热轧酸洗低碳钢成形缺陷分析

供稿|袁亮，孙忠斌，王旭生 / YUAN Liang, SUN Zhong-bin, WANG Xu-sheng

内容导读

通过金相组织分析和扫描电镜断口分析，结合用户反馈的热轧酸洗低碳钢SPHD制作车轮轮辋后开裂的现象，找到了引起开裂的原因：精轧期间，热轧酸洗板因终轧温度过低，轧制过程中发生γ→α转变，从而形成混晶缺陷，影响了钢板的成形性能，无法满足车轮制作过程的复杂变形，在轮辋成形过程中形成初始裂纹，并随着车轮加工过程逐步扩展。考虑表面质量对生产工艺的要求，采用综合优化措施改善热轧酸洗板边部混晶问题，优化后轧制边混晶缺陷明显改善。

热轧酸洗板是以优质的热轧板卷为原料，在酸洗机组上，主要经酸洗去掉带钢表面的氧化铁皮、切边、平整及涂油等工序处理后得到的热轧酸洗板卷，除作各类冷轧板带产品、热镀锌产品以及焊管产品的原料钢卷外，还能直接用作各类商品钢材，用途广泛[1]。随着热轧酸洗产线的精益求精，热轧酸洗产品质量不断提升，热轧酸洗产品已成为一种生产汽车零部件的备选原料，而不再作为替代用品使用。热轧酸洗产品在汽车行业广泛应用，主要应用于汽车大梁、横梁、纵裂、座椅滑轨、车轮、刹车闸套等。

SPHD为热轧酸洗低碳钢，因其碳含量较低，深冲性能良好，主要应用于冲压零件，也应用于车轮轮辋。轮辋制造主要包括下料、闪光焊、刨渣、扩口、辊压成型、扩涨等工序[2]。焊后扩口、扩涨开裂是轮辋用钢常见问题[3]，但此次轮辋开裂处距离焊缝有一定的距离，通过研究分析，发现开裂原因主要为轧制边混晶。混晶造成轧制边强度和速度降低，无法满足车轮轮辋的成形要求，在轮辋制作过程中出现初始微裂纹，在扩口、扩涨的过程中裂纹不断扩展，形成较大的宏观裂纹。针对此问题提出了综合性改进措施，实施后效果较好，轧制边混晶区域控制在10 mm以内，酸洗切边后清除。

SPHD开裂缺陷

轮辋开裂位置

车轮轮辋样品易出现开裂的区域靠近焊缝，但不在焊缝和热影响区内；裂口与轮辋边缘垂直，大多裂口较小，个别裂口较大，深度可达10 mm，开口宽可达5 mm，如图1所示。

轮辋开裂缺陷对应钢板的位置

SPHD热轧酸洗钢卷先在剪切线切成定尺板，然后纵切成6块1120 mm×213 mm钢板作为制作车轮轮辋的原料；纵切的6块细长的钢板中，中间4块制作的车轮质量良好，而两个轧制边的钢板易出现开裂缺陷，示意图如图2所示。

样品检测

取车轮轮辋开裂处试样作断口分析，检测内容包括扫描电镜断口检测和金相显微组织检测。轧制边为易出现开裂缺陷的位置，可能因轧制边存在质量缺陷而引起成形时开裂，因此，在钢板轧制边和非轧制取样，进行对比检测。

轮辋开裂处扫描电镜检测

对轮辋开裂断口进行扫描电镜检测，断口为韧性断口，呈抛物线韧窝和等轴韧窝形貌，韧窝处未见较大的非金属夹杂物，且开裂起始位置没有找到异常的非金属夹杂物，如图3所示。根据检测结果初步排除了非金属夹杂物引起开裂的原因。

轮辋开裂处金相显微组织检测

在轮辋开裂处切取金相试样，磨平，抛光，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜观察组织，如图4所示。

从图4可以看出，轮辋开裂处的显微组织主要为铁素体，但铁素体的大小不均匀，试样厚度方向表面(对应轧制面)中基本为短轴尺寸20～50 μm、长轴尺寸50～100 μm的铁素体，此类铁素体有同方向扁长的特点，有少量10～20 μm的多边形铁素体；试样厚度方向心部组织中，同方向扁长的铁素体减少，10～20 μm的多边形铁素体增多。

