汽車大梁鋼成型開裂的原因分析

楊成鑫

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361102）

我國(guó)制造業(yè)在快速的發(fā)展，沖壓鈑金件的復(fù)雜性和可變性越來越大。汽車大梁鋼主要應(yīng)用于重卡汽車底盤上的縱梁、襯梁、橫梁以及前后車橋等結(jié)構(gòu)件，這些部件在汽車行駛過程中幾乎承載了貨物的全部重量，其綜合性能對(duì)整車的行駛安全和使用壽命至關(guān)重要[1]。沖壓后的縱梁形狀簡(jiǎn)單，一般采用槽鋼或U形梁，除了一般的機(jī)械性能外，還對(duì)寬冷彎工藝性能要求很高。因?yàn)闄M梁和加強(qiáng)筋比桁條更復(fù)雜，因此在沖壓過程中它們更容易破裂。不合理的材料選擇和原材料質(zhì)量的波動(dòng)往往都會(huì)導(dǎo)致了沖壓的時(shí)候出現(xiàn)了裂縫，這樣會(huì)給加工的企業(yè)以及材料的供應(yīng)商帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。所以，我們從原材料的鑄造工藝進(jìn)行有效分析，并實(shí)施有效的工藝改進(jìn)措施，使得原材料從冶金質(zhì)量上更上一層，最終達(dá)到所需的使用要求。

1 化學(xué)成分及顯微組織的分析

1.1 化學(xué)成分的分析

我們以低碳、高錳和適宜的鈦微合金化復(fù)合設(shè)計(jì)方案用于汽車大梁鋼的冶煉。其中，適當(dāng)?shù)卦黾渝i含量以補(bǔ)償由低碳含量引起的抗拉強(qiáng)度的降低。通過一定分析，發(fā)現(xiàn)化學(xué)成分滿足國(guó)標(biāo)GB/T3273-2005的要求。

1.2 組織和夾雜物的分析

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)大梁鋼的組織、帶狀組織和夾雜物進(jìn)行分析，結(jié)果表明，顯微組織為鐵素體（F）+珠光體（P），珠光體體積分?jǐn)?shù)為10%，晶粒度為10.5級(jí)，心部帶狀組織為1.0級(jí)，非金屬夾雜物屬于脆性夾雜，且略高于正常的水平，這樣會(huì)引起在變形過程中因?yàn)樽冃尾粎f(xié)調(diào)而增加開裂的幾率[2]。為能夠解決到?jīng)_壓裂紋這個(gè)問題，必須控制夾雜物的形成，加強(qiáng)夾雜物的去除，從鐵水預(yù)處理、一次轉(zhuǎn)爐冶煉、LF爐冶煉到連鑄。

2 各工序夾雜物的控制

從熔融鐵預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐初級(jí)冶煉再到LF爐精煉到連鑄等每道工序都必須要經(jīng)過嚴(yán)格的精細(xì)管理，任何鏈接的任何偏差都可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品中的雜質(zhì)過多。

2.1 鐵水預(yù)處理

在汽車梁鋼冶煉過程中，對(duì)熱處理和LF爐精煉進(jìn)行了脫硫處理。在預(yù)處理的時(shí)候，采用噴施鈍化鎂顆粒的工藝然后進(jìn)行脫硫。脫硫目標(biāo)值＜0.015%。因?yàn)槊摿蛟灰讖蔫F水中析出，將的爐渣骨料分散在鐵水上，使脫硫渣變厚。嚴(yán)格的結(jié)渣操作，生產(chǎn)出符合沖壓要求的鋼材。鐵預(yù)脫硫后刮渣，盡可能刮渣，防止硫的返回。可以減輕低頻爐的負(fù)荷，減少夾雜物的來源，縮短精煉過程中的脫硫時(shí)間，使精煉鋼中漂浮夾雜物能夠在更短的時(shí)間內(nèi)被去除[3]。

