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        Q235B 熱軋鋼帶沖折開(kāi)裂分析

        2024-01-07 13:44:36董繼亮鄭英輝李建生劉冠華
        山西冶金 2023年11期
        關(guān)鍵詞:軋鋼鑄坯板料

        董繼亮,趙 光,鄭英輝,李建生,劉冠華,薛 強(qiáng)

        (河鋼集團(tuán)唐鋼公司,河北 唐山 063016)

        0 引言

        Q235B 產(chǎn)品作為低牌號(hào)一般結(jié)構(gòu)用鋼,產(chǎn)品廣泛用于結(jié)構(gòu)件、方(圓)管制品以及沖折配件等,市場(chǎng)需求量大。作為低牌號(hào)的普材產(chǎn)品,成分結(jié)構(gòu)隨原材料價(jià)格波動(dòng)變化較為靈活,生產(chǎn)工藝以及有害元素控制范圍較大,在制作一些變形量較大的零件時(shí),易產(chǎn)生不合格品。某廠Q235B 熱軋鋼帶在客戶沖折使用過(guò)程中出現(xiàn)邊部開(kāi)裂問(wèn)題,本文通過(guò)對(duì)開(kāi)裂樣品進(jìn)行理化分析,并對(duì)材質(zhì)依照零件形貌進(jìn)行仿真模擬,分析出Q235B 沖折開(kāi)裂的主要原因,提出改進(jìn)措施加以改進(jìn),有效提升了產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

        1 開(kāi)裂零件形貌及產(chǎn)品材質(zhì)信息

        開(kāi)裂零件形貌如圖1 所示。取沖壓開(kāi)裂零件和原始板料進(jìn)行材料成分、組織及夾雜物和拉伸性能檢驗(yàn),分析開(kāi)裂原因。原始板料的測(cè)試項(xiàng)目有成分、拉伸性能。開(kāi)裂零件的測(cè)試包括成分、組織及夾雜物分析。開(kāi)裂零件和原始板料成分一致,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 化學(xué)成分

        圖1 開(kāi)裂零件1

        2 檢測(cè)結(jié)果分析

        2.1 原始板材橫縱向拉伸性能

        原始板材橫縱向拉伸性能如圖2 所示,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率均滿足Q235B 要求。

        圖2 橫縱向拉伸曲線及指標(biāo)

        2.2 顯微組織及夾雜物檢驗(yàn)

        從零件的開(kāi)裂位置截取金相樣品,其縱向組織及夾雜物如圖3 和圖4 所示。其顯微組織為鐵素體和珠光體混合組織,晶粒細(xì)小,但在縱向組織中發(fā)現(xiàn)明顯的大尺寸MnS 類(lèi)夾雜,橫穿多個(gè)晶粒,破壞了晶粒的連續(xù)性,選取最?lèi)毫拥囊粋€(gè)視場(chǎng)進(jìn)行評(píng)級(jí),為細(xì)系A(chǔ)2。此外,還存在明顯的中心偏析現(xiàn)象。組織與成分有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,該材料的S 含量明顯偏高,易產(chǎn)生硫化物類(lèi)夾雜。

        圖3 開(kāi)裂零件顯微組織

        圖4 開(kāi)裂零件夾雜物檢驗(yàn)(評(píng)級(jí):A2)

        3 成形過(guò)程分析

        板料在沖壓過(guò)程中,中間部位受約束不發(fā)生位移,開(kāi)裂部位為典型的翻邊成形,如圖5 所示。

        圖5 零件成形分析

        板料成形仿真失效分析結(jié)果如圖6 所示(為提高計(jì)算效率簡(jiǎn)化了圖形,零件中的圓孔未畫(huà)出)。

        零件失效判定準(zhǔn)則采用厚度法和FLC 成形極限曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)[1-3],仿真結(jié)果最大減薄處和最大應(yīng)變位置均與實(shí)際零件相同,仿真結(jié)果顯示:變形區(qū)域處于安全變形范圍之內(nèi),即零件不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。由于仿真輸入的材料屬性無(wú)法考慮夾雜物的影響,如果Q235B 中不存在大量的夾雜物,其力學(xué)性能就能夠滿足此零件的加工要求。因此,板料中存在大尺寸MnS類(lèi)夾雜是導(dǎo)致成形失效的誘因。

        4 MnS 生成原因分析

        由成分化驗(yàn)結(jié)果以及板材夾雜物檢測(cè)結(jié)果,結(jié)合仿真零件成形失效分析,確定了板料中存在的大尺寸MnS 類(lèi)夾雜是導(dǎo)致成形失效的誘因[4-5]。由金相組織可以看出,材料鋼帶中心區(qū)域存在明顯的偏析帶以及貫穿多個(gè)晶粒的MnS 類(lèi)夾雜物,因此,對(duì)MnS 夾雜物產(chǎn)生機(jī)理及控制方向進(jìn)行分析。

