分享：低碳酸洗钢SPHC-P冲压开裂分析及性能提升

日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照 

摘要: 低碳酸洗钢SPHC-P在用户生产压缩机外壳的过程中出现开裂，开裂处位于凸台外边缘的端部。取样对开裂处进行化学成分、厂内工艺调查、金相组织和力学性能检测。结果表明：开裂原因主要是终轧温度低，组织混晶导致延伸率和r值低造成的。通过增加中间坯厚度、投用热卷箱、关闭精轧机架间冷却水和增加轧制润滑等措施提高终轧温度，均匀晶粒组织，提升了SPHC-P成形性能。工艺改进后生产的低碳酸洗钢SPHC-P试用无明显减薄、隐裂和开裂，达到用户要求。

低碳热轧酸洗钢因具有良好的性能和表面质量，在一些行业能够替代冷轧产品，有较强的竞争力[1]。低碳酸洗钢在加工过程中须经过折弯、辊压、扩孔、拉伸、冲压和翻边等成形工艺，因此，材料本身的组织和力学性能如屈服强度、延伸率和塑形应变比r值对材料的加工成形有重要的影响[2]。日照钢铁低碳酸洗钢SPHC-P性能和表面质量优良，用于制作压缩机外壳、电机外壳和五金配件等。但某一批次低碳酸洗钢SPHC-P在用户制作压缩机外壳过程中出现批量开裂，开裂位置为压缩机凸台外边缘的端部。对开裂钢卷位置进行取样，通过成分、金相组织和力学性能检测手段分析导致开裂的原因，从而进行针对性的工艺优化实验，改进酸洗板的性能。

1.   开裂问题描述

图1为低碳酸洗钢SPHC-P制作的压缩机外壳壳体开裂照片。从图1(a)可以看出下壳体的凸台外边缘的端部有明显顶端开裂，图1(b)显示相同部位有明显减薄痕迹和隐裂。为了分析开裂产生原因，从开裂的钢卷取20 mm×20 mm大小的试样进行金相组织观察，并进行成分、力学性能检验和厂内工艺调查。

图  1  压缩机外壳开裂照片：（a）开裂形貌；（b）隐裂形貌

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2.   冲压开裂分析

2.1   成分检测

在开裂钢卷取样进行成分检测，结果见表1。从表中可以看出，开裂钢卷各元素含量均符合材料要求，因此可以判断开裂并非成分异常造成。

表  1  酸洗板SPHC-P成分（质量分数，%）

	C	Mn	P	S	Alt	N
标准	0.030~0.060	0.20~0.30	≤0.020	≤0.010	≥0.015	≤0.0050
实际	0.050	0.21	0.018	0.0062	0.035	0.0043

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2.2   热轧工艺调查

低碳酸洗钢SPHC-P热轧工艺要求终轧温度在(890±20) ℃范围内。从图2可以看出，2.5 mm规格低碳酸洗钢SPHC-P问题卷对应精轧温度波动较大，精轧温度整体偏低，精轧温度最小值小于800 ℃，远低于工艺要求。

图  2  开裂钢卷热轧工艺调查

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2.3   性能检测

对开裂钢卷取样进行力学性能检测，结果见表2。

表  2  开裂卷样板检测性能

性能	厚度规格/mm	屈服强度σ0.2/ MPa	抗拉强度σb/ MPa	伸长率A50/%	屈强比	r值	方向
放行标准	—	—	≥280	≥40	—	—	—
开裂卷	2.50	295	378	39.5	0.78	0.80	横向
开裂卷	2.50	273	377	39.0	0.72	0.75	纵向
正常卷	2.50	240	369	43.5	0.65	1.02	纵向

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从试样的力学性能检测结果可知，纵向伸长率偏低仅39%，低于放行标准≥40%的要求，纵向的屈服强度较正常卷高33 MPa左右，纵向的屈强比高0.07，且纵向r值低0.27。屈服强度高、延伸率低、屈强比高以及r值低导致材料的成形性能变差是造成冲压开裂的直接原因。

2.4   组织观察

选取开裂钢卷，进行金相组织观察。从图3中可以看出开裂钢卷表层组织为条带状的铁素体组织，心部组织为铁素体+少量渗碳体的再结晶组织且部分区域存在混晶。

图  3  开裂钢卷的金相组织：(a)表层组织；(b)心部组织

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终轧温度较低而且终轧温度波动大，精轧温度最低值<800 ℃，钢卷在两相区轧制，导致混晶，恶化延伸率[3]。带钢表面受到冷却水影响温度更低，同时由于轧辊与带钢摩擦形成剪切力，导致带钢在全铁素体区轧制，冷却后表层形成条带状铁素体组织。