2.2 轉(zhuǎn)爐脫磷

脫磷是轉(zhuǎn)爐冶煉中的一個(gè)難題。如果脫磷操作不符合標(biāo)準(zhǔn)的話，會(huì)導(dǎo)致礦渣中氧化鐵含量變高，鋼水中氧含量也增加。吹制后加入脫氧劑需要從鋼中去除氧。當(dāng)使用鋁基脫氧劑時(shí)，脫氧產(chǎn)物如果沒有被很好地去除，仍然還留在鋼夾的雜物里面。轉(zhuǎn)爐冶煉的時(shí)候，爐渣的含氧量會(huì)高過鋼。只有當(dāng)最終渣中氧化鐵含量降低時(shí)，才能降低最終鋼液中的氧含量。為能夠降低到鋼里面的夾雜物含量，能有效地脫磷，轉(zhuǎn)爐冶煉的時(shí)候應(yīng)該采取以下措施：一是這一過程中要適當(dāng)增加石灰的用量，每爐優(yōu)質(zhì)石灰添加量由5t增加到6t，每爐鋼添加量約為150t，石灰采用蒸汽窯石灰，它的活性高，結(jié)渣快；二是要依據(jù)渣鋼界面脫磷反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，只有劇烈攪拌熔池，形成泡沫渣，才能快速進(jìn)行脫磷[4]。轉(zhuǎn)爐初始熔化溫度要低于1400℃，在此條件下應(yīng)進(jìn)行脫磷，并且滿足以下幾種情況：

首先在有碳的情況下脫磷：通過鋼中碳和氧反應(yīng)形成的CO對(duì)金屬熔池有著極為強(qiáng)烈的攪拌作用，并且爐渣與鋼完全接觸，這增加了爐渣與鋼之間的反應(yīng)界面，并且可以有效地脫磷。

其次全程底吹：底吹的主要目的是為能夠促進(jìn)攪拌，然后增加爐渣和鋼倆者之間的反應(yīng)界面，在加快反應(yīng)之后，可以起到快速脫磷的效果，這樣才能夠降低到爐渣里面氧化鐵的含量。

最后在完成轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)測(cè)溫取樣檢測(cè)，我們通過轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)化、爐渣檢測(cè)等的新技術(shù)的應(yīng)用，可以為低碳汽車大梁鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)提供保證。采用轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼的系統(tǒng)，在進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉的時(shí)候，使得合格率變成93%，氧含量（鋼水的含氧量）平均值為550×10-6，同時(shí)減少了鋼液中還原劑和夾雜物的來源。另外，在大約3min的送樣、制樣、檢測(cè)時(shí)間里，我們需要利用好這段時(shí)間來進(jìn)行底吹強(qiáng)攪拌的操作，因?yàn)殇撍鲃?dòng)的強(qiáng)烈沖擊和攪拌作用，令脫氧產(chǎn)物充分的團(tuán)聚、碰撞、生長(zhǎng)和懸浮。

2.3 LF爐精煉工序

通過電極加熱精細(xì)調(diào)節(jié)鋼水的成分和溫度可以為連續(xù)鑄造提供合適的過熱鋼。LF爐電極在加熱鋼渣前采用埋弧加熱，避免鋼水的暴露。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，暴露的表面積越大，氧化的可能性越大。加強(qiáng)到對(duì)生產(chǎn)的組織以及管理，轉(zhuǎn)爐鋼的時(shí)候一定要使用連續(xù)使用的清潔鋼包，轉(zhuǎn)爐鋼的時(shí)候要能夠及時(shí)的升級(jí)到煉鋼廠，還要禁止使用爐溫過高的情況，加熱的時(shí)間會(huì)過長(zhǎng)，LF爐精煉還可以使堿性還原渣脫硫。我們依據(jù)鋼水的硫含量，確定在鋼包渣表面加入鋁粉和石灰的量。LF爐具有很強(qiáng)的脫硫能力，但當(dāng)鋼中含有高硫的時(shí)候，精煉過程中加入的鋁量會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致氧化鋁夾雜物增加。在進(jìn)行熱軋鋼板生產(chǎn)的時(shí)候，脫硫的任務(wù)可以轉(zhuǎn)移到熱軋的處理，從而減少帶夾雜物的來源。LF爐在精煉后期為鈣生產(chǎn)線提供原料，在通過鈣處理將高熔點(diǎn)夾雜物轉(zhuǎn)化為浮動(dòng)的低熔點(diǎn)夾雜物。在用鈣處理鋼水之后，以低流速將氬氣泵入鋼包中8min，以使夾雜物完全漂浮。

