厚规格热镀锌板折弯开裂分析及改进措施

张百勇，柴立涛，王滕，杨平，李超

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

伴随着信息化技术的不断发展，5G时代已全面开启，网络机柜、控制机柜、户外机柜等的需求量不断增加。柜体一般采用整板成型，因此对材料的性能要求不高，但立柱等结构件由异型加工而成，为减少过渡件，提高柜体强度，普遍使用厚度在2.0 mm以上的板材制作，其弯曲性能(T弯)必须合格。由于厚规格镀锌板对生产设备要求较高，生产难度较大，国内只有少数钢厂具备生产能力，市场需求较大。

供某终端客户光纤交换箱立柱用2.95 mm厚规格热镀锌板的生产主要包括热轧、酸轧和热镀锌3步，热轧的终轧温度890 ～ 900 °C，卷取温度700 ～ 710 °C，酸轧压下率40% ～ 50%，热浸镀退火温度700 ～ 720 °C，光整延伸率0.1% ～ 0.8%。如图1所示，该热镀锌板在180°折弯(0T)时发生开裂，造成用户无法使用，开裂率达100%。本文对此进行原因分析，并提出改进措施。

图1 厚规格热镀锌板180°折弯时的开裂现象 Figure 1 Cracking phenomenon occurring on thick hot-dip zinc-coated plate when bending 180°

1 原因分析

1.1 开裂试样的物理性能分析

采用瑞士ARL 4460火花放电原子发射光谱仪分析得到基板的化学成分(以质量分数计)为：C 0.044%，Si 0.012%，Mn 0.2%，P 0.009%，S 0.01%，Als 0.049%，Fe余量。这满足产品设计要求。

按照GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》测量基板的力学性能，得到样板的屈服强度和抗拉强度分别为255 MPa和367 MPa，延伸率(A50)为39%，满足抗拉强度大于270 MPa的要求。

采用荷兰帕纳科PW4400 X射线荧光光谱仪测得不合格件正、反面的锌层镀覆量分别为41 g/m2和40 g/m2，满足双面镀层镀覆量 ＞ 80 g/m2的要求，无异常。

1.2 开裂试样的裂纹分析

取180°折弯开裂样板，采用盐酸+缓蚀剂溶液腐蚀去除表面锌层，如图2所示，表面裂纹依然存在，表明折弯处镀层开裂的同时基板也发生开裂。

图2 开裂试样去锌层前(a)、后(b)的裂纹情况 Figure 2 Cracks on defective samples before (a) and after (b) removal of zinc coating

1.3 开裂试样的微观结构分析

采用Axio Imager M2m金相显微镜观察基板组织，如图3a所示，基板组织主要为铁素体和珠光体，晶粒度级别为8.0，珠光体组织在晶界处发生团聚，且分布较多。进一步采用Sigma500热场发射扫描电子显微镜(SEM)分析可知，珠光体团的尺寸约为40 μm，主要由晶界处的珠光体、渗碳体及尺寸较小的铁素体组成(见图3b)。说明基板的铁素体组织和晶粒度都正常，但珠光体团尺寸偏大，数量较多，分布在整个基板内部。

图3 开裂试样基板的金相组织(a)及其珠光体团的形貌(b) Figure 3 Metallographic structure of substrate of the sample with cracks (a) and the morphology of pearlite cluster in it (b)

采用金相显微镜观察开裂处的横截面，如4a所示，折弯处基板的金相组织被剧烈拉伸，发生严重的形变，表层存在明显的裂纹。进一步采用扫描电镜观察截面可见，不仅基板表面有裂纹，折弯处内部也存在不同尺寸的裂纹，这些裂纹主要分布在晶界处珠光体团聚区域，如图4b和图4c所示。从图4d-4e可知，开裂试样内部其他区域的裂纹处都存在珠光体团聚现象，铁素体晶界处也存在微小裂纹。

图4 开裂试样横截面的金相照片(a)和扫描电镜图像(b, c)，以及裂纹内部的扫描电镜图像(d, e, f) Figure 4 Cross-sectional metallograph (a) and SEM images (b) of the sample with cracks, and SEM images of the inside of crack (d, e, f)

综上所述，折弯处裂纹均存在于珠光体团聚处，并且裂纹具有沿着晶界扩散传播的趋势[1]。分析原因为：在180°折弯过程中，试样圆角区外层被拉伸，内层则被压缩，当材料厚度一定时，折弯内圆角越小，材料的拉伸和压缩比就越大，当外层圆角的拉伸应力达到或超过材料的极限强度时就会诱发裂纹或折断[2]。珠光体组织的塑性不如铁素体，在折弯过程中位于铁素体中心的位错源被开动后，滑动的位错将受阻于渗碳体片。随着拉伸和压缩比的增大，珠光体团尺寸增大，受阻积塞的位错增加，积塞的位错将在渗碳体薄片中形成正应力，使得渗碳体片断裂。当足够多的渗碳体片层断裂并且裂纹连接在一起时，便会引起珠光体团整体脆裂， 产生的裂纹沿着晶界传播，与邻近断裂的珠光体团相连。当珠光体团密度较大时便会产生连锁效应，引起基板整体开裂[3-4]。

