钢材折弯开裂的影响因素及改进措施

赵永锋, 戴 林, 向浪涛, 唐志刚, 陈 杰

(重庆钢铁股份有限公司 制造管理部, 重庆 401220)

折弯加工工艺是钢材加工工艺的一种类型，广泛应用于汽车制造、工程机械、桥梁、船舶和建筑等各个领域。金属板料在折弯机上模或下模的压力下，先发生弹性变形，再发生塑性变形。在塑性弯曲的开始阶段，随着上模或下模对板料的施压弯曲，板料与上模或下模V型槽内表面逐渐靠紧，同时曲率半径也逐渐变小，随着继续加压到行程终止，上模和下模与板材全接触，该过程形成的V型弯曲就是折弯，常用的加工设备为折弯机和辊压设备。

折弯开裂是钢材加工使用过程中的主要缺陷，根据开裂的位置，可分为角部开裂和中部开裂，开裂的影响因素有加工工艺不当和材料本身质量缺陷，给钢铁生产企业带来不利影响。笔者通过对典型质量案例的分析、归纳和总结，并参考相关资料，分析了折弯开裂的各种影响因素，并提出了改进措施。

1 折弯开裂典型试样理化检验

1.1 角部开裂试样

1.1.1 宏观形貌

角部开裂是折弯开裂中最常见的一种缺陷，角部开裂处通常存在毛刺、毛边、氧割边或等离子切割边等。如果折弯加工时对工件边部未进行砂磨处理或者处理不完全，就会发生角部开裂，角部开裂的裂纹通常较短，开裂处位于角部的加工硬化区域[1-2]。选取了Q235B钢和Q355B钢的典型缺陷进行分析，角部开裂的宏观形貌如图1所示。

图1 钢材角部开裂宏观形貌

1.1.2 化学成分分析

选取4个Q235B钢和Q355B钢典型角部开裂试样进行化学成分分析，结果如表1所示，结果均符合要求。

表1 Q235B钢和Q355B钢角部开裂试样的化学成分分析结果 %

1.1.3 力学性能测试

对选取的上述4个Q235B钢和Q355B钢典型角部开裂试样进行力学性能测试，结果如表2所示(D为弯曲直径，a为试样厚度)，结果均符合要求。

表2 Q235B钢和Q355B钢角部开裂试样的力学性能测试结果

1.1.4 金相检验

对上述4个Q235B钢和Q355B钢典型角部开裂试样的开裂部位进行金相检验，结果如图2所示。由图2可知：开裂处的组织存在晶粒冷变形，氧割和等离子切割的开裂处存在热影响组织。

图2 角部开裂试样的微观形貌

1.2 折弯开裂试样

1.2.1 宏观形貌

中部开裂常表现为工件中部非连续的开裂，裂纹通常较长，也有短裂纹的现象，中部开裂宏观形貌如图3所示。

图3 中部开裂试样的宏观形貌

1.2.2 化学成分分析

选取6个Q235B钢、Q355B钢和610L钢中部开裂试样进行化学成分分析，结果如表3所示，结果符合要求。

表3 中部开裂试样的化学成分分析结果 %

1.2.3 力学性能测试

选取上述6个Q235B钢、Q355B钢和610L钢的中部开裂试样进行力学性能测试，结果如表4所示，结果均符合要求。

表4 中部开裂试样的力学性能测试结果

1.2.4 金相检验

选取上述6个Q235B钢、Q355B钢和610L钢的中部开裂试样进行金相检验，结果如图4所示。由图4可知：磨具挤压处存在晶粒冷变形；较长、较直的裂纹根部可见划伤开口；试样存在聚集的硫化物夹杂、中心偏析、高温氧化质点、氧化脱碳、气泡特征等[3-6]。

图4 中部开裂试样的微观形貌

2 折弯开裂缺陷形成原因分析

2.1 加工工艺不当

2.1.1 弯曲直径的影响

折弯钢材在弯曲加工时，其弯曲部位外层受到拉伸，内层受到压缩。当材料厚度一定时，弯曲半径越小，材料的拉伸和压缩就越严重，当外层圆角的拉伸应力超过材料的极限强度时，就会产生裂缝或折断，开裂端主要在工件中部，也有部分在角部出现。

2.1.2 折弯磨具的影响

如果折弯磨具的V型槽粗糙，工件通过折弯机时就会受到不均匀力的影响，从而磨损工件表面，或因局部压力过大造成表面缺陷后，再发生挤压开裂，开裂处通常也存在晶粒冷变形。

2.1.3 物流的影响

在钢材转运和装卸环节，表面出现划伤，破坏了基体表面的连续性，折弯时在划伤处极易发生开裂，这类裂纹通常较长、较直，开裂的根部可见划伤开口。

2.2 材料本身缺陷的影响

2.2.1 钢材中的有害元素、夹杂物和气体的影响

在冶炼过程中，钢中硫、磷元素含量偏高，致使钢中硫化物夹杂含量偏高，或者即使总体没有超标，但这些元素在局部聚集，夹杂物处同时存在较严重的中心偏析，导致钢材塑性和韧性下降，容易引起钢材弯曲并产生裂纹。此外，铸坯表层微裂纹经加热轧制后，裂纹附近存在高温氧化，钢中的氧、氮元素含量高，尤其氮元素易与钛元素形成TiN，在连铸过程中，沿晶界析出的TiN颗粒易导致连铸坯产生原始裂纹，折弯时造成开裂。

2.2.2 钢材表面质量的影响

钢材表面的微裂纹、气孔等经弯曲加工后，在裂纹处产生应力，极易开裂，弯曲圆弧处肉眼可见多条细小裂纹。

2.2.3 钢材的力学性能及各向异性的影响

材料的塑性越好，塑性变形的稳定性越强，断后伸长率越大，相对来说弯曲性能也较好，即使弯曲直径很小也不容易开裂。另外，钢材的纵向与横向性能存在差异，纵向的带状组织比横向严重，也就是钢材的纵向塑性指标较高，因而沿垂直于轧制方向弯曲时，钢材的弯曲性能要优于沿横向弯曲时，相对而言不容易开裂。

3 改进措施

(1) 毛刺、毛边和氧割形成的角部开裂问题的相关解决措施：采用手工砂磨毛刺和毛边，并倒圆角，或用去毛刺机自动消除毛刺，去除加工硬化区域，减小开裂比例；改折弯加工为连续性辊压成型，成型后再切割，避免剪切产生的加工硬化；通过后续的焊补工艺对轻微缺陷进行补救。

(2) 针对折弯半径较小的问题，应在设计允许的范围内尽可能增大R角，避免过小的弯曲半径。

(3) 在钢材转运和装卸等物流过程中避免表面划伤的风险。

(4) 在炼钢工艺方面，提高钢材的纯净度，减少钢中夹杂物的含量和聚集。

要充分利用钢包吹氩工艺，保证钢水中较大的硫化物充分上浮和分离；要保证钢水流动过程中有合适的流场，确保结晶器内钢水流场的合适与稳定，既要进一步去除钢中夹杂物，又要防止卷渣导致钢水受到污染；合理控制连铸时的浇铸温度、拉坯速率、冷却速率，合理的铸坯轻压技术和电磁搅拌技术可提升铸坯内部质量，减轻中心偏析和防止中间裂纹的形成。

(5) 在轧钢工艺方面，加强加热、轧制温度和轧后冷却工艺的控制，避免魏氏体、马氏体、粗大晶粒和混晶等异常组织的形成，在产品标准允许的范围内降低强度，提高塑性和韧性。