高強汽車鋼角部裂紋的控制實踐

張 賢

（唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

隨著汽車車體輕量化研究的深入，高強鋼在汽車車體中的應用日益趨于廣泛。高強鋼的使用，可把某些汽車部件的重量降低50%以上。為了適應汽車材料輕量化、高性能、節能、安全、環保的發展主題，汽車用高強鋼的研發進程不斷加快。汽車用高強鋼通常為低碳、低合金成分體系，為了實現低成本、高強度，采用“微合金化+TMCP”的技術路線逐漸成為主流。高強汽車鋼因其具有獨特的第二相粒子析出和包晶反應特性，連鑄坯常產生角部裂紋缺陷。據統計，角部裂紋缺陷已占到該類鋼種板坯表面質量問題的70%以上，是降低金屬收得率、影響熱送熱裝、導致板卷邊部翹皮缺陷的主要原因，與低成本控制、高質量生產理念背道而馳。高強汽車鋼連鑄板坯的角部裂紋缺陷，已然升級為整個生產工藝流程中最大的限制性環節，是一直困擾不銹鋼公司汽車鋼生產的難題。因此，降低高強汽車鋼連鑄板坯的角部裂紋成為不銹鋼公司迫切需要解決的問題。

1 角部裂紋產生原因

連鑄坯角部裂紋的形成是一個非常復雜的過程，是傳熱、傳質和應力相互作用的結果[1]。帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機運行過程中，各種力作用在高溫坯殼上使坯殼產生變形，變形超過了鋼的允許強度和應變是產生裂紋的外因；而鋼種對裂紋敏感性是產生裂紋的內因；連鑄機設備和工藝因素則是產生裂紋的條件。

奧氏體向鐵素體轉變時，鐵素體晶核優先在原奧氏體晶界上析出，形成先共析鐵素體薄膜，易沿奧氏體晶界形成裂紋。另一方面，析出的碳氮化合物粒子釘扎在原奧氏體晶界，降低了晶界強度，若此時鑄坯受到較大的機械應力、熱應力和組織應力，裂紋的形核和擴展趨勢變得非常強烈。因此，需優化鋼水成分，減少凝固過程AlN 的析出，改變連鑄二冷制度，保證鑄機設備功能精度。

1.1 鋼水成分影響

1.1.1 [C]含量對角部裂紋的影響

從Fe-C 相圖可知，當鋼中的[C] 含量大于0.09%時，鋼液凝固過程中就會發生包晶反應，此時初生坯殼伴隨有較大的線收縮，導致結晶器內形成的初始坯殼厚度不均，鑄坯出結晶器后又受到二次冷卻急冷，其熱應力使坯殼的薄弱處產生裂紋，并在二冷區繼續擴展[2]。

1.1.2 [Als]、[N]含量對角部裂紋的影響

熱卷翹皮發生率與鋼中[Als]含量關系的統計結果如圖1 所示。從圖1 中可看出，隨著鋼中[Als]含量的增加，熱卷翹皮發生率也呈現增加的趨勢，當[Als]＞0.035%時，翹皮發生率較高。

熱卷翹皮發生率與鋼中[N]含量關系的統計結果如圖2 所示。從圖2 中可看出，隨著鋼中[N]含量的增加，熱卷翹皮比例也呈現增加趨勢，特別是當[N]＞45 ppm 時，翹皮發生率由4.1%急劇增加至12.94%。

1.2 扇形段功能精度影響

傳統的線下扇形段維修中，扇形段碼輥主要依靠對弧樣板和塞尺進行定點確認。由于樣板和塞尺本身存在較大偏差，又由于是人工確認精度，因此只能選點確認，無法對整個扇形段碼輥進行確認，使得精度無法保證，造成新上線的扇形段對弧偏差大。對弧樣板、塞尺外加人工檢測這就導致了扇形段檢測誤差大，增加了熱坯通過扇形段時的外來應力，增加裂紋發生的幾率。

