劉社牛 程永固 段 云

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

汽車大梁鋼 510L加工開裂的原因分析

劉社牛 程永固 段 云

(安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

對(duì) 510L復(fù)雜變形后開裂的原因進(jìn)行了分析,得出開裂的主要原因是表面顯微組織混晶。并指出了精軋機(jī)架 F1和 F2的奧氏體部分再結(jié)晶區(qū)軋制是造成 510L混晶組織的主要原因。通過(guò)優(yōu)化軋制工藝,提高了 F1和 F2的軋制溫度,將奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制控制到下游機(jī)架,從而縮短了道次間隔時(shí)間,消除了混晶組織。

510L 加工開裂 混晶

0 前言

汽車大梁鋼 510L是熱軋汽車用鋼板中的代表產(chǎn)品,主要用于制造汽車縱梁、橫梁、加強(qiáng)梁、橋殼、保險(xiǎn)桿等重要構(gòu)件。510L在成型過(guò)程中要承受大的沖壓變形和高的沖擊載荷,能否經(jīng)受較大的沖壓變形也是汽車大梁鋼內(nèi)在質(zhì)量的重要指標(biāo)之一;對(duì)于變形比較復(fù)雜的構(gòu)件,則對(duì) 510L的內(nèi)在質(zhì)量提出了更高的要求。如安鋼生產(chǎn)的 510L在用作卡車的油箱掛梁時(shí),在橫折工序出現(xiàn)開裂,開裂比率超過(guò)了90%。筆者針對(duì) 510L復(fù)雜變形后開裂的現(xiàn)象,進(jìn)行了深入的分析,并提出軋鋼工藝的優(yōu)化措施,解決了510L加工開裂的問(wèn)題,因而提高了安鋼 510L產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量。

1 510L開裂的原因分析

1.1 油箱掛梁的加工工藝

油箱掛梁與其它汽車大梁構(gòu)件的加工工藝相比,更為復(fù)雜。其加工過(guò)程為:鋼卷開平→下料→縱向沖壓→橫向彎曲。這種加工工藝屬于一種復(fù)雜的沖壓變形工藝,尤其是在橫向彎曲工序,極易在邊部產(chǎn)生開裂,對(duì)汽車大梁鋼的韌性要求更高。

1.2 開裂的原因分析

取原材料進(jìn)行力學(xué)性能分析,并取斷口附近的試樣進(jìn)行顯微組織分析。力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表1,顯微組織如圖 1所示。

表1 510L的力學(xué)性能

圖1 510L的混晶組織

從表 1可以看出,510L原材料的各項(xiàng)力學(xué)性能均符合 GB/T 3273-2005的要求,但是由圖 1的顯微組織檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼的表面層有明顯的混晶現(xiàn)象,粗大的晶粒尺寸約為 15μm,而細(xì)小的的晶粒尺寸在6μm左右。

由于混晶現(xiàn)象只出現(xiàn)在鋼的表層面,而且混晶層很薄,因此其對(duì) 510 L鋼強(qiáng)度的影響很小,但對(duì)加工的影響卻很大。根據(jù) Hall-Patch公式,鋼的強(qiáng)度與晶粒尺寸 成線性關(guān)系,晶粒越細(xì),強(qiáng)度越高。因此,在有混晶的鋼冷彎變形時(shí),由于粗大的晶粒屈服強(qiáng)度低,首先產(chǎn)生屈服現(xiàn)象,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制開動(dòng);但是細(xì)小的晶粒此時(shí)并未屈服,位錯(cuò)滑移機(jī)制沒(méi)有開通,這時(shí),位錯(cuò)滑移到粗晶和細(xì)晶的晶界時(shí),受到阻礙,這種變形的不協(xié)調(diào)造成了晶粒之間的應(yīng)力集中加劇,使得粗晶粒提早產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致了材料的斷裂。

2 軋制工藝的優(yōu)化

根據(jù)以上分析,混晶組織是導(dǎo)致 510L變形開裂的主要原因。安鋼的 510L采用少量 Nb微合金化的成分體系,Nb是強(qiáng)碳氮化物形成元素,在鋼中與碳、氮結(jié)合可形成 NbC～NbC0.87、Nb(CN)、NbN等中間相。Nb的碳氮化物在高溫下固溶和析出,形成細(xì)小顆粒,在軋制時(shí)可以釘扎奧氏體的晶界,阻止亞晶界的遷移,提高了奧氏體的再結(jié)晶溫度,擴(kuò)大了奧氏體的未再結(jié)晶區(qū),為控制軋制提供了良好的條件。但是,Nb微合金鋼在 950℃左右,存在部分再結(jié)晶區(qū),在該區(qū)間軋制時(shí)容易產(chǎn)生混晶組織。