        通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)可知,MnS 的大量生成發(fā)生于3個(gè)溫度區(qū)間:凝固末端和高、低溫奧氏體溫度區(qū)間。隨著鋼液溫度的降低,鋼液凝固進(jìn)入到固液兩相區(qū)內(nèi),鋼中的錳和硫原子在枝晶前沿不斷富集。當(dāng)溫度繼續(xù)降低到某一臨界溫度,錳和硫的實(shí)際濃度積超過(guò)其平衡濃度積時(shí),MnS 開(kāi)始析出,并大量生成。鋼中存在細(xì)小的氧化物質(zhì)夾雜點(diǎn)會(huì)促進(jìn)MnS 析出。在凝固末端生成的MnS 尺寸一般較大,偏聚在連鑄坯凝固樹(shù)枝晶之間,分布在晶界處,呈板片狀,通常對(duì)材質(zhì)的成型性有害。因此,重點(diǎn)分析MnS 在凝固末端的析出行為。

        夾雜物形貌為600 μm 的長(zhǎng)條狀,根據(jù)板材中夾雜物形貌,結(jié)合鋼板、連鑄坯厚度,推斷夾雜物在鑄坯中為10~15 μm 長(zhǎng)度的棒狀或紡錘狀?yuàn)A雜。夾雜物處于偏中心位置,說(shuō)明鑄坯內(nèi)柱狀晶發(fā)達(dá),中心位置S濃度高,鋼中存在氧化物質(zhì)點(diǎn),促進(jìn)了MnS 非均質(zhì)化形核析出,析出的MnS 對(duì)氧化物質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行包裹。因此,可以推斷出鑄坯中MnS 夾雜中心氧化物質(zhì)點(diǎn)直徑應(yīng)小于5 μm。

        5 改進(jìn)措施

        由上文分析的MnS 夾雜析出原理,可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn):

        1)控制鋼水中的S 含量。

        2)減少鋼中氧化物數(shù)量,減少促進(jìn)MnS 析出的質(zhì)點(diǎn)。

        3)抑制柱狀晶生長(zhǎng),加速等軸晶生長(zhǎng),將液態(tài)鋼水均勻分割,降低中心部位S 濃度。

        針對(duì)Q235B 存在的內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題,結(jié)合MnS 生成原因分析,對(duì)鋼水成分和煉鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化[6-8],具體包括:

        1)S 成分優(yōu)化控制:材質(zhì)w(S)由當(dāng)前的0.024%降低到≤0.015%。

        2)轉(zhuǎn)爐出鋼后強(qiáng)攪2~3 min,保證渣料熔化效果,促進(jìn)一次夾雜物上浮去除。

        3)精煉增強(qiáng)鈣處理前攪拌,促進(jìn)夾雜物碰撞長(zhǎng)大,根據(jù)鋼包攪拌能公式,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際攪拌效果,制定吹氬攪拌參數(shù)。

        4)優(yōu)化二冷水量,在原有基礎(chǔ)上將二冷水量上調(diào)8%,增加鑄坯凝固速度及坯殼厚度。在后續(xù)生產(chǎn)中,中心偏析問(wèn)題有所減輕。

        5)加連鑄輥縫精度管理,輥縫精度從原來(lái)的±0.2 mm,提高到±0.1 mm 以內(nèi),定期校核。

        6 結(jié)語(yǔ)

        Q235B 熱軋鋼用途為翻邊成形,要求材料具有良好的局部成形性,通過(guò)Q235B 熱軋鋼產(chǎn)品化學(xué)成分、組織及夾雜物分析,板料中存在大量的大尺寸MnS夾雜,屬于塑性?shī)A雜物,在材料整體均勻變形過(guò)程中對(duì)材料的性能影響不大(如拉伸試驗(yàn)的性能檢驗(yàn)是合格的),但對(duì)于局部成形而言,在某些位置變形量很大,即便是塑性?shī)A雜物也會(huì)造成應(yīng)力集中,使材料產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致開(kāi)裂,材料成形仿真失效分析,也證明了這一點(diǎn)。

        通過(guò)優(yōu)化控制S 成分、去除煉鋼過(guò)程中的夾雜物、調(diào)整連鑄二冷水量及輥縫精度,Q235B 鋼再未出現(xiàn)沖折開(kāi)裂問(wèn)題。

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