Q235B 热轧钢带冲折开裂分析

董继亮，赵 光，郑英辉，李建生，刘冠华，薛 强

（河钢集团唐钢公司，河北 唐山 063016）

0 引言

Q235B 产品作为低牌号一般结构用钢，产品广泛用于结构件、方（圆）管制品以及冲折配件等，市场需求量大。作为低牌号的普材产品，成分结构随原材料价格波动变化较为灵活，生产工艺以及有害元素控制范围较大，在制作一些变形量较大的零件时，易产生不合格品。某厂Q235B 热轧钢带在客户冲折使用过程中出现边部开裂问题，本文通过对开裂样品进行理化分析，并对材质依照零件形貌进行仿真模拟，分析出Q235B 冲折开裂的主要原因，提出改进措施加以改进，有效提升了产品的质量水平。

1 开裂零件形貌及产品材质信息

开裂零件形貌如图1 所示。取冲压开裂零件和原始板料进行材料成分、组织及夹杂物和拉伸性能检验，分析开裂原因。原始板料的测试项目有成分、拉伸性能。开裂零件的测试包括成分、组织及夹杂物分析。开裂零件和原始板料成分一致，测试结果见表1。

表1 化学成分

图1 开裂零件1

2 检测结果分析

2.1 原始板材横纵向拉伸性能

原始板材横纵向拉伸性能如图2 所示，屈服强度、抗拉强度及延伸率均满足Q235B 要求。

图2 横纵向拉伸曲线及指标

2.2 显微组织及夹杂物检验

从零件的开裂位置截取金相样品，其纵向组织及夹杂物如图3 和图4 所示。其显微组织为铁素体和珠光体混合组织，晶粒细小，但在纵向组织中发现明显的大尺寸MnS 类夹杂，横穿多个晶粒，破坏了晶粒的连续性，选取最恶劣的一个视场进行评级，为细系A2。此外，还存在明显的中心偏析现象。组织与成分有很好的对应关系，该材料的S 含量明显偏高，易产生硫化物类夹杂。

图3 开裂零件显微组织

图4 开裂零件夹杂物检验（评级：A2）

3 成形过程分析

板料在冲压过程中，中间部位受约束不发生位移，开裂部位为典型的翻边成形，如图5 所示。

图5 零件成形分析

板料成形仿真失效分析结果如图6 所示（为提高计算效率简化了图形，零件中的圆孔未画出）。

零件失效判定准则采用厚度法和FLC 成形极限曲线进行预测[1-3]，仿真结果最大减薄处和最大应变位置均与实际零件相同，仿真结果显示：变形区域处于安全变形范围之内，即零件不会发生开裂。由于仿真输入的材料属性无法考虑夹杂物的影响，如果Q235B 中不存在大量的夹杂物，其力学性能就能够满足此零件的加工要求。因此，板料中存在大尺寸MnS类夹杂是导致成形失效的诱因。

4 MnS 生成原因分析

由成分化验结果以及板材夹杂物检测结果，结合仿真零件成形失效分析，确定了板料中存在的大尺寸MnS 类夹杂是导致成形失效的诱因[4-5]。由金相组织可以看出，材料钢带中心区域存在明显的偏析带以及贯穿多个晶粒的MnS 类夹杂物，因此，对MnS 夹杂物产生机理及控制方向进行分析。

通过相关文献可知，MnS 的大量生成发生于3个温度区间：凝固末端和高、低温奥氏体温度区间。随着钢液温度的降低，钢液凝固进入到固液两相区内，钢中的锰和硫原子在枝晶前沿不断富集。当温度继续降低到某一临界温度，锰和硫的实际浓度积超过其平衡浓度积时，MnS 开始析出，并大量生成。钢中存在细小的氧化物质夹杂点会促进MnS 析出。在凝固末端生成的MnS 尺寸一般较大，偏聚在连铸坯凝固树枝晶之间，分布在晶界处，呈板片状，通常对材质的成型性有害。因此，重点分析MnS 在凝固末端的析出行为。

夹杂物形貌为600 μm 的长条状，根据板材中夹杂物形貌，结合钢板、连铸坯厚度，推断夹杂物在铸坯中为10～15 μm 长度的棒状或纺锤状夹杂。夹杂物处于偏中心位置，说明铸坯内柱状晶发达，中心位置S浓度高，钢中存在氧化物质点，促进了MnS 非均质化形核析出，析出的MnS 对氧化物质点进行包裹。因此，可以推断出铸坯中MnS 夹杂中心氧化物质点直径应小于5 μm。

5 改进措施

由上文分析的MnS 夹杂析出原理，可从以下几点进行改进：

1）控制钢水中的S 含量。

2）减少钢中氧化物数量，减少促进MnS 析出的质点。

3）抑制柱状晶生长，加速等轴晶生长，将液态钢水均匀分割，降低中心部位S 浓度。

针对Q235B 存在的内部质量问题，结合MnS 生成原因分析，对钢水成分和炼钢工艺进行优化[6-8]，具体包括：

1）S 成分优化控制：材质w（S）由当前的0.024%降低到≤0.015%。

2）转炉出钢后强搅2～3 min，保证渣料熔化效果，促进一次夹杂物上浮去除。

3）精炼增强钙处理前搅拌，促进夹杂物碰撞长大，根据钢包搅拌能公式，结合现场实际搅拌效果，制定吹氩搅拌参数。

4）优化二冷水量，在原有基础上将二冷水量上调8%，增加铸坯凝固速度及坯壳厚度。在后续生产中，中心偏析问题有所减轻。

5）加连铸辊缝精度管理，辊缝精度从原来的±0.2 mm，提高到±0.1 mm 以内，定期校核。

6 结语

Q235B 热轧钢用途为翻边成形，要求材料具有良好的局部成形性，通过Q235B 热轧钢产品化学成分、组织及夹杂物分析，板料中存在大量的大尺寸MnS夹杂，属于塑性夹杂物，在材料整体均匀变形过程中对材料的性能影响不大（如拉伸试验的性能检验是合格的），但对于局部成形而言，在某些位置变形量很大，即便是塑性夹杂物也会造成应力集中，使材料产生裂纹，进而扩展导致开裂，材料成形仿真失效分析，也证明了这一点。

通过优化控制S 成分、去除炼钢过程中的夹杂物、调整连铸二冷水量及辊缝精度，Q235B 钢再未出现冲折开裂问题。