在連軋機(jī)組中,如果精軋入口溫度處于奧氏體的再結(jié)晶溫度區(qū)間,那么奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制將不可避免。若精軋 F1和 F2的軋制溫度正處于奧氏體的部分再結(jié)晶溫度區(qū)間,這時(shí)軋制節(jié)奏較慢,極易使鋼出現(xiàn)了混晶組織。而且,隨后的道次將加劇由部分未再結(jié)晶而引起的混晶現(xiàn)象[1]。因此,成品保留了這些混晶組織。

為了防止混晶,必須控制奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制。如果降低 F1的軋制溫度至奧氏體的部分未再結(jié)晶區(qū)溫度以下,雖然能夠避免混晶,但同時(shí)降低了后道的軋制溫度,使軋制壓力大幅增加和板型控制困難。并且,降低終軋溫度,將使鋼的屈強(qiáng)比升高[2],對(duì)冷加工不利。研究表明,含 Nb鋼形變后再結(jié)晶過(guò)程存在一個(gè)孕育期,在孕育期,奧氏體晶粒只發(fā)生回復(fù),不發(fā)生再結(jié)晶。孕育期的長(zhǎng)短與形變溫度、變形量大小有關(guān),形變溫度越低、形變量越小,孕育期越長(zhǎng)[3]。圖 2為含 Nb鋼在 10%變形量條件下,奧氏體軟化率隨形變溫度、時(shí)間的變化曲線。圖中直線斜率的變化說(shuō)明顯微組織由回復(fù)向再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,對(duì)應(yīng)的間隔時(shí)間即為該溫度下的奧氏體再結(jié)晶孕育期。因此,根據(jù)連軋機(jī)的生產(chǎn)特點(diǎn),適當(dāng)提高F1和 F2的變形溫度,將奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制控制在下游機(jī)架,也可以避免混晶。

圖2 含Nb鋼變形奧氏體軟化示意圖

根據(jù)以上思路,將粗軋終軋溫度由 1040℃提高到 1060℃,精軋終軋溫度由 840℃提高到 880℃。工藝優(yōu)化前后的精軋各機(jī)架工藝參數(shù)見表 2。

表2 不同軋制工藝的精軋機(jī)工藝參數(shù)

3 效果與檢驗(yàn)

從表 3的溫度數(shù)據(jù)來(lái)看,奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制由優(yōu)化前的 F1和 F2機(jī)架,控制到優(yōu)化后的F3和 F4機(jī)架,精軋機(jī)之間距離為 6 m,道次間的間隔時(shí)間由 8.2 s縮短到 2.2 s。圖 3為工藝優(yōu)化后510L的顯微組織。由圖 3中可知,混晶組織得到了明顯的改善,用戶加工的情況良好,成型完好率接近了 100%。軋制工藝優(yōu)化后,鋼的力學(xué)性能屈服強(qiáng)度略有下降,抗拉強(qiáng)度變化不大,屈強(qiáng)比平均降低了0.03%,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足 GB 3273-2005的要求。

圖3 工藝優(yōu)化后 510L的顯微組織

4 結(jié)論

1)510L表面組織混晶對(duì)力學(xué)性能的影響不大,但在變形時(shí),由于粗晶和細(xì)晶的不協(xié)調(diào),造成了粗細(xì)晶粒間的應(yīng)力集中加劇,使得粗晶粒提早產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致了材料的斷裂。

2)F1和 F2軋制溫度處于奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)是產(chǎn)生混晶的主要原因。通過(guò)工藝優(yōu)化,提高F1和 F2的變形溫度,將奧氏體的部分再結(jié)晶區(qū)軋制控制在下游機(jī)架,縮短了軋制間隔時(shí)間,小于奧氏體再結(jié)晶的孕育時(shí)間,可以消除 510L的組織混晶現(xiàn)象。

[1] 宗云,趙莉萍,麻永林,等.X60在 CSP熱軋過(guò)程中的組織演變與混晶現(xiàn)象,上海金屬,2006,28(2):43-47.

[2] 劉社牛,巫寶振,王斌,等.控軋控冷工藝對(duì) HP345屈強(qiáng)比影響的研究,河南冶金,2008,28(2):8-9.

[3] 王有銘,李曼云,韋光,等.鋼材的控制軋制和控制冷卻.北京:冶金工業(yè)出版社,1995:75-82.

ANALYSIS OF 510L AOTOMOBILE FRAM ESMAC HINING CRACK

Liu Sheniu Chen Yonggu Duan Yun

(Anyang Iron&Steel Group Co.,Ltd)

In this article,the main reason of machining crack after complex defor mation for 510L automobile frames was the mixed crystal ofmicrostructure on surface,and it pointed out that austenite which is rolled in the crystallization region of finishing stand F1 and F2 led to mixed crystal.Through optimizing rolling process,it raised rolling temperature,transferred the above austenite rolling to the downstream,shortened the pass interval and eliminated mixed crystal structure.

510L crack mixed crystal

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聯(lián)系人:劉社牛,高級(jí)工程師,河南.安陽(yáng) (455004),安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心;

2010—10—11