2 角部裂紋改進實踐

2.1 鋼水成分的優化

2.1.1 鋼中[C]成分的優化

通過研究發現Si、Mn、Al、Ti、Nb、Cr 等元素的存在會對鋼種的包晶反應產生影響。采用DOE 試驗設計方法，以FL450X 和W590X 牌號鋼為研究對象，結合實際生產驗證，發現當FL450X、W590X 的[C]含量分別處于0.095%、0.081%附近時，包晶反應最為劇烈，鑄坯表面產生裂紋的趨勢最顯著。FL450X、W590X 鋼種包晶碳含量的計算結果如表1 所示。

圖1 翹皮發生率與[Als]含量關系

圖2 翹皮發生率與[N]含量關系

表1 FL450X、W590X 包晶[C]含量的計算結果 /%

因此，在滿足鋼種內控成分要求的情況下，對鋼種的[C]含量進行了微調，使其盡量遠離包晶反應強烈區域。不銹鋼公司典型鋼種的碳含量微調情況如表2 所示。

2.1.2 鋼中[Als]、[N]含量優化

在滿足不銹鋼公司內部控制要求和產品性能要求的前提下，煉鋼工序嚴格控制鋼中的[Als]在0.035%以下，[N]在0.0045%以下，降低鑄坯角部裂紋的產生。

調整后，高強汽車鋼的[Als]、[N]含量的分月控制情況如圖3、圖4 所示，從圖中可以看出，鋼水成分優化以后[Als]、[N]含量都有顯著降低，其中[Als]的控制平均值為0.034%，[N] 的控制平均值為0.0035%。

2.2 扇形段功能精度的保障機制

表2 典型鋼種碳含量的微調情況 /%

圖3 [Als]含量的控制圖

圖4 [N]含量的控制圖

2.2.1 線下維修使用OPAL 系統代替人工精度控制

行扇形段線下維修過程中，使用OPAL 系統代替人工進行扇形段精度確認，避免人工測量偏差（如圖5 所示）。OPAL 系統可以對所有輥子上的任意點進行精度測試，完成精度調整后，系統輸出精度評價，同時能夠對應線上的使用情況，迅速查找問題原因。

2.2.2 提高扇形段測量管控精度

使用自動輥縫儀，代替對弧樣板和塞尺，將對扇形段進出口的精度管控升級為對每一對輥子精度的管控。自動輥縫儀投入后，每一對輥子的開口度精度可控制到±0.5 mm，每根外弧輥之間的接弧精度可控制到±0.5 mm。

自動輥縫儀測量出現的偏差點，可使用手動輥縫儀進行比對測量。比對測量方式為在距輥子邊部各100 mm、400 mm 處共計四點進行手動復測（精度±0.15 mm），四個點手動測量全部合格時，開口度合格，四個點有不合格時，進行調整后復測，仍不合格時，進行扇形段更換。

圖5 原扇形段碼輥精度確認方式（左）與OPAL系統扇形段碼輥精度確認（右）

2.2.3 明確扇形段監控周期，保證精度有效性

每月檢修時，檢修開始前使用自動輥縫儀進行扇形段精度檢測，根據輥縫儀測量結果進行精度維護。檢修結束前使用自動輥縫儀進行扇形段精度驗收，保證每一根輥的精度達到要求。重點高強鋼生產前5 天內組織輥縫儀進行測量，保證扇形段精度的有效性。

2.2.4 建立設備精度趨勢分析的預防性維護方法

根據鑄機對弧和輥縫精度變化趨勢的跟蹤情況，建立扇形段預防性維護方法，強化扇形段精度監控和管理，為鑄坯質量的進一步提升提供設備精度支撐。

3 結語

通過對高強汽車鋼板坯的角部裂紋的統計和分析，發現鋼水成分和連鑄機扇形段功能精度是影響高強汽車鋼板坯角部裂紋的主要因素，為此，不銹鋼公司定了一系列改進措施。通過優化鋼水中[C]、[Als]、[N]成分，使用OPAL 系統代替人工進行扇形段線下精度調整，建立汽車高強鋼的連鑄機功能精度管理制度等措施，使高強汽車鋼板坯角部裂紋缺陷由1.33%降低到了0.55%，鑄坯熱送比例增加了0.52%，減輕了勞動負荷，鑄坯質量改善效果顯著。