700 MPa級大梁鋼輥壓成形開裂分析

李智慧，馬 聰，王 堯

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

隨著近年來我國關于治超治限法規的持續嚴格實施，商用車輕量化要求逐步提高，鋼鐵材料特別是高強鋼仍是研究重點。商用車縱梁、橫梁是整車重量的重要組成部分，由于輕量化的需求，越來越多的主機廠采用700 MPa級高屈服強度大梁鋼替代傳統的500 MPa級大梁鋼，在滿足產品性能提升的前提下，達到減重的目的。重型卡車車架采用高強鋼單層梁結構可減重20%～35%，在實現輕量化的同時可達到提高安全性能的目的。

700 MPa級大梁鋼是近年來各大鋼廠開發的針對商用車大梁的一個重要產品，主要用來生產中重卡車縱梁。但下游客戶在批量使用該產品一段時間后偶發開裂現象，經過對開裂材料斷口觀察及材料解剖分析，探討了某批次開裂的主要原因，并提出了相應的整改措施。

1 開裂形貌

客戶生產工藝為熱卷開卷—拋丸—連續縱切分卷—連續輥壓成形—橫切。針對開裂材料進行宏觀觀察發現，該批次材料在縱切分卷后已經存在邊部裂紋，輥壓成形后在R角處部分出現開裂現象，如圖1所示。筆者從材料本身出發，采用微觀組織觀察、斷口掃描、力學性能測試、低倍分析等方法展開分析。

2 分析方法

對開裂大梁鋼進行現場取樣，采用數控電火花切割機對斷口取樣，利用火花放電原子發射光譜儀進行成分檢測，斷口微觀形貌在掃描電鏡下進行觀察，拉伸試驗在Z600拉伸試驗機上進行，利用光學顯微鏡對組織、夾雜及裂紋源進行光學分析。

3 檢測結果

3.1 斷口形貌

3.1.1 斷口宏觀觀察

U型梁開裂如圖2所示，為縱梁端部R角處開裂，外側裂紋長33 mm，內側裂紋長12 mm，從開裂斷口形貌觀察受力情況及尺寸，開裂裂紋由U型梁外側端部開裂，向內側進行擴展。分條邊部質量較差，出現起皮粗糙形貌。

3.1.2 斷口微觀觀察

通常，在輥式連續冷彎成形過程中只有彎曲變形，除板料彎曲角局部有輕微減薄外，變形材料的厚度在成形過程中基本保持不變，最大變形部位在彎曲角部位。

圖3為U型梁裂紋起裂處微觀形貌。通過掃描電鏡對斷口進行觀察，圖3(a)處，靠近分條邊部主要是韌窩形貌，為裂紋源；圖3(b)處形貌主要為韌窩夾含有微裂紋的擴展，裂紋擴展相對較慢；圖3(c)處為快速解理區。在主裂紋附近處未發現孔洞、疏松等缺陷。

3.2 開裂部位檢測結果

3.2.1 成分

通過對開裂的零件取樣進行化學成分分析，儀器為直讀光譜儀，結果如表1所示。產品化學成分控制滿足標準要求。

3.2.2 力學

通過對開裂的零件取樣進行拉伸檢測，結果如表2所示，產品力學性能合格，圖4為拉伸斷口形貌。冷彎R角均無明顯開裂、裂紋。但從拉伸斷口形貌看，在板厚中間出現明顯分層現象。

3.1.3 低倍分析

為探尋零件開裂原因，對靠近U型件開裂部位橫向取樣進行低倍分析，如圖5所示。低倍結果顯示U型件底部中心部位未開裂一側經酸洗后存在輕微的偏析、分層現象。

3.1.4 組織形貌及夾雜物

圖6為未開裂位置板厚中心、1/4處金相組織示意圖。可以看出未開裂位置處顯微組織為超細小多邊形鐵素體+珠光體+細小碳化物，晶粒度為11.5。

圖7(a)為開裂處組織形貌，除斷口及裂紋處由于變形影響晶粒存在拉長現象，圖7(b)靠近中心地帶1/4處存在細小裂紋的擴展，但與中心珠光體偏析帶有一定距離。

裂紋起裂處附近未發現明顯夾雜物；通過在金相顯微鏡下觀察試樣，材料開裂、未開裂處均存在氮化物夾雜物，如表3及圖8所示。

4 分析與討論

鋼板在加工過程中發生開裂，首先要形成開裂源，開裂源來源于兩個方面：一方面是材料自身的內部缺陷，如氣孔、夾雜物、內部裂紋等缺陷；另外一方面是在加工過程中產生的，如毛刺、劃傷等缺陷。

對開裂零件現場跟蹤發現，開裂過程為輥壓成形后飛剪分段時在R角處開裂，且開裂位置位于分條卷的頭部。通過對材料化學成分分析，試樣中的P、S控制較好，合金元素控制符合企業設計標準，但從夾雜物分析中看出，鋼板中仍然存在氮化物夾雜物。通過對分條卷邊部宏觀觀察，該批次材料在縱切后邊部質量較差，有些部位甚至出現了裂紋，通過低倍分析發現鋼板心部存在偏析。通過對開裂樣取樣進行分析，該材料抗拉強度為814 MPa，相對偏要求上限，同時在拉伸斷口處仍然可以觀察到有分層現象出現。

經過以上分析可知，該批次材料開裂的主要原因為材料本身強度較高，且材料心部存在偏析，在成形后飛剪過程中，材料在外部剪切力的作用下出現微裂紋并擴展，同時夾雜物的存在促進裂紋擴展的趨勢，因此，R角處產生應力集中開裂。

要解決該材料開裂問題，要從中心偏析及材料強度兩個方面進行改善。要減少偏析產生，則要控制連鑄工序工藝。柱狀晶區與等軸晶區的相對大小主要決定于澆注溫度，低過熱度可有效擴大等軸晶區。同時連鑄過程中投入電磁攪拌工藝可進一步改善中心偏析現象。由于P、S是強偏析元素，在夾雜物分析中發現氮化物夾雜，因此，要控制鋼水中P、S、N的含量。同時控制過熱度、拉速以及投入使用電磁攪拌以擴大鑄坯中心的等軸晶區減少偏析現象。針對強度偏高問題，通過卷取溫度實驗得出，該成分下卷取溫度在600 ℃比卷取溫度在580 ℃時整體強度高30 MPa左右，因此，該牌號材料卷取溫度設定為580 ℃，為保證熱卷性能頭部性能的穩定性，采取全段冷卻，取消熱卷頭部不冷段部分。通過以上工藝改進，工業生產300 t該牌號大梁鋼，在客戶使用過程中開裂問題得到避免。

5 結論

經過對開裂試樣解刨分析，導致該批次材料開裂的主要原因為材料強度控制偏上限，開裂材料屈服強度在733 MPa，抗拉強度814 MPa，該材料在成形過程中存在開裂風險；原材料本身存在輕微偏析、分層現象及夾雜物過多，導致板材在分條、沖壓成形過程中在強度過高的共同作用下產生R角開裂。

針對以上問題的研究，文章提出兩點建議：（1）降低終軋溫度，適當降低材料強度，熱卷頭用全冷工藝，確保熱卷頭部性能的穩定；（2）煉鋼提高O、N氣體含量控制水平，降低P、S含量，減少氮化物夾雜的產生，連鑄過程中投入使用電磁攪拌工藝，減輕中心偏析帶。