王 進(jìn)，穆海玲

(1.寶鋼股份中央研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039；2.上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039)

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，沖壓技術(shù)在汽車領(lǐng)域中也獲得了較大的發(fā)展，如由原來單工序沖壓升級為連續(xù)沖壓，提高了工作效率，但這對原材料的質(zhì)量提出了更高的要求，而原材料成分和工藝設(shè)計(jì)的不合理以及產(chǎn)品質(zhì)量的波動等因素常常會導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)沖壓開裂的現(xiàn)象，給加工企業(yè)和材料供應(yīng)商帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。

熱軋酸洗板S420MC產(chǎn)品屬于冷成型熱軋汽車結(jié)構(gòu)用鋼，不但有較高的強(qiáng)度，還具備良好的表面質(zhì)量和優(yōu)異的成型性能，因而在汽車行業(yè)得到廣泛地使用。某汽車用戶主要生產(chǎn)汽車底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件和車身結(jié)構(gòu)件，該用戶用S420MC酸洗板在制作汽車底盤系統(tǒng)左、右控制臂時(shí)出現(xiàn)沖壓開裂問題，沖壓開裂比例高達(dá)36%-50%，嚴(yán)重影響用戶給整車廠的正常供料。

本文針對該汽車用戶在使用S420MC酸洗板出現(xiàn)沖壓開裂的現(xiàn)象，重點(diǎn)從用戶的落料及沖壓工藝、酸洗板產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤，對典型缺陷樣品的成分、顯微組織、性能、夾雜物等方面進(jìn)行檢測分析，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施，有效解決了該汽車零部件的沖壓開裂問題。

1 開裂現(xiàn)象及檢測過程

用戶沖壓工藝流程：酸洗板S420MC委托配送加工商縱切分條成兩卷，然后對其進(jìn)行開卷并上連續(xù)沖床，連續(xù)沖出左、右控制臂的落料片(見圖1)，左、右控制臂落料片經(jīng)過5道次組合模沖壓成型(見圖2)。

圖1 落料樣片

根據(jù)沖壓零件與酸洗帶鋼寬度方向的位置關(guān)系(見圖3)，我們在沖壓跟蹤前對酸洗帶鋼工作側(cè)、中部、傳動側(cè)的沖裁位置作對應(yīng)1、2、3、4的落料標(biāo)識：1代表工作側(cè)左控制臂落料片、2代表中部右控制臂落料片、3代表中部左控制臂落料片、4代表傳動側(cè)右控制臂落料片(見圖3)。

圖3 沖壓零件與酸洗帶鋼的位置關(guān)系圖

通過現(xiàn)場生產(chǎn)跟蹤，左、右控制臂各沖壓40片，共計(jì)80片。根據(jù)沖壓結(jié)果發(fā)現(xiàn)均在右控制臂R角處開裂(見圖2)，左控制臂均未有開裂現(xiàn)象，具體見下表1。

1.1 化學(xué)成分

通過用CS-444 型紅外碳硫儀和A RL-10 型直讀光譜儀分別對該鋼的切屑試樣及塊狀試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,其檢測成分都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10149-2的要求， 見表2。

表1 左、右控制臂沖壓跟蹤對比

表2 帶鋼化學(xué)成分(%)

1.2 力學(xué)性能

通過用WAW-600 型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對典型缺陷樣板不同方向的力學(xué)性能進(jìn)行拉伸對比分析，發(fā)現(xiàn)橫向屈服強(qiáng)度比縱向強(qiáng)度高60 MPa左右，并且橫向延伸率偏低，處于標(biāo)準(zhǔn)下限，見表3。

1.3 金相組織

通過對金相試樣經(jīng)拋光和浸蝕后, 用Axiophot2 型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行顯微組織分析，其組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為10.5級，在開裂部位附近有夾雜物存在，級別為A1.0， 通過對有開裂部位的拋光態(tài)金相試樣用Phlips XL-30 型掃描電鏡(SEM) 觀察,其成分用美國EDAX Phenix 型能量色散能譜儀(EDS) 測定,其斷口上有異物存在，對其進(jìn)行能譜分析，所含元素主要為鈉、氧、鋁、鈣、鐵；對金相拋光樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，并且對夾雜物進(jìn)行能譜分析，所含元素為硫和錳，具體見圖4～9。

表3 帶鋼不同方向性能檢測

圖4 晶粒度100×

圖5 開裂部位附近夾雜物500×

圖6 斷口處電鏡形貌

2 分析與討論

2.1 開裂原因分析

在熱軋生產(chǎn)過程中由于沿板寬溫度分布存在固有的差異，邊部溫度比中部低30℃左右，板寬方向的邊部與中部組織性能有一定差異[1]，但通過以上現(xiàn)場試驗(yàn)跟蹤和生產(chǎn)圖紙發(fā)現(xiàn)，同一塊鋼板同時(shí)沖壓左、右控制臂零件時(shí)，左控制臂無開裂，右控制臂開裂嚴(yán)重，并且開裂均在右控制臂，這與零件在酸洗板寬度即邊、中部的位置關(guān)聯(lián)度不大；

