鍍鋅鋼板沖壓分層原因分析

姚中海 孫宜強

（武漢鋼鐵（集團）公司研究院 湖北 武漢：430080）

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，冷軋鍍鋅鋼板沖壓件作為鋼鐵工業(yè)的主要產(chǎn)品，發(fā)揮著越來越重要的作用。由于冷軋板的規(guī)格薄、沖壓件質(zhì)量影響因素較多，使其容易出現(xiàn)微裂、開裂、皺褶等質(zhì)量問題［1］，嚴重影響了沖壓件的質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。

本文針對鍍鋅鋼板沖壓件的開裂分層現(xiàn)象，利用掃描電鏡和金相顯微鏡，對分層處的鋼板組織結(jié)構(gòu)進行了觀察，并對分層的成因進行了相關(guān)討論。

1 實驗材料與方法

所取試樣為鍍鋅板沖壓分層試樣。首先對斷口進行宏觀分析，判斷斷裂的性質(zhì)。然后在斷裂部位的缺陷部位和原材料取若干縱、橫截面試樣，進行鑲嵌、磨制、拋光和腐蝕后在OLYMPUS PME3金相顯微鏡下進行微觀形貌和組織觀察，試樣的高倍組織和微區(qū)成分分析在FEI Quanta 400掃描電鏡下進行。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀觀察

該鍍鋅板沖壓件的牌號為H420LAD，板厚為1.30mm。沖壓件宏觀形貌見圖1，產(chǎn)生分層的部位如圖中箭頭所示。分層部位位于沖壓件板厚的中心區(qū)域，分層一側(cè)反向發(fā)生折疊，分層面上較為平坦，顏色較暗淡，無明顯金屬光澤。

圖1 沖壓件宏觀形貌

2.2 掃描電鏡觀察

鍍鋅板沖壓件在空氣中放置時間較長，分層面局部污染較重。在產(chǎn)生分層缺陷的部位切取多個試樣，將分層面用弱酸進行除銹處理，再經(jīng)酒精超聲清洗后，置于Quanta 400掃描電鏡下觀察。

分層面的微觀形貌如圖2所示，可見分層面內(nèi)嵌有較多呈聚集狀態(tài)分布的顆粒狀或塊狀夾渣。多點能譜分析表明，分層面內(nèi)夾渣主要含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn等元素，夾渣的能譜圖見圖3。

圖2 分層面微觀形貌

圖3 夾渣能譜圖

2.3 金相分析

分別在鍍鋅板試樣的沖壓分層部位和未沖壓部位取多個截面金相試樣，用OLYMPUS PME3光學金相顯微鏡、Quanta 400掃描電鏡進行相關(guān)顯微觀察，結(jié)果如下：

在沖壓產(chǎn)生分層缺陷的截面試樣上，分層附近及分層尾端的延長線上均可見鏈狀分布的顆粒狀或塊狀夾渣，分見圖4、圖5；在未沖壓部位的截面試樣上，板厚中心部位也可見呈鏈狀分布的顆粒狀或塊狀夾渣，見圖6，高倍下，夾渣附近還可見條狀硫化物夾雜，見圖7。多點能譜分析表明，各處夾渣的成分均一致，主要含有O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn等元素；條狀夾雜物為硫化錳夾雜。

圖4 分層附近夾渣能譜圖

圖5 分層尾端延長線上夾渣

圖6 未沖壓部位截面夾渣

圖7 條狀夾雜物能譜圖

上述試樣經(jīng)硝酸酒精浸蝕后觀察，鍍鋅板沖壓件的基體組織為鐵素體＋少量珠光體，見圖8。板厚中心部位可見一條寬約0.10mm的鐵素體偏析條帶，偏析帶內(nèi)鐵素體晶粒較粗大，見圖9。鏈狀夾渣分布在偏析條帶的邊部，條狀硫化物分布在偏析條帶的中部，見圖10。

圖8 基體組織

圖9 中心鐵素體偏析條帶

圖10 中心鐵素體偏析條帶

2.4 分析與討論

該沖壓件中心部位存在含 O、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Mn等元素的夾渣帶，是其產(chǎn)生分層現(xiàn)象的主要原因。

鋼中夾渣的存在破壞了基體的連續(xù)性，比較容易變形的金屬在難以變形的夾渣周圍塑性流動時，產(chǎn)生的張力使金屬和夾渣界面的鏈接斷裂形成空隙。而且夾渣與鋼基結(jié)合力較弱，在承受沖擊變形時易與基體分離，在其端部與相毗鄰的金屬基體形成微裂紋。同一平面上的夾渣數(shù)量越多，微裂紋越易連接形成裂紋，裂紋進一步擴展，最終產(chǎn)生分層缺陷。

