深冲冷轧板表面冲压开裂分析与探讨

文：程 迪，武志杰，姜丽梅，曹晓恩    ( 河钢集团邯钢公司）

    0 引言

     河钢集团邯钢公司邯宝炼钢厂具备生产 520 万 t 精品板坯的能力，产品主要有汽车用钢、家电用钢、管线用钢、船板用钢等。DDQ 级汽车用深冲冷轧板系列钢种，主要采用“铁水预处理→转炉冶炼→ＲH 精炼→板坯连铸”工艺生产，产品主要用于冲压变形复杂的汽车、家电零部件，如车门内板、侧围板、滤清器等。产品开发初期，在冲压大减薄量的零件 ( 如滤清器和车门内板件) 时，曾发生过冲压前冷轧板表面无缺陷，冲压后零件表面出现“点状”开裂缺陷。该缺陷表现为宏观尺寸 1 mm 左右的微小裂口，在钢板厚度方向有一定深度，但没有贯穿钢板。

本文结合产品应用过程的典型缺陷，探讨了缺陷产生原因，提出大颗粒夹杂物的洁净化控制措施，取得了良好的改善效果。

    1 典型缺陷形貌

钢中非金属夹杂物是造成冷轧板表面缺陷的原因之一，尤其是大颗粒夹杂物，对冲压用途的钢材力学性能及使用性能均存在不可忽视的影响。丸川熊净^［1］指出，临界尺寸在 100 μm 以上的夹杂物对超深冲汽车板危害较大。因此，降低深冲用冷轧板大颗粒夹杂物发生概率、提高钢水的洁净度及夹杂物控制技术是炼钢工艺研究的主要方向。

深冲用冷轧板具有低屈服强度、高延伸率和优良的成形性，主要用于冲压变形复杂的零件。冲压滤清器或车门内板件过程，对于材料局部减薄量大的部位，如滤清器筒身部位和车门内板件 Ｒ 角附近，大颗粒夹杂的危害作用更为明显，会导致冲压后零件表面开裂。冲压前将冷轧板剪切成圆形，冲压后零件呈圆筒状，筒身存在肉眼可见“点状”裂口缺陷，缺陷位于滤清器筒身部位，尺寸约 0． 5 mm，点状缺陷对应钢板背面无贯穿性孔洞。深冲冷轧板冲压某车型前门内板件时，冲压前钢板表面无缺陷，冲压后在零件 Ｒ 角附近约 20 mm 部位出现“点状”缺陷，缺陷处用油石打磨后仍肉眼可见，说明缺陷在基板厚度方向有一定深度，但是缺陷未贯穿钢板。

对上述 2 起典型表面开裂缺陷试样，沿垂直于冲压变形方向的截面剪切后，进行镶嵌、研磨、抛光，并利用金相显微镜对缺陷截面进行观察，确定缺陷位置。利用场发射扫描电子显微镜( 型 号: sigma  HD) 观察缺陷截面形貌并进行能谱检测，结果如图1 ～ 6 所示。

利用扫描电镜检测发现，冲压滤清器及车门内板件表面开裂缺陷均存在以下共性特点:

( 1) 出现缺陷的零件均存在冲压过程钢板厚度减薄量大的特点，经过测量上述缺陷零件成形前后

基板厚度减薄比例 18% ～26% 。

( 2) 缺陷位于成形后的零件基板表层，表现为零件表面开裂，裂口长度小于 0． 5 mm。缺陷深度距离基板表面 160 ～240 μm，未沿厚度方向贯穿零件。

( 3) 缺陷深入基体部位存在孔洞，伴有大颗粒夹杂物。经扫描电镜能谱检测确认，表面开裂缺陷内部夹杂物主要是 Al₂O₃ 和 Al － Mg － Si － O 类复合夹杂物。

2． 2 缺陷成因探讨

从上述分析可知，钢板中大颗粒夹杂物是出现冲压件表面开裂的主要原因。其开裂原因: 当材料用于冲压变形减薄量大的零件时，大颗粒夹杂物对基体连续性的破坏作用更加显著。在材料减薄变形过程中，沿轧制方向形成断续的“夹杂物带”，或者未被轧碎而独立存在的大颗粒夹杂物及其周围的空洞部位，优先产生裂纹源。随着材料变形减薄量增大，材料加工硬化及变形应力不断增加，存在大颗粒夹杂物的部位逐渐扩展形成裂纹并造成表层基体失效，进而产生断裂，外观表现为材料表面开裂缺陷。

造成开裂缺陷的大颗粒夹杂物来源于炼钢工序，其中氧化铝类夹杂物来源于水口结瘤物脱落，莫来石类夹杂物来源于耐材侵蚀或者钢渣、覆盖剂熔渣卷入钢液。其中，氧化铝类夹杂物及莫来石类夹杂物均属于硬质脆性夹杂物，此类夹杂物在铸坯轧制成钢板过程中不易变形^［2，3］，会造成夹杂物周围基体材料产生空洞，部分夹杂物沿轧制方向被轧碎并形成断续的“夹杂物带”。被轧碎的夹杂物形貌极不规则，这些不规则的夹杂物对钢材的冲压性能影响严重。

3 工艺优化

夹杂物的控制需要从炼钢洁净化冶炼技术进行系统管控。针对上述深冲用钢大颗粒夹杂物的问题，采取了一系列优化措施。

( 1) 提高冶炼过程工艺操作稳定性。降低转炉吹炼终点氧含量，提倡 ＲH 精炼“零”吹氧升温，控制转炉出钢下渣量≤80 mm，提高钢水待浇时间命中率，提高钢水的洁净度。连铸过程采用保护浇铸，以恒拉速、中间包恒吨位为目标实施稳态控制。

( 2) 应用中间包吹氩数字化控制技术，对塞棒、SEN 水口板间密封及上水口吹氩透气性效果进行监测，根据结晶器氩气泡情况及时调节氩气压力和流量，预防结晶器卷渣。

( 3) 以数值模拟、物理模拟和正交实验的研究方法，设计出最佳的中间包“墙、坝、稳流器”布置结构及流场控制方案，实现中间包内钢水流通路径长，钢水停留时间长，死区体积小，而且流股分散，靠近液面流动，有利于杂物的上浮去除，预防浸入式水口结瘤风险。严格控制连铸浇注过程钢包下渣等影响钢水洁净度的因素，确保中间包烘烤充分，目标烘烤时间 3． 0 h，预防中间包工作层耐材脱落。

( 4) 铸坯质量管理精细化。对连铸保护浇铸情况、拉速波动、塞棒波动及结晶器液面波动进行监控和记录，并且作为质量事件纳入管理流程。实行铸坯分级，对于炉次换包等质量事件的铸坯不用于冲压滤清器用途。

4 结论

分析上述 2 起典型的深冲冷轧板表面开裂缺陷，得出以下结论:

( 1) 表面开裂缺陷多发生在冲压减薄量大的零件表面，呈现单侧“点状”分布，开裂部位未贯穿基板厚度，一般尺寸 ＜0． 5 mm。

( 2) 表面开裂缺陷微观分析，基体表层附近存在大颗粒夹杂物，尤其是 Al₂O₃ 和 Al － Mg － Si － O 类复合大颗粒夹杂物，是造成深冲冷轧板冲压大减薄量零件时出现表面开裂的原因。此类夹杂物多来源于浸入式水口结瘤、钢渣卷入等异常情况。

( 3) 通过实施系统的炼钢洁净化冶炼技术及铸坯质量精细化管理，邯钢公司深冲冷轧板夹杂物控制水平迅速提升，杜绝了该产品的表面开裂问题。