汽車結構鋼QSTE420TM沖壓開裂分析及控制措施

孔加維，蘇振軍，曹曉恩，楊建寬

(河鋼集團邯鋼公司 技術中心，河北 邯鄲 056000)

近年來，隨著汽車銷量的快速增加，汽車零部件行業和用鋼量持續增長。汽車零部件種類繁多、成形復雜且多變，對原材料性能要求極為嚴格。零件原材料識別不準確或產品質量波動等因素往往導致用戶使用過程中出現起皺、開裂等問題，給用戶帶來較大的經濟損失。

熱軋酸洗板是板材市場的新產品，其以優質熱軋板卷為原料，經酸洗機組去除表面氧化鐵皮后可直接使用，不經過冷軋工序，具有接近冷軋的表面質量，同時保持著熱軋產品的力學性能，是“以熱代冷”的理想中間產品，不僅能降低用戶成本，而且還能減少用戶分散酸洗造成的污染，被廣泛應用于汽車結構、冰箱空調用壓縮機等行業[1-4]。其中酸洗板QSTE420TM屬于冷成形用高屈服強度汽車結構鋼，由于強度高、成形性優等特點，深受廣大汽車產商的青睞，被廣泛應用于對成形加工性能和強度有較高要求的汽車底盤、構架、座椅、地板等零部件。

本文針對某主機廠使用酸洗板QSTE420TM沖壓過程中出現的開裂現象，進行現場跟蹤試驗，重點對原材料顯微組織、力學性能、斷口形貌等進行檢測分析，提出相應的控制措施，有效解決了用戶沖壓開裂問題。

1 實驗材料與方法

某主機廠自2019年開始采購邯鋼酸洗板QSTE420TM，用于沖壓座椅懸浮系統下殼體，使用一直無問題；近期反饋使用QSTE420TM沖壓該零件時出現開裂問題，開裂處出現分層現象，開裂率30%，不僅影響用戶生產效率，還造成較大經濟損失。座椅懸浮系統下殼體加工工藝路徑：縱切分卷-落料-一次成形-沖孔。開裂形貌見圖1。

圖1 開裂件形貌

根據上述情況，從材料角度出發，開裂料基板上取樣進行化學成分、顯微組織、力學性能檢測，開裂件上斷口處取樣觀察其斷口形貌，分析其產生原因。

2 實驗結果及分析

2.1 化學成分

采用光電直讀光譜儀ARL460對開裂料進行化學成分檢測，其各元素含量均在標準Q/HG 036-2019 要求范圍內。檢測結果見表1。

表1 成分檢測結果 單位：%

2.2 顯微組織

有關研究表明[5-6]，材料組織不均勻且存在較嚴重的混晶是導致沖壓開裂的主要原因，當材料組織存在嚴重混晶時，細小晶粒的晶粒內部和晶界附近變形差距小，粗大晶粒變形差距大，晶粒變形彼此難以協調，各部位的變形抗力大小不均勻，容易在大小晶粒交界處引起應力集中而產生微裂紋，在相同拉應力作用下，更容易出現開裂，產生微裂紋后，在翻邊拉應力的作用下進一步發展成肉眼可視的裂紋，宏觀上表現出開裂特征。為驗證此次QSTE420TM沖壓開裂是否為混晶導致，從開裂料板厚1/4位置、1/2位置分別截取金相試樣，經過粗磨-細磨-拋光-侵蝕工序制備金相樣品，利用ZEISS光學顯微鏡對其顯微組織進行觀察分析。顯微組織檢驗按照GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進行，鐵素體晶粒度評級按GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行。顯微組織如圖2所示。

(a)板厚1/4位置

從圖2可以看出，顯微組織以多邊形鐵素體、珠光體為主，鐵素體晶粒大小均勻，珠光體分布彌散，晶粒度10.5級，無明顯混晶、帶狀組織等異常組織。此次沖壓開裂非材料存在混晶組織所致。

2.3 力學性能

對開裂料進行拉伸及冷彎試驗，拉伸試驗在Zwick/Roell Z100拉伸試驗機上進行，拉伸試樣采用L0=80 mm，b=20 mm，力學性能結果見表2；從開裂料上切取冷彎試樣，沿軋向按d=0.5a，a=180°進行冷彎試驗，鋼板表面出現裂紋缺陷，裂紋沿折痕方向擴展，同時裂口從彎曲表面向鋼板厚度方向擴展，冷彎形貌見圖3。力學性能滿足標準Q/HG 036-2019 要求，冷彎試驗均出現開裂情況。

表2 力學性能檢測結果

圖3 冷彎試樣開裂形貌

2.4 斷口形貌

利用ZEISS掃描電鏡對開裂斷口處形貌進行觀察，開裂處形貌明顯存在分層現象，高倍下斷口微觀形貌為拉長的韌窩(見圖4)，具有典型韌窩特征，且韌窩內分布較多顆粒狀的異物，對韌窩內異物進行EDS能譜檢測，結果如表3所示，所含元素主要為Si、Al、Mg、O、Fe等，判斷異物為氧化鋁類、硅酸鹽類等非金屬夾雜物，與爐渣成分接近，可能是轉爐出鋼時卷入鋼水中未來得及上浮的爐渣。

