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛地使用。某汽車(chē)用戶主要生產(chǎn)汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和車(chē)身結(jié)構(gòu)件，該用戶用S420MC酸洗板在制作汽車(chē)底盤(pán)系統(tǒng)左、右控制臂時(shí)出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂問(wèn)題，沖壓開(kāi)裂比例高達(dá)36%-50%，嚴(yán)重影響用戶給整車(chē)廠的正常供料。

本文針對(duì)該汽車(chē)用戶在使用S420MC酸洗板出現(xiàn)沖壓開(kāi)裂的現(xiàn)象，重點(diǎn)從用戶的落料及沖壓工藝、酸洗板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤，對(duì)典型缺陷樣品的成分、顯微組織、性能、夾雜物等方面進(jìn)行檢測(cè)分析，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，有效解決了該汽車(chē)零部件的沖壓開(kāi)裂問(wèn)題。

1 開(kāi)裂現(xiàn)象及檢測(cè)過(guò)程

用戶沖壓工藝流程：酸洗板S420MC委托配送加工商縱切分條成兩卷，然后對(duì)其進(jìn)行開(kāi)卷并上連續(xù)沖床，連續(xù)沖出左、右控制臂的落料片(見(jiàn)圖1)，左、右控制臂落料片經(jīng)過(guò)5道次組合模沖壓成型(見(jiàn)圖2)。

圖1 落料樣片

根據(jù)沖壓零件與酸洗帶鋼寬度方向的位置關(guān)系(見(jiàn)圖3)，我們?cè)跊_壓跟蹤前對(duì)酸洗帶鋼工作側(cè)、中部、傳動(dòng)側(cè)的沖裁位置作對(duì)應(yīng)1、2、3、4的落料標(biāo)識(shí)：1代表工作側(cè)左控制臂落料片、2代表中部右控制臂落料片、3代表中部左控制臂落料片、4代表傳動(dòng)側(cè)右控制臂落料片(見(jiàn)圖3)。

圖3 沖壓零件與酸洗帶鋼的位置關(guān)系圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)跟蹤，左、右控制臂各沖壓40片，共計(jì)80片。根據(jù)沖壓結(jié)果發(fā)現(xiàn)均在右控制臂R角處開(kāi)裂(見(jiàn)圖2)，左控制臂均未有開(kāi)裂現(xiàn)象，具體見(jiàn)下表1。

1.1 化學(xué)成分

通過(guò)用CS-444 型紅外碳硫儀和A RL-10 型直讀光譜儀分別對(duì)該鋼的切屑試樣及塊狀試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,其檢測(cè)成分都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10149-2的要求， 見(jiàn)表2。

表1 左、右控制臂沖壓跟蹤對(duì)比

表2 帶鋼化學(xué)成分(%)

1.2 力學(xué)性能

通過(guò)用WAW-600 型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)典型缺陷樣板不同方向的力學(xué)性能進(jìn)行拉伸對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)橫向屈服強(qiáng)度比縱向強(qiáng)度高60 MPa左右，并且橫向延伸率偏低，處于標(biāo)準(zhǔn)下限，見(jiàn)表3。

1.3 金相組織

通過(guò)對(duì)金相試樣經(jīng)拋光和浸蝕后, 用Axiophot2 型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行顯微組織分析，其組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為10.5級(jí)，在開(kāi)裂部位附近有夾雜物存在，級(jí)別為A1.0， 通過(guò)對(duì)有開(kāi)裂部位的拋光態(tài)金相試樣用Phlips XL-30 型掃描電鏡(SEM) 觀察,其成分用美國(guó)EDAX Phenix 型能量色散能譜儀(EDS) 測(cè)定,其斷口上有異物存在，對(duì)其進(jìn)行能譜分析，所含元素主要為鈉、氧、鋁、鈣、鐵；對(duì)金相拋光樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，并且對(duì)夾雜物進(jìn)行能譜分析，所含元素為硫和錳，具體見(jiàn)圖4～9。

表3 帶鋼不同方向性能檢測(cè)

圖4 晶粒度100×

圖5 開(kāi)裂部位附近夾雜物500×

圖6 斷口處電鏡形貌

2 分析與討論

2.1 開(kāi)裂原因分析

在熱軋生產(chǎn)過(guò)程中由于沿板寬溫度分布存在固有的差異，邊部溫度比中部低30℃左右，板寬方向的邊部與中部組織性能有一定差異[1]，但通過(guò)以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)跟蹤和生產(chǎn)圖紙發(fā)現(xiàn)，同一塊鋼板同時(shí)沖壓左、右控制臂零件時(shí)，左控制臂無(wú)開(kāi)裂，右控制臂開(kāi)裂嚴(yán)重，并且開(kāi)裂均在右控制臂，這與零件在酸洗板寬度即邊、中部的位置關(guān)聯(lián)度不大；

