宝钢BMD供应钢制轮毂的批量实践

2020-07-09段明南杨向鹏

宝钢技术 2020年3期

段明南,房鑫,杨向鹏

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

近年来,我国汽车工业持续高速发展,高强度、高成形、高精度和高表面钢板将是今后汽车用钢的发展方向。热轧双相钢具有强度高、延展性好、屈强比低等优异的综合性能,相比于传统的固溶强化钢和沉淀强化钢具有更好的强度和延性匹配,非常适合于制作高强度成形件。更高强度的原料可以通过更薄的方式达到以前同等的综合强度,从而达到减重的目标,此举可显著降低承载件的原料用量。对于汽车、拖拉机等移动机械,自重是决定燃料消耗的最重要指标之一,降低自重可以显著降低燃料消耗,直接减少污染排放[1]。

为获得其特殊的材质性能并兼顾成本,双相钢通常会添加一定比例的Si元素,该元素含量达到一定水平时往往容易导致酸洗除鳞后的成品表面产生“红铁皮条纹”。这种缺陷直接导致冲压涂装件的表面形成肉眼可见的凹凸纹路,影响目视外观,为各车轮企业所诟病。

基于此,本文采用一种新型无酸除鳞工艺——宝钢BMD工艺,向某车轮企业试制多个批次的车轮用料,解决新工艺产生的冲压开裂问题,并以此充分验证BMD工艺对于典型双向热轧料的除鳞有效性与用户可接受性,解决酸洗工艺缺陷。

1 BMD除鳞与成形

1.1 BMD工艺简介

宝钢BMD工艺是针对酸洗“污染大、缺陷多、成本高”而开发的一项新型环保型除鳞工艺,具备“零污染、高质量、低成本”的典型特征。其工艺流程如图1所示,其中A为混合射流喷射系统,B为介质回收系统,C为过滤系统,D为供砂系统。

宝钢BMD具体工艺流程如下:

(1) 喷射系统接收来自过滤系统与供砂系统的水和磨料两种介质,在其内进行快速混合并发射,向目标板面击打、磨削,实现目标板面鳞皮的快速清除。

(2) 介质回收系统将除鳞后的磨料颗粒、鳞皮粉末、磨料破碎后的细小粉末、水体等一并收集,快速实现水、砂分离,并将分离后的污浊水体输送至过滤系统,同时将磨料介质输送至供砂系统,实现两类介质的处理回用。

(3) 过滤系统基于物理原理,快速对动态水体进行悬浮物的截取、收集、输出,同时将处理后的洁净水体输送至喷射系统的各用水点,实现水体的回收利用。

(4) 供砂系统对输入的磨料颗粒进行快速的选粒、清理杂物、体量检测与动态补充,并动态输送至喷射系统,实现磨料颗粒的回收利用[2]。

本次采用BMD-Z机组(即BMD第一条窄钢卷除鳞机组)进行除鳞处理,除鳞方案及参数为:

(1) 采用混合磨料式除鳞处理,无化学酸洗介质。

(2) 除鳞处理后,经过冲洗→烘干,形成洁净、干燥的除鳞成品。

为逐步解决BMD工艺用于车轮原料及其后处理过程所暴露的各类问题,项目组计划分批次进行BMD除鳞处理与分批交付。

1.2 原料准备与加工

基于国内某车轮制造企业的委托,BMD机组接受多卷580DP热轧精整卷,信息如下:

(1) 钢种牌号为580DP。

(2) 钢卷来自宝钢上海本部的热轧精整卷。

(3) 钢卷需纵切分条至3.6 mm厚×405 mm宽。

(4) 原料卷重分别为3.700、6.434 t两个批次。

基于此,第一批次的热轧原料(3.700 t)上线,并完成BMD除鳞,其过程照片如图2。

通过肉眼检测可知,BMD处理后的580DP原料的上、下表面,宏观形貌十分均匀、一致,只有近距离放大观测才能发现一些微弱的明暗条纹,这种形貌比之酸洗成品有着显著的外观改善,参见图2及图3所示。

1.3 板料冲压成型

针对BMD处理后的成品卷,还需进行矫直→定尺横切→堆垛,将其形成的板料转运至车轮厂内,完成一系列的冲压成形,具体如图4所示。

块状样板在冲压车间具体成形工艺分为7道工序,其部分典型工序实拍如图5所示:

(1) 样板冲裁,冲裁过程中确保质量较优的面朝上。

(2) 第一道次成形,成形前,还需将样板翻身,以确保突出的一面为质量较优面。

(3) 多道次成形。第二道次、第三道次、第四道次成形,冲出中间的大圆孔。

(4) 第五道次成形,冲裁边界,以去除边部的多余料。

(5) 第六道次成形,冲出四个螺栓通孔,最终完成轮辐样件的制作。

如图6所示,这批原料完成近百件冲压成形后,质检人员在螺栓孔的边缘处频繁发现裂纹,尤其是螺栓孔的弧形凸起部位,有时单个样件上能发现多处条形裂纹,裂纹长度在5～20 mm范围内不等,具体如图6所示。

