Q235B 熱軋鋼帶沖折開裂分析

董繼亮，趙 光，鄭英輝，李建生，劉冠華，薛 強

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司，河北 唐山 063016）

0 引言

Q235B 產(chǎn)品作為低牌號一般結(jié)構(gòu)用鋼，產(chǎn)品廣泛用于結(jié)構(gòu)件、方（圓）管制品以及沖折配件等，市場需求量大。作為低牌號的普材產(chǎn)品，成分結(jié)構(gòu)隨原材料價格波動變化較為靈活，生產(chǎn)工藝以及有害元素控制范圍較大，在制作一些變形量較大的零件時，易產(chǎn)生不合格品。某廠Q235B 熱軋鋼帶在客戶沖折使用過程中出現(xiàn)邊部開裂問題，本文通過對開裂樣品進(jìn)行理化分析，并對材質(zhì)依照零件形貌進(jìn)行仿真模擬，分析出Q235B 沖折開裂的主要原因，提出改進(jìn)措施加以改進(jìn)，有效提升了產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

1 開裂零件形貌及產(chǎn)品材質(zhì)信息

開裂零件形貌如圖1 所示。取沖壓開裂零件和原始板料進(jìn)行材料成分、組織及夾雜物和拉伸性能檢驗，分析開裂原因。原始板料的測試項目有成分、拉伸性能。開裂零件的測試包括成分、組織及夾雜物分析。開裂零件和原始板料成分一致，測試結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分

圖1 開裂零件1

2 檢測結(jié)果分析

2.1 原始板材橫縱向拉伸性能

原始板材橫縱向拉伸性能如圖2 所示，屈服強度、抗拉強度及延伸率均滿足Q235B 要求。

圖2 橫縱向拉伸曲線及指標(biāo)

2.2 顯微組織及夾雜物檢驗

從零件的開裂位置截取金相樣品，其縱向組織及夾雜物如圖3 和圖4 所示。其顯微組織為鐵素體和珠光體混合組織，晶粒細(xì)小，但在縱向組織中發(fā)現(xiàn)明顯的大尺寸MnS 類夾雜，橫穿多個晶粒，破壞了晶粒的連續(xù)性，選取最惡劣的一個視場進(jìn)行評級，為細(xì)系A(chǔ)2。此外，還存在明顯的中心偏析現(xiàn)象。組織與成分有很好的對應(yīng)關(guān)系，該材料的S 含量明顯偏高，易產(chǎn)生硫化物類夾雜。

圖3 開裂零件顯微組織

圖4 開裂零件夾雜物檢驗（評級：A2）

3 成形過程分析

板料在沖壓過程中，中間部位受約束不發(fā)生位移，開裂部位為典型的翻邊成形，如圖5 所示。

圖5 零件成形分析

板料成形仿真失效分析結(jié)果如圖6 所示（為提高計算效率簡化了圖形，零件中的圓孔未畫出）。

零件失效判定準(zhǔn)則采用厚度法和FLC 成形極限曲線進(jìn)行預(yù)測[1-3]，仿真結(jié)果最大減薄處和最大應(yīng)變位置均與實際零件相同，仿真結(jié)果顯示：變形區(qū)域處于安全變形范圍之內(nèi)，即零件不會發(fā)生開裂。由于仿真輸入的材料屬性無法考慮夾雜物的影響，如果Q235B 中不存在大量的夾雜物，其力學(xué)性能就能夠滿足此零件的加工要求。因此，板料中存在大尺寸MnS類夾雜是導(dǎo)致成形失效的誘因。

4 MnS 生成原因分析

由成分化驗結(jié)果以及板材夾雜物檢測結(jié)果，結(jié)合仿真零件成形失效分析，確定了板料中存在的大尺寸MnS 類夾雜是導(dǎo)致成形失效的誘因[4-5]。由金相組織可以看出，材料鋼帶中心區(qū)域存在明顯的偏析帶以及貫穿多個晶粒的MnS 類夾雜物，因此，對MnS 夾雜物產(chǎn)生機(jī)理及控制方向進(jìn)行分析。