圖7 斷口上異物能譜

圖8 金相拋光樣電鏡形貌

圖9 夾雜物能譜

從生產(chǎn)圖紙中分析其左、右控制臂形狀尺寸基本相同，不同的是R角所處的位置有差異，即左控制臂R角為與軋制方向一致，為軋板縱向；右控制臂R角為與軋制方向垂直，為軋板橫向。由于軋制方向的變形量不同，沿軋制方向變形量大，板寬方向變形量小，板卷沿軋制方向和垂直軋制方向的性能相比，鋼板強(qiáng)度縱向較橫向低，鋼板延伸率縱向較橫向高，從拉伸檢測結(jié)果也表明了這一規(guī)律，因此，沖壓開裂與零件受力薄弱處的方向性有顯著的相關(guān)性。

從沖壓工藝的角度看，由于該零件成形缺陷處為伸長類翻邊成形，即為內(nèi)凹的外緣翻邊，此種翻邊凸緣成形會產(chǎn)生拉應(yīng)力而易于破裂[2]；在伸長類成形工藝中，當(dāng)鋼板屈服強(qiáng)度低時(shí)，所需的拉力也小，成形工藝的穩(wěn)定性高，不易拉裂[3]，即較低的材料強(qiáng)度和較高的延伸率會更有利于成形；但是通過現(xiàn)場取回缺陷樣板進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)鋼板橫向屈服強(qiáng)度高于縱向60 MPa左右，延伸率偏下限。

通過金相和電鏡檢測表明在開裂部位附近有硫化錳等夾雜物的存在，由于帶鋼S含量偏高，會使鋼中形成硫化錳夾雜，會進(jìn)一步降低材料的韌塑性，在沖壓變形過程中由于夾雜物的存在會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中, 致使有夾雜物存在的位置不能隨基體的形變而變形, 產(chǎn)生微裂紋或小孔,在隨后的變形過程中, 微裂紋或小孔進(jìn)一步聚集、長大, 最終導(dǎo)致板材的開裂，為此需要從成分設(shè)計(jì)和煉鋼工藝著手改善帶鋼內(nèi)在純凈度。

因此，較高的橫向屈服強(qiáng)度、較低的延伸率以及帶鋼硫化錳等夾雜物的存在是導(dǎo)致右控制臂沖壓開裂的主要原因。

2.2 開裂消除措施

由于此零件開裂是材料屈服強(qiáng)度高、延伸率低以及夾雜物控制所造成的，故消除此零件開裂缺陷可從以下幾個(gè)方面采取有效措施：

1)由于鈮元素作為一種重要的微合金元素，在軋制過程中可以提高材料的再結(jié)晶溫度，形成細(xì)小的碳化物和氮化物，抑制奧氏體晶粒的長大，最終通過晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化影響強(qiáng)度和韌性，為此通過適當(dāng)減少鈮元素含量，進(jìn)一步降低帶鋼的整體強(qiáng)度；

2)通過提高卷取溫度，適當(dāng)增加晶粒的尺寸，可使帶鋼的屈服強(qiáng)度進(jìn)一步降低；

3)由于錳元素與硫元素形成的硫化錳夾雜物和帶狀組織對鋼板的成形性具有不利作用，為此通過縮小硫含量的控制范圍；同時(shí)優(yōu)化煉鋼精煉工藝路徑，采取LF+RH 雙聯(lián)工藝，并且RH采取本處理工藝，進(jìn)一步提高帶鋼的內(nèi)在純凈度；

4)進(jìn)一步收嚴(yán)該產(chǎn)品的性能放行標(biāo)準(zhǔn)，確保沖壓生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。

2.3 實(shí)施效果

通過有效措施的采取，改進(jìn)后鋼板橫向屈服強(qiáng)度、延伸率及夾雜物程度明顯改善：橫向屈服強(qiáng)度由改進(jìn)前均值528 MPa降低到475 MPa，橫向延伸率均值由21%提高到27%，硫化物夾雜控制在0.5級以下；通過跟蹤用戶后續(xù)2000噸的使用，沖壓效果良好，未再發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，并且恢復(fù)了對該汽車用戶的正常供貨。

3 結(jié)語

1) S420MC酸洗板橫向強(qiáng)度高、延伸率低以及鋼板存在硫化錳等夾雜物，是引起右控制臂沖壓開裂缺陷的主要原因；

2)通過采取降低鈮合金含量和提高卷取溫度,降低了帶鋼強(qiáng)度，提高了延伸率，保證鋼板合適的強(qiáng)韌性；

3)通過降低硫含量和優(yōu)化煉鋼工藝路徑，使帶鋼純凈度得到進(jìn)一步改善，從而有效降低開裂的風(fēng)險(xiǎn)；

4)收嚴(yán)產(chǎn)品性能的放行標(biāo)準(zhǔn)，確保了左右控制臂沖壓生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。