这种开裂率已经显著超过了普通酸洗原料的正常开裂率,根据车轮厂家的质检人员统计,本次开裂率超过10%,而普通酸洗料的冲压开裂率均控制在5‰以内。基于此,需尽快开展针对这种开裂的原因分析与解决方案的制定。

2 开裂原因分析及解决

2.1 开裂问题的处理对策

通过与580DP的原料开发专家以及车轮厂家的质检负责人等多次调研、沟通,针对本次异常冲压开裂问题,制定如下分析方案:

(1) 分别选取580DP料的酸洗样板与580DP的BMD样板,规格需完全相同。

(2) 检测内容(一)为材料断面金相组织形貌。

(3) 检测内容(二)为除鳞后样板表面的临边区域硬度值检测,采用显微硬度测量仪。

2.2 同批次BMD样板检测

为充分论证本次580DP原料采用两种不同工艺(BMD与酸洗)处理后的各项性能,需详细完成断面金相、表层显微硬度等指标的仔细检测对比。为此,在BMD处理的成品卷上直接切取样板、制样,并依托光学放大装置进行微观检测,具体如图7。

基于以上制样,依托金相显微镜进行微观检测,结果如图8。

基于以上微观实物照片可知,样件厚度的边部与中心区域的微观金相组织差异明显:

(1) 在距离表面100 μm以外的厚度中心处,晶粒大且均匀,每个晶粒都比较饱满。

(2) 在距离表面100 μm以内的临边区域,晶粒明显被挤压成长条状,且晶粒细小、扁平。

基于此,可初步判断:在该基材表面的距边部100 μm左右的厚度区域,因BMD的介质冲击、磨削等力学作用,其晶粒出现了非常明显的物性变化,有可能提前出现加工硬化层。为更确凿地确定原因,需针对这两类晶粒区域进行微观硬度检测,具体如下:

(1) 检测设备采用宝钢中央研究院物理室的Akashi-MVK-H21显微硬度计。

(2) 检测方式为在边界层内、截面1/4厚度处随机选4个点进行检测。

这种方式的详细检测结果及数据参见图9所示。

表1 BMD原工艺样板的显微硬度检测数据记录Table 1 Microhardness test data record of BMD original process sample

基于表1可知:BMD除鳞处理后的原料表面硬度显著高于表层100 μm以下的硬度值,这属于典型的表面加工硬化,是由BMD除鳞过程中的物理冲击作用导致的结果。

2.3 同规格酸洗样板检测

为充分论证BMD检测结果所产生的根源,可通过对同规格的酸洗样板进行相同内容的检测。通过肉眼对比可知:同规格酸洗样板,切取小样后的断面微观放大后,如图10所示。

通过图10可知,采用酸洗工艺处理的580DP样板,其截面距离表面的临边区域与截面中间区域的金相组织基本一致,无论是晶粒大小、分布状态还是各晶粒的形状特征等,均较为一致。由此可定论:酸洗工艺没有出现表层晶粒的物性改变,即未发现表面硬化。

2.4 BMD工艺改进后检测

依托以上分析结果,结合580DP这类双相钢的材料属性,降低打击强度、减弱表面撞击力度是有效解决表面提前硬化的举措。基于此,BMD技术开发团队对BMD除鳞系统的参数进行了针对性的调整,主要为:

(1) 降低介质的打击速度,在原模型固定参数的基础上降低20%。

(2) 增大介质供应的质量流,在原有介质供应量的参数基础上提高35%。

(3) 样品钢卷的通过参数维持不变。

基于此,先期对小块样板进行BMD除鳞处理,并交付检测、分析,结果如图11、12及表2所示。

表2 BMD改进工艺后样板的显微硬度检测数据记录Table 2 Microhardness test data record of sample plate after BMD improvement

基于改进后的小样板试制后的检测结果(见表2),发现断面的金相颗粒与酸洗断面相同:在表面区域的金相颗粒没有发生显著的细化变性,而与中区晶粒基本一致(参见图11);同时通过微观硬度检测发现,表面硬度虽然略有增加,但显著低于前期的表面微观硬度值。在此试验数据的基础上,再次通过BMD系统完成6.434 t的580DP原料的除鳞加工,并交付车轮厂进行冲压验证,最终发现:580DP料连续冲压超1 000片,开裂率完全达到低于5‰的开裂标准。

基于本次采用BMD工艺向某车轮企业的第一批次的样品试制,以及试制过程发现的冲压开裂与后续检测改进结果分析可知:

(1) BMD针对580DP除鳞后的成品表面外观,比之酸洗,更加清洁、均匀,色泽更亮,且BMD原料在冲压期间没有发生拉毛、材料表层脱落等现象(酸洗580DP料频繁出现)。

(2) 通过微观检测发现:BMD处理的580DP钢卷表面存在明显的硬化层,厚度约100 μm,显微强度高达700 MPa (由硬度值推算),较之内部组织有明显的硬化;而通过BMD工艺参数调整后,其表面过早硬化的缺陷可有效规避,且通过持续冲压试验发现开裂率接近为零。

基于此,针对580DP这类双向钢,BMD工艺参数通过合理的优化调整,可实现加工硬化明显减弱,充分满足冲压工艺要求。