冲焊桥壳用钢板常见缺陷原因分析

2018-12-26梁文刘永前胡俊魏兵

专用汽车 2018年12期

梁文刘永前胡俊魏兵

宝钢股份中央研究院武汉分院湖北武汉 430080

1 前言

车桥作为商用车三大总成之一——底盘系统的重要组成部分，近年来越来越受到重视。特别是本世纪以来，车桥结构、车桥用材、车桥加工工艺等均得到长足发展。目前，国内各车桥生产企业基本上形成了专业化、系列化、批量化生产的局面，朝着轻量化、大扭矩、低噪声、宽速比、寿命长和低生产成本的方向发展[1]。

汽车驱动车桥作为汽车的主要传力件和承载件，与从动桥共同支承车架及其上的各种质量，并承受由车轮传来的路面反作用力和力矩。驱动桥壳又是主减速器、差速器及驱动车轮传动装置的外壳，因而驱动桥壳应具有足够的强度和刚度。同时汽车在路面行驶，受到交变负荷的作用，且运行地域广，温差大，因此要求车桥还应具有良好的韧性以及疲劳寿命[2,3]。

开发热轧冲压桥壳专用钢曾被列为国家“九五”科技攻关项目，以满足我国汽车工业发展的需求[4]。目前我国汽车行业已广泛使用12～20 mm厚度的热轧桥壳钢板制作冲焊桥壳体，取代制作工艺复杂、生产效率偏低、笨重、成本较高的铸造桥壳体［4，5］。冲焊桥壳是由钢板冲压成形后，再经焊接、整形而成，在使用过程中它要承受车架及车架以后的总成质量。因此，桥壳用钢应兼备强度高、冷弯和拉延成形性能好、韧性高及焊接性能优良等特点[6，7]。目前我国生产冲焊桥壳用钢的企业有武钢有限、宝钢、首钢、攀钢及济钢等。

然而，目前市面上仍存在采用普碳钢或大梁钢来制作冲压桥壳的现象，造成钢板的热加工性能和成形性能差、表面质量差、废品率高、产品质量不稳定等不良后果。本文通过对冲压桥壳存在的常见缺陷进行研究，对其失效机理进行分析，并提出改进措施。

2 缺陷现象

2.1 热加工性能差

冲焊桥壳的冲压工艺分为热冲压和冷冲压工艺。热冲压工艺要求钢板在中频感应炉中加热到800 ℃左右，然后进行冲压，冲压后空冷。热冲压工艺成型压力小、尺寸精度高、疲劳性能好，因此得到了广泛应用。因对材料性能不熟悉，大部分用户仅对钢板进行入厂检验，而热冲压后钢板力学性能下降幅度很大，导致热冲压后钢板的力学性能远低于要求值。冲压前后钢板力学性能变化如图1所示。

图1 热冲压前后钢板力学性能变化图

由图1可知，1#试样热冲压前后强度变化值很小，不到10 MPa；而2#试样在热冲压后，屈服强度下降了149 MPa，抗拉强度下降了162 MPa，导致性能不能满足抗拉强度Rm≥510 MPa的要求。

2.2 钢板表面开裂

表面开裂是冲焊桥壳钢板常见的表面质量缺陷，常出现在成型后钢板的表面。这些裂纹沿钢板轧制方向扩展，长度呈数毫米至数厘米不等，深度较浅。缺陷处的钢板有起皮现象，在弯角处开裂严重，钢板甚至被撕开。此缺陷一般呈批量发生，在钢板上密集出现，如图2、3所示。

图2 起皮缺陷照片

图3 冷弯处撕开的缺陷照片

2.3 钢板边部开裂

钢板边部开裂仅出现在冷冲压工艺中。成型后的钢板在距轴管端约250 mm处的边部起裂，并沿横向扩展，如图4所示。裂纹宽度约10 mm，长度达50 mm，这种缺陷贯穿钢板，发生概率较低，一旦发生，零件只能报废。

图4 边部开裂照片

2.4 钢板翘曲

桥壳钢板采用等离子设备切割下料成料片后，部分料片发生翘曲，翘曲量高达20 mm/1 700 mm，如图5所示。导致料片无法进入中频感应炉进行加热，需二次矫直后才能进行生产。

