摘 要:某 QSTE500TM 鋼零件在沖壓過程中發(fā)生折彎開裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、 金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析等方法對零件的開裂原因進行分析。結果表明:零件中的硫元素和 錳元素含量較高,以及錳元素的偏析是鋼中產生帶狀組織的主要原因;帶狀組織中分布著非金屬夾 雜物,夾雜物與基體界面的結合力弱,使零件在變形時產生裂紋;試樣中的硫化錳使零件形成了多 個小裂紋源,在沖壓變形時造成零件折彎開裂。
關鍵詞:QSTE500TM 鋼;非金屬夾雜物;沖壓變形;折彎開裂
中圖分類號:TB31;TG115.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0047-04
隨著經濟的發(fā)展,對板材的需求不斷提高。在高 端汽車行業(yè),高強度、高性能的熱軋酸洗板得到廣泛 應用。熱軋酸洗板的表面質量接近于冷軋板,同時又 具有熱軋板的力學性能,強度高、沖壓成形性能好,主 要用于汽車底盤、座椅滑軌等高強度結構件[1-3]。
QSTE500TM 鋼是一種冷成型熱軋酸洗汽車 結構鋼材料,是汽車業(yè)需要的新鋼種,具有較好的表 面質量、厚度公差和加工性能,可用于車身覆蓋件及 冷軋板生產的汽車零部件,原材料成本可降低約 10%。某 QSTE500TM 鋼零件在沖壓過程中出現 折彎開裂,筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、金相 檢驗、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對零件的開裂原因進行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
零件的開裂位置相對固定,在折彎后單側或兩 側出現不同程度的開裂。折彎開裂零件的宏觀形貌 如圖1所示,折彎處 4 個角的外弧均發(fā)生開裂。 1# ,2# 位置的開裂較大,3# ,4# 位置出現輕微開裂。
1.2 化學成分分析
QSTE500TM 鋼的強度是通過在低碳鋼的基 礎上添加微合金元素,并結合控軋控冷工藝來保證 的。碳元素用于形成強化相,以保證鋼的強度和良 好的冷成型性能。碳元素的質量分數要控制在 0.09%以下;硅元素和錳元素具有固溶強化作用,可 以提高板材的強度和延伸率;磷元素和硫元素是雜 質元素,含量越少越好;適量的鈮元素和鈦元素可細 化晶粒。
在開裂零件上截取試樣,采用 QSN750-Ⅱ型直 讀光譜儀對開裂試樣進行化學成分分析,同時截取 其他廠家生產的同牌號材料試樣,并進行化學成分 分析,結果如表1所示。由表1可知:兩個試樣只有 硫元素的質量分數有較大異常,其他元素質量分數 相差不大。兩個試樣的化學成分分析結果均符合標 準要求。
1.3 力學性能測試
采用 ZWICKZ600型雙立柱萬能材料試驗 機對上述兩個試樣分別進行力學性能測試,結果 如表2所示。開裂試樣的屈服強度、抗拉強度和 斷后伸長率均符合 GB/T228.1—2010 《金屬材 料 拉伸試驗 第一部分:室溫試驗方法》的標準要 求。與其他廠家生產的同牌號材料相比,力學性 能無明顯差異。
1.4 擴孔試驗
在板材成形過程中,翻邊成形工藝是一種常見 的成形工藝,這種工藝具有增加成形件的剛性,連接 焊接搭頭和延長管頸深度的作用。擴孔試驗是一種 模擬試驗,能直接表征在汽車專用板材上擴孔時,孔 邊的翻邊成形能力[4]。
