寶鋼BMD供應鋼制輪轂的批量實踐

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,我國汽車工業持續高速發展,高強度、高成形、高精度和高表面鋼板將是今后汽車用鋼的發展方向。熱軋雙相鋼具有強度高、延展性好、屈強比低等優異的綜合性能,相比于傳統的固溶強化鋼和沉淀強化鋼具有更好的強度和延性匹配,非常適合于制作高強度成形件。更高強度的原料可以通過更薄的方式達到以前同等的綜合強度,從而達到減重的目標,此舉可顯著降低承載件的原料用量。對于汽車、拖拉機等移動機械,自重是決定燃料消耗的最重要指標之一,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,該元素含量達到一定水平時往往容易導致酸洗除鱗后的成品表面產生“紅鐵皮條紋”。這種缺陷直接導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,向某車輪企業試制多個批次的車輪用料,解決新工藝產生的沖壓開裂問題,并以此充分驗證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”而開發的一項新型環保型除鱗工藝,具備“零污染、高質量、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,B為介質回收系統,C為過濾系統,D為供砂系統。

寶鋼BMD具體工藝流程如下:

(1) 噴射系統接收來自過濾系統與供砂系統的水和磨料兩種介質,在其內進行快速混合并發射,向目標板面擊打、磨削,實現目標板面鱗皮的快速清除。

(2) 介質回收系統將除鱗后的磨料顆粒、鱗皮粉末、磨料破碎后的細小粉末、水體等一并收集,快速實現水、砂分離,并將分離后的污濁水體輸送至過濾系統,同時將磨料介質輸送至供砂系統,實現兩類介質的處理回用。

(3) 過濾系統基于物理原理,快速對動態水體進行懸浮物的截取、收集、輸出,同時將處理后的潔凈水體輸送至噴射系統的各用水點,實現水體的回收利用。

(4) 供砂系統對輸入的磨料顆粒進行快速的選粒、清理雜物、體量檢測與動態補充,并動態輸送至噴射系統,實現磨料顆粒的回收利用[2]。

本次采用BMD-Z機組(即BMD第一條窄鋼卷除鱗機組)進行除鱗處理,除鱗方案及參數為:

(1) 采用混合磨料式除鱗處理,無化學酸洗介質。

(2) 除鱗處理后,經過沖洗→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,項目組計劃分批次進行BMD除鱗處理與分批交付。

1.2 原料準備與加工

基于國內某車輪制造企業的委托,BMD機組接受多卷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兩個批次。

基于此,第一批次的熱軋原料(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現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,還需進行矯直→定尺橫切→堆垛,將其形成的板料轉運至車輪廠內,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,其部分典型工序實拍如圖5所示:

(1) 樣板沖裁,沖裁過程中確保質量較優的面朝上。

(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量較優面。

(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,質檢人員在螺栓孔的邊緣處頻繁發現裂紋,尤其是螺栓孔的弧形凸起部位,有時單個樣件上能發現多處條形裂紋,裂紋長度在5～20 mm范圍內不等,具體如圖6所示。

這種開裂率已經顯著超過了普通酸洗原料的正常開裂率,根據車輪廠家的質檢人員統計,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?；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的原料開發專家以及車輪廠家的質檢負責人等多次調研、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,規格需完全相同。

(2) 檢測內容(一)為材料斷面金相組織形貌。

(3) 檢測內容(二)為除鱗后樣板表面的臨邊區域硬度值檢測,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)處理后的各項性能,需詳細完成斷面金相、表層顯微硬度等指標的仔細檢測對比。為此,在BMD處理的成品卷上直接切取樣板、制樣,并依托光學放大裝置進行微觀檢測,具體如圖7。

基于以上制樣,依托金相顯微鏡進行微觀檢測,結果如圖8。

基于以上微觀實物照片可知,樣件厚度的邊部與中心區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,每個晶粒都比較飽滿。