2 改进措施及应用效果

珠光体是过冷奥氏体在一定度下同时析出铁素体和渗碳体(或合金碳化物)两相而构成的整合组织[5-6]，与钢的热轧工艺直接相关。通过退火可有效改善材料性能，因此主要从热轧工艺及退火工艺寻找解决方案。

2.1 改进基板的热轧工艺

原开裂样板终轧温度为890 ～ 900 ℃，卷取温度为700 ～710 ℃，终轧温度偏低，卷取温度偏高。终轧温度偏低易导致组织不均匀，而卷取温度较高容易生成珠光体。为避免大尺寸珠光体团的生成，保证成型性，可适当提高终轧温度，使退火后的组织为均匀的等轴铁素体，同时降低卷取温度，避免块状或带状珠光体和渗碳体团聚状析出物的出现，使热轧钢板晶粒组织细小，有利于塑性加工。

但改变热轧工艺往往会使材料性能发生变化。从图5a可以看出，随终轧温度升高，成品性能波动较小；从图5b可以看出，卷取温度从685 ℃降低至640 ℃时，成品的抗拉强度和屈服强度波动小于15 MPa，但延伸率由41%提升至47%，成品塑性变形能力改善。适当降低卷取温度能有效改善产品性能，但卷取温度过低时，卷取后没有足够的温度使过饱和的碳氮化合物析出，反而会影响轧材性能，同时会使卷取困难，且有残余应力存在，影响成品性能。因此，将终轧温度提升至910 ～ 920 ℃，卷取温度降至640 ～ 650 ℃。

图5 终轧温度(a)和卷取温度(b)对成品性能的影响 Figure 5 Effect of final rolling temperature (a) and coiling temperature (b) on properties of product

图6为终轧温度912 ℃、卷取温度645 ℃时所得热镀锌板的金相组织和SEM形貌。可见基板组织仍为铁素体+珠光体，晶粒度级别为8.5，但珠光体团的尺寸减小到10 μm以下，表明终提高轧温度和降低卷取温度可有效抑制珠光体团的生长。如图7所示，将其180°折弯后折弯处基板内部无裂纹，说明折弯性能良好。

图6 改进热轧工艺后基板的金相组织(a)及其珠光体团的形貌(b) Figure 6 Metallographic structure of substrate (a) and the morphology of pearlite cluster in it (b) after optimizing the hot-rolling process

图7 改进热轧工艺后折弯处基板的金相组织(a)和形貌(b) Figure 7 Metallographic structure (a) and morphology (b) of substrate at bending position after optimizing the hot-rolling process

2.2 调整锌镀层的退火温度

提高退火温度能够在一定程度上改善材料的成型性能，但受镀锌产线设计规格的限制，厚度2.95 mm已是镀锌板的极限规格，为保证退火工艺满足生产要求及板面品质，产线速率一般为30 ～ 50 m/min。产线速率低于30 m/min时，退火工艺虽能得到保证，但产品表面品质大幅降低；产线速率高于50 m/min时，带钢加热时间变短，退火温度难以达到设定值，使产品成型性能降低。因此，退火温度的提升范围有限。

从图8可以看出，随着退火温度升高，珠光体团数量减少，但尺寸仍然较大，为30 ～ 35 μm。这是因为 基板中的团块状珠光体是由热轧高温卷取时形成的大块渗碳体转变而来，提升镀锌层退火温度不仅无法有效降低珠光体团尺寸[7]，还会导致生产速率降低，渗碳体粗化，从而影响钢板的折弯性能[8]。

图8 镀锌层退火温度分别为710 °C(a)、730 ℃(b)、750 ℃(c)和750 ℃(d)时基板中珠光体团的形貌 Figure 8 Morphologies of pearlite cluster in hot-dip zinc-coated plate after being annealed at 710 °C (a), 730 ℃ (b), 750 ℃ (c), and 750 ℃ (d), respectively

3 结语

(1) 厚规格镀锌板的折弯性能受基板组织的影响较大，晶界处珠光体团的尺寸越大、数量越多以及分布越集中时，180°折弯过程中基板越容易开裂。

(2) 提高终轧温度和降低卷取温度时，基板组织和晶粒度的变化不大，但晶界处的珠光体团尺寸明显减小，基板强度也变化不大，延伸率略有提升，180°折弯后基板无开裂。

(3) 提升镀锌退火温度不能有效减小珠光体团的尺寸，退火温度过高反而对基板的折弯性能带来不良影响。