按照 GB/T15825.4—2008 《金屬薄板成形性 能與試驗方法 第 4 部分:擴孔試驗》規(guī)定,采用 HET505型擴孔試驗機進行擴孔試驗,結果如表3 所示,發(fā)現開裂零件材料的擴孔率比其他廠家同牌 號材料低40%。
1.5 斷口分析
利用SEM 對開裂零件1# ,2# 位置的斷口進行 觀察,結果如圖2,3所示。1# ,2# 位置斷口均存在大 量韌窩,屬于韌性斷裂,韌窩大小較均勻。同時斷口 處分布較多的暗色溝槽,這些溝槽的寬度、長度均不 同,溝槽底部均較平滑,且在大部分溝槽底部存在非 金屬夾雜物。這些非金屬夾雜物尺寸不等、形狀各 異,且呈條帶狀分布在溝槽底部。對斷口處存在的夾 雜物進行能譜分析,確定為硫化物夾雜(見圖4)。對 裂紋橫截面進行磨拋、腐蝕后,其微觀形貌如圖5~6 所示?？梢姍M截面上存在裂紋,在裂紋處殘存著灰色 夾雜物,對夾雜物進行能譜分析,確定為 MnS夾雜。
1.6 金相檢驗
對開裂零件和其他廠家同牌號材料進行取樣, 采用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液對試樣進行腐 蝕,利用 MA1001型光學顯微鏡觀察試樣的橫截面 和表面,結果如圖7~8所示。由圖7~8可知:兩個 試樣的顯微組織均由大量鐵素體和極少量珠光體組 成,珠光體主要分布在鐵素體晶界上。根據 GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》對鐵素體 晶粒度進行評定,平均晶粒度分別為12.5,13.5級。開裂試樣橫截面上的帶狀組織級別為1.0級,其他 廠家試樣帶狀組織級別為0.5級,但是由于帶狀組 織級別較低,不足以影響試樣的使用性能。
2 綜合分析
從化學成分上看,開裂試樣主要通過添加鈮元 素和鈦元素來進行強化,其他廠家同牌號材料試樣 是通過添加鈮元素進行強化。
兩個試樣的鈮元素含量有差異,但鐵素體晶粒 度無明顯差異,這主要是因為開裂試樣仍含有質量 分數為0.038%的鈮元素,細晶強化效果仍比較明 顯,同時 QSTE500TM 鋼板采用的是低溫軋制及軋后快冷工藝,能有效促進鐵素體形核,并抑制相變之 后鐵素體晶粒長大,彌補鈮元素含量降低對細晶強 化的不利影響。
對零件沖壓開裂處進行分析,在開裂斷口部位 的較大溝槽里發(fā)現 MnS夾雜物。實際開裂零件中 硫元素含量顯著大于其他廠家材料。開裂試樣中的 錳元素含量較高,錳元素的偏析是鋼中產生帶狀組 織的主要原因。帶狀組織中分布著 MnS等非金屬 夾雜物,夾雜物與基體界面的結合力弱,易在變形時 產生裂紋。
3 結語
(1)該批次 QSTE500TM 鋼材料的硫元素含 量明顯較高,存在大量的 MnS夾雜物,易形成多個 小裂紋源,在沖壓變形時造成零件開裂。應在煉鋼 過程中控制好硫元素的質量分數。
(2)建議對折彎類產品采用兩段冷卻方式,得 到鐵素體+貝氏體組織,有利于提高材料的折彎性 能。在設計時,要針對成品特點制定合理的材料成 分和制造工藝。
(3)綜合利用多種試驗方法對產品開裂原因進 行分析,并確定了開裂原因,為提高產品質量提供了 有力的數據支撐。
參考文獻:
[1] 李文遠,郭子峰,惠亞軍,等.錳、鈮含量對熱軋酸洗 QSTE500TM 鋼板組織和性能的影響[J].機械工程 材料,2017,41(12):80-84.
[2] 于洋,王暢,郭子峰,等.熱軋酸洗板表面斑狀色差產 生機理及控制措施[J].軋鋼,2015,32(2):22-26.
[3] 郭子峰,馮軍,白永立,等.首鋼汽車結構用熱軋酸洗 帶鋼SAPH440的開發(fā)[J].鍛壓技術,2015,40(2): 60-64.
[4] 劉桂江,程麗杰,谷強,等.對非金屬夾雜物檢驗標準 GB/T10561—2005的探討[J].理化檢驗(物理分 冊),2021,57(1):15-18.