钢板金相显微组织检测

在钢板轧制边和非轧制边分别切取金相试样，磨平，抛光，用4%硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜观察组织，钢板轧制边的组织与轮辋开裂处显微组织一样，非轧制边的显微组织如图5所示。

从图5可以看出，钢板非轧制边的显微组织主要为铁素体，试样厚度方向表面(对应轧制面)中明显分为两种不同的铁素体，一种铁素体距离轧制表面0～200 μm、且同方向扁长，短轴尺寸15～30 μm、长轴尺寸40～80 μm；另一种铁素体距离轧制表面＞200 μm，为晶粒尺寸10～20 μm的多边形铁素体。试样厚度方向心部组织均为10～20 μm的多边形铁素体。

原因分析

由于车轮轮辋制作成形复杂，扩口和扩涨的工序最易出现缺陷，对原料的成形性能、塑性等指标要求严格，因此轮辋用钢除强度满足标准外，其组织均匀性、组织变形协调性也要达到成形的要求。

车轮轮辋开裂处组织为粗大的铁素体、细小的铁素体和微量珠光体的混合组织，轮辋开裂处与钢板轧制边组织一样，而非轧制边的组织仅轧制面存在200 μm深的粗大铁素体，其余位置主要为10～20 μm的多边形铁素体，因此开裂处位于钢板轧制边。由于轧制边粗大的铁素体、细小的铁素体形成混晶状态，使钢板的强度和塑性明显下降，在轮辋加工成形的过程中，混晶区域易先断裂，形成初始微裂纹，随着轮辋复杂的加工成形过程不断扩大，最终扩展成肉眼可见的裂口。当制作轮辋的钢板没有轧制边时，钢板的组织主要为细小的多边形铁素体，组织变形协调能力强，适于复杂变形，即便轧制面存在一定的粗大晶粒，仍然能满足变形要求。

根据扫描电镜分析结果分析，车轮轮辋开裂为拉裂断口、非夹杂物等缺陷引起，并且结合金相显微组织，可以判断轮辋开裂主要由于混晶造成。

热轧酸洗低碳钢SPHD轧制边混晶主要为精轧期间轧制边温度低于γ→α相变温度，组织提前转变为铁素体并迅速长大，晶粒组织较为粗大，且在随后的轧制过程中被拉长，呈同向扁长状态。热轧酸洗低碳钢SPHD生产过程中需要考虑除鳞效果，受除鳞水降温的影响，轧制边和轧制面的问题均较低，因此出现轧制边和轧制面混晶，其余位置不混晶。

优化措施及效果

热轧酸洗低碳钢SPHD中合金元素很少，因此其γ→α相变温度较高。解决SPHD混晶的问题，最为有效的措施是提高终轧温度，避免钢板出现低温区而组织转变。但热轧酸洗低碳钢SPHD的生产工艺大幅降低了温度，很难实现较高的终轧温度，因此采用针对出现问题的轧制边实施综合性优化措施：①少量提高终轧温度；②加强侧喷水，避免中间坯在除鳞过程中水对轧制边温度的影响；③投入精轧前保温罩，提高中间坯温度；④弱化两边部水嘴的喷水强度。

通过采取以上优化措施，生产的热轧酸洗低碳钢SPHD混晶影响使用的问题得到了有效的解决。仅有距离轧制边10 mm以内的区域存在混晶缺陷，但酸洗生产时切边后完全切除，不影响用户使用。轧制面的混晶层减少到150 μm以内，晶粒差异进一步提高了组织均匀性，如图6所示。

结束语

(1) 热轧酸洗低碳钢SPHD制作车轮轮辋开裂的主要原因为轧制边混晶。

(2) 考虑表面质量对生产工艺的要求，采用综合优化措施改善边部混晶问题，优化后轧制边混晶区域控制在10 mm以内，轧制面混晶层减少到150 μm以内。