通過相關(guān)文獻(xiàn)可知，MnS 的大量生成發(fā)生于3個溫度區(qū)間：凝固末端和高、低溫奧氏體溫度區(qū)間。隨著鋼液溫度的降低，鋼液凝固進(jìn)入到固液兩相區(qū)內(nèi)，鋼中的錳和硫原子在枝晶前沿不斷富集。當(dāng)溫度繼續(xù)降低到某一臨界溫度，錳和硫的實際濃度積超過其平衡濃度積時，MnS 開始析出，并大量生成。鋼中存在細(xì)小的氧化物質(zhì)夾雜點會促進(jìn)MnS 析出。在凝固末端生成的MnS 尺寸一般較大，偏聚在連鑄坯凝固樹枝晶之間，分布在晶界處，呈板片狀，通常對材質(zhì)的成型性有害。因此，重點分析MnS 在凝固末端的析出行為。

夾雜物形貌為600 μm 的長條狀，根據(jù)板材中夾雜物形貌，結(jié)合鋼板、連鑄坯厚度，推斷夾雜物在鑄坯中為10～15 μm 長度的棒狀或紡錘狀夾雜。夾雜物處于偏中心位置，說明鑄坯內(nèi)柱狀晶發(fā)達(dá)，中心位置S濃度高，鋼中存在氧化物質(zhì)點，促進(jìn)了MnS 非均質(zhì)化形核析出，析出的MnS 對氧化物質(zhì)點進(jìn)行包裹。因此，可以推斷出鑄坯中MnS 夾雜中心氧化物質(zhì)點直徑應(yīng)小于5 μm。

5 改進(jìn)措施

由上文分析的MnS 夾雜析出原理，可從以下幾點進(jìn)行改進(jìn)：

1）控制鋼水中的S 含量。

2）減少鋼中氧化物數(shù)量，減少促進(jìn)MnS 析出的質(zhì)點。

3）抑制柱狀晶生長，加速等軸晶生長，將液態(tài)鋼水均勻分割，降低中心部位S 濃度。

針對Q235B 存在的內(nèi)部質(zhì)量問題，結(jié)合MnS 生成原因分析，對鋼水成分和煉鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化[6-8]，具體包括：

1）S 成分優(yōu)化控制：材質(zhì)w（S）由當(dāng)前的0.024%降低到≤0.015%。

2）轉(zhuǎn)爐出鋼后強攪2～3 min，保證渣料熔化效果，促進(jìn)一次夾雜物上浮去除。

3）精煉增強鈣處理前攪拌，促進(jìn)夾雜物碰撞長大，根據(jù)鋼包攪拌能公式，結(jié)合現(xiàn)場實際攪拌效果，制定吹氬攪拌參數(shù)。

4）優(yōu)化二冷水量，在原有基礎(chǔ)上將二冷水量上調(diào)8%，增加鑄坯凝固速度及坯殼厚度。在后續(xù)生產(chǎn)中，中心偏析問題有所減輕。

5）加連鑄輥縫精度管理，輥縫精度從原來的±0.2 mm，提高到±0.1 mm 以內(nèi)，定期校核。

6 結(jié)語

Q235B 熱軋鋼用途為翻邊成形，要求材料具有良好的局部成形性，通過Q235B 熱軋鋼產(chǎn)品化學(xué)成分、組織及夾雜物分析，板料中存在大量的大尺寸MnS夾雜，屬于塑性夾雜物，在材料整體均勻變形過程中對材料的性能影響不大（如拉伸試驗的性能檢驗是合格的），但對于局部成形而言，在某些位置變形量很大，即便是塑性夾雜物也會造成應(yīng)力集中，使材料產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展導(dǎo)致開裂，材料成形仿真失效分析，也證明了這一點。

通過優(yōu)化控制S 成分、去除煉鋼過程中的夾雜物、調(diào)整連鑄二冷水量及輥縫精度，Q235B 鋼再未出現(xiàn)沖折開裂問題。