热轧酸洗板SPHD橘皮缺陷产生原因分析

2020-04-23供稿张城铭徐勇康海军ZHANGChengmingXUYongKANGHaijun

金属世界 2020年2期

供稿|张城铭，徐勇，康海军 / ZHANG Cheng-ming, XU Yong, KANG Hai-jun

内容导读

热轧酸洗板SPHD广泛应用于各种冲压成形材料，市场需求量大。文章从宏观力学性能和微观组织特征针对本钢生产的热轧酸洗板SPHD产生的橘皮缺陷进行原因分析。分析表明，钢板成分设计中Al含量对SPHD组织内AlN的析出有明显的影响，进而导致屈服平台的产生，影响钢板的冲压性能，是材料加工成形过程中产生橘皮表面缺陷的重要原因。通过对Al含量进行合理设计，改善钢板内部的组织形态，进而消除橘皮缺陷的产生。通过对后续SPHD产品性能进行跟踪，进一步验证了改善措施的合理性。

热轧酸洗板SPHD是目前市场需求量大、用途广泛的热轧酸洗板产品。SPHD热轧酸洗板以工业纯铁为基础，除含有少量的锰、铝外，不添加其他合金，通过控制硅、磷、硫的含量获得较低的强度和优异的延伸率、n值。热轧酸洗板SPHD具有良好的冲压成形性、拉伸和弯曲性能[1]，广泛地应用于各种冲压成形材料。

在SPHD作为结构件进行冲压成形的过程中，表面缺陷会严重影响零件的使用寿命。橘皮缺陷作为表面缺陷的一种，主要表现为表面粗糙不平，有明显的折皱类手感，在结构件冲压成形的过程中比较容易产生，影响下游用户的后续加工使用。

实验

数据来源为2019年下游用户的一次质量异议，用户反映的具体情况：钢板表面平整，压花后距花形区边部约10 cm，沿着花形变形区出现起皱，未变形的板面正常。该下游用户通过提高平整压力等方式进行改善，未能消除此种缺陷。经过我们现场调研，确定为橘皮缺陷。

为了更清楚地了解该批SPHD钢卷橘皮缺陷产生的原因，对同批次钢卷的整个生产流程进行了回溯分析，并从产生橘皮缺陷的钢卷上取回样板进行性能、成分和组织分析，以此来进行进一步分析验证。

化学成分

化学成分检验结果见表1。从成分上看，Al的实际含量对比设计值有点偏低。通常认为Al含量的增加对改善板材冷冲压性能有利，进而推断Al含量偏低是导致橘皮产生的原因之一。

拉伸实验

对取回样板进行了拉伸性能检验，选取了产生橘皮缺陷的两件试样，具体结果见表2。

表1 样品主要成分(质量分数，%)

表2 不同样品的力学性能情况

从图1拉伸曲线上看，两只试样均有比较明显的屈服平台产生，根据前人理论[2]，屈服平台的存在极有可能在后续加工过程中导致橘皮缺陷的产生。对此进行进一步分析。

金相组织

对出现橘皮缺陷的部位和正常部位分别进行金相检验，如图2所示，其中图2(a)为正常部位，图2(b)为橘皮缺陷部位，金相组织情况见表3。

图1 不同样品的拉伸曲线：(a) 1#试样应力应变曲线；(b) 2#试样应力应变曲线

图2 金相组织：(a) 正常试样；(b) 橘皮试样

对比图2金相组织可以发现，两试样组织均为铁素体和游离渗碳体，且图2(a)试样由于发生冲压变形，晶粒有细化的趋势。对比不同部位，发现产生橘皮缺陷试样的上下表面存在晶粒尺寸不均的情况。有关研究表明[3]，晶粒尺寸不均匀，会使试样在冲压过程中，较大晶粒的位错塞积应力迅速增大，与较小晶粒的变形不同步，从而在晶界边缘出现微裂，即橘皮。在宏观上，对应了屈服平台的产生，即钢带的局部在冲压过程中，受到超出弹性极限的应力时，会从弹性区突发转变到塑性区，因而产生屈服，使钢带表面产生局部的不均匀流动变形，从而出现橘皮现象。

表3 金相组织情况

计算分析结果

Al在钢中的存在形式

研究表明[4-5]，钢中Al含量对钢材组织和成形性能有明显影响。根据二元合金相图不难发现，Al与O结合起脱氧作用外，在液相和固相中还会以AlN形式析出，对组织和性能产生一定的影响，图3为Al-N的二元相图。

图3 Al-N的二元相图

AlN在钢中的溶解析出规律

AlN在固相中析出可采用溶度积方式进行计算：

式中，K为奥氏体中的固溶度积，T为奥氏体的温度，下标s为固态析出，g：固溶于奥氏体。

用溶度积公式计算分析表明，SPHD中随着Al含量的增加，AlN在奥氏体中的析出温度也随着增加，如图4所示。为了分析Al在钢中的赋存形式，采用FactSage商业软件进行分析和计算，结果如图5所示。

图4 溶度积公式计算Al含量对AlN析出温度的影响

图5 FactSage软件计算Al在钢中的赋存形式

分析本钢热轧酸洗板SPHD中Al质量分数分别为0.02%和0.05%的计算结果，受钢中N的活度和含量的限制，钢中AlN的总量并不会因为Al含量的增加而变化。但是，钢中AlN析出温度随着Al含量的增加明显升高。

结果分析与讨论

橘皮缺陷的产生归因于屈服平台的产生，而屈服平台则主要是由于C、N原子对柯氏气团的钉扎作用产生的。钢中C与Fe发生反应，以渗碳体形式被固定，游离C含量极其有限。而SPHD钢在合金设计时，并未添加Nb、V、Ti等具有固N作用的微合金，钢中游离N只能通过脱氧后残余的Al加以固定。通过AlN析出相形式限制游离的N原子，消除其对柯氏气团的钉扎作用。

当AlN的析出临界温度一定时，析出相析出过程与两个因素有关：一方面，温度较高时，过热度偏低，析出驱动力较小；另一方面，温度较低时，化学驱动力增加，但温度降低对扩散动力学不利。因此，只有将AlN析出临界温度提高，才有利于AlN在轧制过程中析出，减少钢中游离N含量，避免橘皮现象的发生，而这与钢中Al含量有直接关系。图4和图5结果均表明，随着Al含量的增加，钢中N可以在更高温度与Al反应形成AlN，以析出相形式析出。正因如此，SPHC钢中采用Al的质量分数为0.02%～0.06%的设计方案。而其他钢种设计时，Al的质量分数一般仅为0.02%～0.04%。

结合上述分析结果可以推断，较低Al(质量分数为0.02%)情况下，在热轧过程中会有相对较多的游离态N存在，这是导致屈服平台出现的主要因素，也是橘皮现象产生的直接原因。

理论上，提高SPHD钢中Al含量可以消除屈服平台，也可以解决冲压过程橘皮现象。