压缩机外壳下壳体的凸台边缘变形最大，对性能尤其是延伸率要求高。如果材料延伸率低或者组织不均匀存在混晶，粗晶区容易导致应力集中，在变形最大处出现减薄、隐裂或开裂。因此需要在提升延伸率的同时均匀组织，消除混晶。

同时，塑形应变比r值也是衡量板材成形性能重要的指标之一，反映了在冲压成形过程中材料抵抗厚度方向减薄的能力。r值越大的材料越不易变薄，成形过程越不容易产生局部减薄和裂纹。赵鸿金等[4]认为，终轧温度和卷取温度对r值有重要的影响，在大量实验数据的基础上进行了回归模拟分析。

因此，提高终轧温度不仅能够均匀组织，增大延伸率，同时能够提高r值，进而改善材料的成形性能。

3.   工艺改进实验

根据开裂试样分析结果，在1580热轧产线进行低碳酸洗钢SPHC-P工艺实验。实验目的是提高薄规格终轧温度，改善产品力学性能。提高中间坯厚度（34 mm提高到38 mm），投用热卷箱，关闭机架间冷却水，确保精轧终轧温度(890±20) ℃，避免在两相区轧制而形成混晶。投用轧制润滑，减轻表层和心部组织差异，均匀带钢厚度组织。

3.1   热轧工艺

本次实验保持低碳酸洗钢SPHC-P成分不变，仅进行热轧工艺调整，实验方案和执行结果见表3。

表  3  低碳酸洗钢SPHC-P工艺改进方案

热轧工艺	粗轧1入口温度/℃	粗轧2出口温度/℃	中间坯厚度/mm	机架间冷却水	精轧平均温度/℃	卷取温度/℃
优化方案	1100~1150	1030~1090	38	关闭	890±20	680±20
工艺执行	1135	1055	38	关闭	889	685

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改进工艺后，低碳酸洗钢的终轧温度明显升高，终轧温度在872~905 ℃范围内，平均温度889 ℃，均高于Ar3，避免了在两相区轧制。卷取温度665~700 ℃，平均温度685 ℃，卷取温度较高，有利于热轧组织的均匀和粗化。

3.2   优化后组织

改进工艺后，对热轧卷进行取样进行组织观察。从图4中可以看出，经过热轧工艺优化，低碳酸洗钢SPHC-P得到以铁素体+渗碳体为主的组织，晶粒度表层9级，心部为8.5级，组织均匀无混晶。

图  4  工艺优化后金相组织：（a）表层组织；（b）心部组织

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3.3   优化后性能

改进工艺热轧卷酸洗平整后，取拉伸试样进行力学性能测试，结果见表4。优化后低碳酸洗钢的屈服强度为231 MPa，延伸率为44.5%，屈强比0.64。屈服强度和屈强比降低，延伸率和r值增加，提高了冲压成形过程中的应变能力。

表  4  低碳酸洗钢SPHC-P优化后力学性能

厚度/mm	屈服强度σ0.2/ MPa	抗拉强度σb/ MPa	伸长率A50/%	屈强比	r值
2.5	231	359	44.5	0.64	1.15

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3.4   试用效果

优化工艺后的低碳酸洗钢SPHC-P在同一用户进行同型号压缩机外壳下壳体的冲压，成形效果见图5。现场冲压600件压缩机外壳下壳体，成形效果良好，无明显减薄、隐裂和开裂问题，完全满足用户要求。

图  5  压缩机外壳下壳体冲压后无开裂

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4.   结束语

低碳酸洗钢SPHC-P开裂钢卷的成分合格，表层形成条带组织和心部局部混晶，带钢厚度方向组织差异大、不均匀，导致延伸率和r值较低是本次压缩机下壳体开裂的主要原因。终轧温度低，机架间冷却水量大，表层在铁素区轧制，心部在两相区轧制，是造成组织差异大的原因。通过增加中间坯厚度、关闭机架间冷却水、投用热卷箱和润滑轧制等措施，提高终轧温度，均匀带钢组织，提高延伸率和r值，解决了酸洗板SPHC-P冲压开裂问题。