圖7 斷口上異物能譜

圖8 金相拋光樣電鏡形貌

圖9 夾雜物能譜

從生產(chǎn)圖紙中分析其左、右控制臂形狀尺寸基本相同，不同的是R角所處的位置有差異，即左控制臂R角為與軋制方向一致，為軋板縱向；右控制臂R角為與軋制方向垂直，為軋板橫向。由于軋制方向的變形量不同，沿軋制方向變形量大，板寬方向變形量小，板卷沿軋制方向和垂直軋制方向的性能相比，鋼板強(qiáng)度縱向較橫向低，鋼板延伸率縱向較橫向高，從拉伸檢測(cè)結(jié)果也表明了這一規(guī)律，因此，沖壓開(kāi)裂與零件受力薄弱處的方向性有顯著的相關(guān)性。

從沖壓工藝的角度看，由于該零件成形缺陷處為伸長(zhǎng)類翻邊成形，即為內(nèi)凹的外緣翻邊，此種翻邊凸緣成形會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力而易于破裂[2]；在伸長(zhǎng)類成形工藝中，當(dāng)鋼板屈服強(qiáng)度低時(shí)，所需的拉力也小，成形工藝的穩(wěn)定性高，不易拉裂[3]，即較低的材料強(qiáng)度和較高的延伸率會(huì)更有利于成形；但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取回缺陷樣板進(jìn)行檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)鋼板橫向屈服強(qiáng)度高于縱向60 MPa左右，延伸率偏下限。

通過(guò)金相和電鏡檢測(cè)表明在開(kāi)裂部位附近有硫化錳等夾雜物的存在，由于帶鋼S含量偏高，會(huì)使鋼中形成硫化錳夾雜，會(huì)進(jìn)一步降低材料的韌塑性，在沖壓變形過(guò)程中由于夾雜物的存在會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中, 致使有夾雜物存在的位置不能隨基體的形變而變形, 產(chǎn)生微裂紋或小孔,在隨后的變形過(guò)程中, 微裂紋或小孔進(jìn)一步聚集、長(zhǎng)大, 最終導(dǎo)致板材的開(kāi)裂，為此需要從成分設(shè)計(jì)和煉鋼工藝著手改善帶鋼內(nèi)在純凈度。

因此，較高的橫向屈服強(qiáng)度、較低的延伸率以及帶鋼硫化錳等夾雜物的存在是導(dǎo)致右控制臂沖壓開(kāi)裂的主要原因。

2.2 開(kāi)裂消除措施

由于此零件開(kāi)裂是材料屈服強(qiáng)度高、延伸率低以及夾雜物控制所造成的，故消除此零件開(kāi)裂缺陷可從以下幾個(gè)方面采取有效措施：

1)由于鈮元素作為一種重要的微合金元素，在軋制過(guò)程中可以提高材料的再結(jié)晶溫度，形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，最終通過(guò)晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化影響強(qiáng)度和韌性，為此通過(guò)適當(dāng)減少鈮元素含量，進(jìn)一步降低帶鋼的整體強(qiáng)度；

2)通過(guò)提高卷取溫度，適當(dāng)增加晶粒的尺寸，可使帶鋼的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步降低；

3)由于錳元素與硫元素形成的硫化錳夾雜物和帶狀組織對(duì)鋼板的成形性具有不利作用，為此通過(guò)縮小硫含量的控制范圍；同時(shí)優(yōu)化煉鋼精煉工藝路徑，采取LF+RH 雙聯(lián)工藝，并且RH采取本處理工藝，進(jìn)一步提高帶鋼的內(nèi)在純凈度；

4)進(jìn)一步收嚴(yán)該產(chǎn)品的性能放行標(biāo)準(zhǔn)，確保沖壓生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定。

2.3 實(shí)施效果

通過(guò)有效措施的采取，改進(jìn)后鋼板橫向屈服強(qiáng)度、延伸率及夾雜物程度明顯改善：橫向屈服強(qiáng)度由改進(jìn)前均值528 MPa降低到475 MPa，橫向延伸率均值由21%提高到27%，硫化物夾雜控制在0.5級(jí)以下；通過(guò)跟蹤用戶后續(xù)2000噸的使用，沖壓效果良好，未再發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，并且恢復(fù)了對(duì)該汽車(chē)用戶的正常供貨。

3 結(jié)語(yǔ)

1) S420MC酸洗板橫向強(qiáng)度高、延伸率低以及鋼板存在硫化錳等夾雜物，是引起右控制臂沖壓開(kāi)裂缺陷的主要原因；

2)通過(guò)采取降低鈮合金含量和提高卷取溫度,降低了帶鋼強(qiáng)度，提高了延伸率，保證鋼板合適的強(qiáng)韌性；

3)通過(guò)降低硫含量和優(yōu)化煉鋼工藝路徑，使帶鋼純凈度得到進(jìn)一步改善，從而有效降低開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；

4)收嚴(yán)產(chǎn)品性能的放行標(biāo)準(zhǔn)，確保了左右控制臂沖壓生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定。