從夾渣的成分可以判斷，該夾渣與連鑄使用的保護渣成分類似，應(yīng)是連鑄時保護渣卷入鋼液造成的。結(jié)晶器保護渣卷入一般是由于結(jié)晶器內(nèi)不合理的流場狀況引起結(jié)晶器液面鋼水流速過大或彎月面湍動加劇造成的［2］。為減少夾渣，可采取措施優(yōu)化結(jié)晶器內(nèi)部流場狀況，比如通過加大水口浸入深度，穩(wěn)定拉速的方式來減小液面速度和波動。

其次，鍍鋅板沖壓件中心部位存在明顯的鐵素體偏析條帶，也是產(chǎn)生分層的另一個因素。

鋼中鐵素體偏析條帶一般是與硫化物夾雜共存的。從熱力學角度看，硫化物夾雜的熔點較高，是在鐵素體形成以前較高的溫度下形成的。鋼中硫化物夾雜以兩種不同的形式析出，第一種是在鋼錠凝固末期的共晶反應(yīng)中，形成較粗大的共晶硫化物；第二種是在凝固后的析出反應(yīng)中，形成較細小、成片分布的粒狀析出硫化物。這些硫化物在鋼的奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變過程中，成為鐵素體的形核核心［3］。

隨著軋制過程的進行，鋼體沿縱向伸長，集中分布的硫化物被拉開成鏈狀，以它們?yōu)樾魏撕诵牡蔫F素體在長大過程中相互連結(jié)，形成鐵素體帶狀偏析。由于硫化物形成時需要較多的錳，所以在條帶中鐵素體的含錳量明顯低于基體中鐵素體的含錳量。這種偏析影響了鋼鐵組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使其微觀各部位力學性能不均勻。在鋼受力變形過程中，易產(chǎn)生微裂紋，進一步形成裂紋源產(chǎn)生應(yīng)力集中，使之擴大形成宏觀裂紋。

本文中沖壓件板厚為1.30mm，而中心部位的偏析條帶寬度約為0.10mm，約占板厚的7.70%，同時在偏析條帶上還存在鏈狀夾渣和條狀硫化錳夾雜，二者的共同作用，使鋼板在受沖壓作用時容易產(chǎn)生開裂分層現(xiàn)象。

目前，一般采用爐外精練、鋼包吹氬等措施來凈化鋼質(zhì)，但徹底消滅夾雜是很困難的。在鋼坯連鑄結(jié)晶區(qū)采用電磁攪拌是一種使鋼質(zhì)均化的較有效方法，在磁力作用下，鋼液自行循環(huán)攪拌，可以減少粗大柱狀晶，同時使鋼中硫化物等夾雜的分布更加均勻［4］。電磁攪拌可大大減少硫化物的集中程度，對軋后鋼材的組織均勻性有著較好的作用，避免了鋼中鐵素體偏析條帶的形成，提高了鋼材的質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）造成鍍鋅板沖壓件產(chǎn)生分層現(xiàn)象的主要原因是鋼板中心部位存在較多聚集分布的因保護渣卷入而造成的夾渣。同時，板厚中心部位還存在明顯的鐵素體偏析條帶，夾渣位于偏析帶上，二者的共同作用，使鋼板組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性遭到破壞，導致鋼板在受沖壓作用時最終產(chǎn)生開裂分層現(xiàn)象。

（2）通過加大水口浸入深度，穩(wěn)定拉速的方式可以減少卷渣，提高鋼材的純凈度；采用鋼坯電磁攪拌等措施，可以使鋼質(zhì)均化，減少了硫化物的集中程度，避免鋼中鐵素體偏析條帶的形成，提高鋼材的質(zhì)量。

［1］陳煒，侯波，貝建偉，等，激光拼焊板開裂判據(jù)的建立及成形極限預測［J］.江蘇大學學報，2008，29（4）：280－83.

［2］蕭忠敏.武鋼煉鋼生產(chǎn)技術(shù)進步概況［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：407.

［3］上海交大《全相分析》編寫組，全相分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1982：109.

［4］周慧敏.亞共析鋼中鐵素體條狀偏析及硫化物夾雜［J］.山東冶金，1992，14（5）：31－34.