(2) 在距離表面100 μm以內的臨邊區域,晶粒明顯被擠壓成長條狀,且晶粒細小、扁平。

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

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

(2) 檢測方式為在邊界層內、截面1/4厚度處隨機選4個點進行檢測。

這種方式的詳細檢測結果及數據參見圖9所示。

表1 BMD原工藝樣板的顯微硬度檢測數據記錄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致的結果。

2.3 同規格酸洗樣板檢測

為充分論證BMD檢測結果所產生的根源,可通過對同規格的酸洗樣板進行相同內容的檢測。通過肉眼對比可知:同規格酸洗樣板,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域與截面中間區域的金相組織基本一致,無論是晶粒大小、分布狀態還是各晶粒的形狀特征等,均較為一致。由此可定論:酸洗工藝沒有出現表層晶粒的物性改變,即未發現表面硬化。

2.4 BMD工藝改進后檢測

依托以上分析結果,結合580DP這類雙相鋼的材料屬性,降低打擊強度、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技術開發團隊對BMD除鱗系統的參數進行了針對性的調整,主要為:

(1) 降低介質的打擊速度,在原模型固定參數的基礎上降低20%。

(2) 增大介質供應的質量流,在原有介質供應量的參數基礎上提高35%。

(3) 樣品鋼卷的通過參數維持不變。

基于此,先期對小塊樣板進行BMD除鱗處理,并交付檢測、分析,結果如圖11、12及表2所示。

表2 BMD改進工藝后樣板的顯微硬度檢測數據記錄Table 2 Microhardness test data record of sample plate after BMD improvement

基于改進后的小樣板試制后的檢測結果(見表2),發現斷面的金相顆粒與酸洗斷面相同:在表面區域的金相顆粒沒有發生顯著的細化變性,而與中區晶?；疽恢?參見圖11);同時通過微觀硬度檢測發現,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。在此試驗數據的基礎上,再次通過BMD系統完成6.434 t的580DP原料的除鱗加工,并交付車輪廠進行沖壓驗證,最終發現:580DP料連續沖壓超1 000片,開裂率完全達到低于5‰的開裂標準。

基于本次采用BMD工藝向某車輪企業的第一批次的樣品試制,以及試制過程發現的沖壓開裂與后續檢測改進結果分析可知:

(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生拉毛、材料表層脫落等現象(酸洗580DP料頻繁出現)。

(2) 通過微觀檢測發現:BMD處理的580DP鋼卷表面存在明顯的硬化層,厚度約100 μm,顯微強度高達700 MPa (由硬度值推算),較之內部組織有明顯的硬化;而通過BMD工藝參數調整后,其表面過早硬化的缺陷可有效規避,且通過持續沖壓試驗發現開裂率接近為零。

基于此,針對580DP這類雙向鋼,BMD工藝參數通過合理的優化調整,可實現加工硬化明顯減弱,充分滿足沖壓工藝要求。

3 涂裝及力學檢測

車輪用料在滿足沖壓工藝之外,另外幾項關鍵性能指標分別為:涂裝耐蝕、疲勞開裂,基于此,針對第二批BMD試驗料進行如下試驗。

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成品進行取樣并通過掃描電鏡進行放大檢測,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,結果完全達標。

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線上掛件制成后,先檢測其漆膜厚度,均值為23 μm,達標;而后將其置于標準鹽霧箱中,進行連續720 h的耐蝕與擴蝕試驗,具體見圖14。

通過本次鹽霧試驗,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制成的輪轂置于標準臺架疲勞試驗機上進行持續破壞性試驗,具體見圖15。

最終,BMD輪轂臺架疲勞次數達133萬次,該數字比傳統酸洗料所要求的40萬次不斷裂要高出較多[3]?；诹W分析可知,BMD這種優異的抗疲勞性均得益于其表面附著的一層均勻的壓應力,這也是由BMD工藝原理所決定的。

基于涂裝及各項力學性能檢測結果可知:

(1) BMD樣板在涂裝工藝不變時,漆膜厚度及耐蝕能力均達標,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標。

4 結論

(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,明顯優于酸洗。

(2) BMD工藝通過合理的參數優化可有效解決雙相鋼的表面硬化問題,且通過批量驗證,其沖壓性能完全達標。

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

基于以上可知:在車輪用鋼領域,BMD可完全替代酸洗。