图5 料片翘曲照片

3 原因分析及改进措施

3.1 热加工性能差

冲焊桥壳用钢目前有低碳（≤0.12 wt%）和中碳含量（0.12～0.18 wt%）两种成分体系。低碳含量钢中一般添加铌钛等微合金元素，采用控轧控冷工艺进行控制，充分发挥细晶强化和析出强化，甚至是组织强化等强化方式来提高钢板的力学性能。中碳含量钢中一般添加高硅、高锰含量，通过固溶强化来实现钢板的高强化。在热冲压的加热工序中，细晶、组织和析出强化都会弱化，但固溶强化的效果仍然会保留，这就是1#试样热冲压前后强度下降幅度小的原因。从1、2#组织的金相照片可看出，热加工处理前后，1#试样的晶粒度和组织类型均相同，且珠光体量也相同，唯一的区别是珠光体带状组织有所减缓，如图6所示。而热加工后的2#试样，晶粒度略有增大，但珠光体的量明显减少，如图7所示。这种珠光体带状和量变化的原因是热加工过程中，碳原子扩散所致[8]。因此对于热冲压工艺来说，必须选择具有良好热加工性能的桥壳钢。

图6 1#试样金相组织

图7 2#试样金相组织

3.2 钢板表面开裂

对钢板表面存在裂纹的部位取样分析，结果如图8所示。

图8 起皮缺陷分析照片

由图8可知，起皮处裂纹深约50 μm，斜向下扩展，并最终与板面方向平行。裂纹尖端存在明显的高温氧化圆点，这是在热轧加热炉中氧化所致[9]，说明铸坯表面在进加热炉前已存在缺陷，在轧钢加热过程中氧化导致。由于这些缺陷较浅，热轧时被轧合，很难被发现。在钢板的后续成型过程中，这些轧合的裂纹在外力作用下重新被撕开，导致钢板表面形成起皮缺陷。若这些缺陷位于冷弯处，则会进一步撕开成大裂口。由于这些缺陷在连铸过程产生，因此在钢板表面成片出现。

由于这种缺陷是在连铸过程产生，因此需加强对连铸工艺控制、连铸坯下线检查与清坯处理、钢板成品表面检查，减少此类缺陷发生。同时在车桥生产环节，一旦发现钢板表面起皮开裂，应增加对料片的表面检查，并将存在微裂纹的试样进行抛丸处理后再进行成型加工。

3.3 钢板边部开裂

对边部开裂部位取样进行缺陷分析，结果如图9所示。

由图9可知，钢板边部存在厚度约100 μm的马氏体组织（图9a中白色区域），且马氏体开裂严重（图9b）。与马氏体相邻部位的基体组织为铁素体+珠光体，考虑到用户采用的等离子切割为热切割方式，应该与切割后冷速过快有关。采用AUTOFORM软件对桥壳钢冲压成型过程进行模拟，结果如图10所示。图10中箭头处是材料应变最大的区域，该区域最易开裂，与材料实际开裂部位相对应（图4）。钢板采用等离子切割，冷速过快会导致边部产生马氏体，马氏体组织的强度高，变形效果差，加大了材料开裂风险。

图9 边部开裂缺陷分析照片

图10 车桥冲压成型云图

因此钢板切割的边部质量对其成型性能有很大影响。切割时应优化切割工艺、降低切割后钢板的冷却速率来改善切割边质量，也可在形变区域大的部位留取一定的加工余量，采用手工打磨方式将钢板边部表层的马氏体去除，以提高钢板的成型性能。

3.4 钢板翘曲

下料后料片瓢曲与高强钢钢板的残余内应力有很大关系，而残余内应力又与热应力和组织应力相关。内应力主要包括两个方面[10]： a. 冷却过程中，钢板表面与芯部冷却速度不同形成温度差，而使其体积收缩不同产生热应力；b. 钢板冷却过程中发生组织转变伴随有体积膨胀，因钢板截面上各处转变的先后顺序不同，从而在钢板内部产生组织应力。钢板变形就是热应力和组织应力共同作用的结果。此外，热连轧后钢卷在精整时开平，若施加的精整力不均匀，同样会导致残余内应力加大，因此轧钢工艺和精整工艺对钢板的内应力有很大影响。要求高板型钢板的热冲压工艺，必须采用消应力退火钢板或中厚板产线生产的钢板，它们可将下料后料片的翘曲量控制在≤1 mm/1700 mm，若翘曲量可放宽至≤5 mm/1700 mm，则可采用低内应力的开平钢板[11]。