2.4 連鑄工序

在連鑄過程中對(duì)中間包鋼液應(yīng)控制在高水平。依據(jù)中間包中鋼液的重量，中間包中鋼液的重量為t（40±2）。在正常的鑄造的時(shí)候，中間包中鋼水的重量要求在33t以上才能改變中間包，以保證鋼中的夾雜物進(jìn)入中間包中涂層劑的浮動(dòng)，這些液位的增加，能夠使得鋼中的夾雜物含量趨于穩(wěn)定。另外，針對(duì)連鑄過程中形成的大型夾雜物的控制，既要保證連鑄工序中拉速的穩(wěn)定，也要控制澆注時(shí)液面的平穩(wěn)。

此外，針對(duì)連鑄連軋過程中的冷軋過程也要進(jìn)一步控制。在冷軋中退火產(chǎn)生的粗晶通常是由軋制過程中冷塑性變形的不均勻或臨界變形引起的。一般來說，隨著變形程度的增加，晶粒尺寸從大到小逐漸減小，但晶粒尺寸有兩個(gè)變形峰，即兩個(gè)微晶區(qū)。第一個(gè)大顆粒區(qū)域稱為臨界變形區(qū)域，這是一個(gè)小的變形范圍。由于低變形和低成核，臨界變形區(qū)中的粗晶體通過消耗周圍的變形晶胞而生長(zhǎng)。當(dāng)變形大于臨界變形時(shí)，在金屬內(nèi)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致再結(jié)晶，因此，可以通過重結(jié)晶獲得細(xì)晶粒。而當(dāng)變形足夠大時(shí)，可能發(fā)生第二大顆粒區(qū)域。第二大晶粒區(qū)域通常被稱為具有大粒徑的晶粒結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)晶體表面上的多個(gè)金屬粒子被布置成具有足夠的變形方向變形，稱為變形織構(gòu)和再結(jié)晶退火。在具有變形織構(gòu)的材料上，再結(jié)晶后的晶粒取向基本上與原始變形織構(gòu)相同。

該取向的再結(jié)晶結(jié)構(gòu)通常被稱為具有顆粒的大顆粒。分析了材料的力學(xué)性能和裂紋附近樣品的微觀結(jié)構(gòu)。因?yàn)榛炀КF(xiàn)象僅出現(xiàn)在鋼的表面，混晶層非常薄，對(duì)鋼的強(qiáng)度影響不大，但對(duì)加工影響很大。依據(jù)SMT的公式，鋼強(qiáng)度與晶粒尺寸呈線性關(guān)系，晶粒越細(xì)的話，強(qiáng)度就會(huì)越高。因此，當(dāng)混合晶體鋼在冷彎曲期間變形的時(shí)候，粗晶粒率低并且開始發(fā)生位錯(cuò)轉(zhuǎn)移機(jī)制。但是細(xì)晶粒不會(huì)屈服，并且位錯(cuò)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)打開。此時(shí)，當(dāng)位錯(cuò)在粗粒和細(xì)粒之間滑動(dòng)晶界的時(shí)候，它會(huì)被阻擋開來，這種不匹配的變形導(dǎo)致晶粒間應(yīng)力集中的加劇，導(dǎo)致粗晶粒開裂，從而材料斷裂。因此，在冷軋的塑性變形過程中我們要控制好變形量，以免在連鑄連軋過程中產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。

3 結(jié)語

要解決汽車梁沖壓裂紋問題的話，最關(guān)鍵的點(diǎn)是要控制好鋼中夾雜物含量，鋼中的夾雜物控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。在鐵水預(yù)處理再到轉(zhuǎn)爐冶煉和精煉到連續(xù)鑄造，每個(gè)過程都必須要精細(xì)的操作。任何環(huán)節(jié)中的偏差都可能導(dǎo)致過量的夾雜物含量，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的沖壓開裂。此外，還要注意冷軋的影響，保證合適的變形量對(duì)鋼的基礎(chǔ)性能也起到良好的保護(hù)作用。