圖4 斷口微觀形貌及EDS能譜分析

表3 斷口異物能譜分析結果 單位：%

3 分析與討論

據以往研究[7-9]，夾雜物對鋼材的縱向延性的影響不大，而對橫向延性的影響很明顯，夾雜物的形狀對橫向延性的影響更加明顯，粗大的條帶狀塑性夾雜物和點鏈狀脆性夾雜物對塑形的危害最大，同時條帶狀塑性夾雜物和點鏈狀脆性夾雜物能引起鋼的各向異性，且與鋼基體的結合性較差。較多的且較高級別的條帶狀硅酸鹽夾雜和點鏈狀氧化物夾雜是造成冷彎開裂的主要原因之一。冷彎試驗鋼板表面開裂及沖壓開裂斷口附近存在大量氧化鋁、硅酸鹽類等非金屬夾雜物，可推斷鋼板中存在氧化鋁、硅酸鹽類非金屬夾雜物是此次沖壓開裂的主要原因。

材料斷裂過程是微裂紋形成并繼續發展的過程。鋼中非金屬夾雜物為異相物質，夾雜物的存在破壞了鋼基體的連續性、致密性，降低鋼板承載能力，易造成應力集中；由于夾雜物比周圍鋼基體硬，在拉應力作用下，鋼基體與夾雜物兩者變形不同步，甚至氧化鋁類等脆性夾雜物不發生變形，這樣在夾雜物周圍產生很大的應力，導致金屬與非金屬夾雜物兩相界面聯結斷裂，促進了微裂紋的產生，隨著應力逐漸增大，微裂紋進一步的擴展、長大，從而導致零件沖壓過程中出現開裂。

有關研究表明[10-13]，鋼中非金屬夾雜物大多情況是在冶煉和凝固過程中生成，氧化鋁夾雜物是冶煉脫氧合金化時與鋁反應生成，是鋁脫氧鋼中典型的夾雜物，其形狀不規則且帶有棱角，多為黑色、灰色或帶藍色的顆粒，經過精煉處理后氧化鋁夾雜大部分上浮排出，部分殘留在鋼中；硅酸鹽類夾雜物是由于造渣和脫氧劑的使用與鋼中其他元素反應生成的，以復合夾雜物的方式存在，多為白色或淺灰色，通常精煉處理后，此類夾雜物數量增加，是鑄坯中主要非金屬夾雜物。通過對冶煉和連鑄工藝進行優化，鋼中非金屬夾雜物含量和形態可得到有效控制和改善。

4 改善措施及效果

4.1 改善措施

為改善材料深沖性能，必須提高鋼水潔凈度，嚴格控制夾雜物數量和尺寸。鋼中夾雜物的控制是一種系統的工程，針對此次質量問題，借鑒其他鋼廠生產經驗[14-15]，從鐵水預處理、轉爐冶煉、LF精煉到連鑄全過程控制夾雜物的形成，制定相應改善措施：

(1)鐵水預處理過程中嚴格控制硫含量，脫硫目標值≤0.015%，脫硫后防止浮渣中硫的回流。

(2)優化轉爐工藝，提高冶煉終點命中率，減少補吹及深吹、減少下渣量降低轉爐終點[O]。

(3)優化精煉過程中鋼包爐底部吹氬參數，控制吹氬流量和時間，防止鋼水增氮；鋼水進行鈣處理，促使氧化物夾雜變性、上浮、去除。

(4)精細化操作管理，鋼包長水口和中間包下水口采用氬封保護澆鑄，防止在連鑄過程鋼水與空氣接觸氧化、增氮；板坯恒拉速連鑄，中間包鋼水液面波動范圍在±50 mm內，結晶器液位波動控制在±3 mm內，減少因液位波動造成卷渣夾雜。

4.2 實施效果

通過生產工藝優化，汽車結構鋼QSTE420TM冶煉過程中夾雜物大幅減少，產品質量明顯提升。客戶處現場跟蹤此零件生產，共計沖壓約5000件，沖壓過程穩定，未再出現沖壓開裂批量質量問題，不僅降低客戶經濟損失，還成功挽回本廠酸洗板產品質量聲譽。

5 結論

(1)汽車結構鋼QSTE420TM中存在較多氧化鋁、硅酸鹽類非金屬夾雜物，夾雜物破壞鋼基體連續性，鋼板承載能力降低是引起此次沖壓開裂的主要原因。

(2)通過從轉爐初煉、LF爐精煉到連鑄全過程控制夾雜物形成，強化夾雜物去除工序，鋼中夾雜物含量明顯減少，產品質量明顯提升，沖壓開裂風險大幅降低。