汽车大梁钢成型开裂的原因分析

杨成鑫

（厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361102）

我国制造业在快速的发展，冲压钣金件的复杂性和可变性越来越大。汽车大梁钢主要应用于重卡汽车底盘上的纵梁、衬梁、横梁以及前后车桥等结构件，这些部件在汽车行驶过程中几乎承载了货物的全部重量，其综合性能对整车的行驶安全和使用寿命至关重要[1]。冲压后的纵梁形状简单，一般采用槽钢或U形梁，除了一般的机械性能外，还对宽冷弯工艺性能要求很高。因为横梁和加强筋比桁条更复杂，因此在冲压过程中它们更容易破裂。不合理的材料选择和原材料质量的波动往往都会导致了冲压的时候出现了裂缝，这样会给加工的企业以及材料的供应商带来一定的经济损失。所以，我们从原材料的铸造工艺进行有效分析，并实施有效的工艺改进措施，使得原材料从冶金质量上更上一层，最终达到所需的使用要求。

1 化学成分及显微组织的分析

1.1 化学成分的分析

我们以低碳、高锰和适宜的钛微合金化复合设计方案用于汽车大梁钢的冶炼。其中，适当地增加锰含量以补偿由低碳含量引起的抗拉强度的降低。通过一定分析，发现化学成分满足国标GB/T3273-2005的要求。

1.2 组织和夹杂物的分析

利用光学显微镜对大梁钢的组织、带状组织和夹杂物进行分析，结果表明，显微组织为铁素体（F）+珠光体（P），珠光体体积分数为10%，晶粒度为10.5级，心部带状组织为1.0级，非金属夹杂物属于脆性夹杂，且略高于正常的水平，这样会引起在变形过程中因为变形不协调而增加开裂的几率[2]。为能够解决到冲压裂纹这个问题，必须控制夹杂物的形成，加强夹杂物的去除，从铁水预处理、一次转炉冶炼、LF炉冶炼到连铸。

2 各工序夹杂物的控制

从熔融铁预处理，转炉初级冶炼再到LF炉精炼到连铸等每道工序都必须要经过严格的精细管理，任何链接的任何偏差都可能导致最终产品中的杂质过多。

2.1 铁水预处理

在汽车梁钢冶炼过程中，对热处理和LF炉精炼进行了脱硫处理。在预处理的时候，采用喷施钝化镁颗粒的工艺然后进行脱硫。脱硫目标值＜0.015%。因为脱硫渣不易从铁水中析出，将的炉渣骨料分散在铁水上，使脱硫渣变厚。严格的结渣操作，生产出符合冲压要求的钢材。铁预脱硫后刮渣，尽可能刮渣，防止硫的返回。可以减轻低频炉的负荷，减少夹杂物的来源，缩短精炼过程中的脱硫时间，使精炼钢中漂浮夹杂物能够在更短的时间内被去除[3]。

2.2 转炉脱磷

脱磷是转炉冶炼中的一个难题。如果脱磷操作不符合标准的话，会导致矿渣中氧化铁含量变高，钢水中氧含量也增加。吹制后加入脱氧剂需要从钢中去除氧。当使用铝基脱氧剂时，脱氧产物如果没有被很好地去除，仍然还留在钢夹的杂物里面。转炉冶炼的时候，炉渣的含氧量会高过钢。只有当最终渣中氧化铁含量降低时，才能降低最终钢液中的氧含量。为能够降低到钢里面的夹杂物含量，能有效地脱磷，转炉冶炼的时候应该采取以下措施：一是这一过程中要适当增加石灰的用量，每炉优质石灰添加量由5t增加到6t，每炉钢添加量约为150t，石灰采用蒸汽窑石灰，它的活性高，结渣快；二是要依据渣钢界面脱磷反应动力学原理，只有剧烈搅拌熔池，形成泡沫渣，才能快速进行脱磷[4]。转炉初始熔化温度要低于1400℃，在此条件下应进行脱磷，并且满足以下几种情况：

首先在有碳的情况下脱磷：通过钢中碳和氧反应形成的CO对金属熔池有着极为强烈的搅拌作用，并且炉渣与钢完全接触，这增加了炉渣与钢之间的反应界面，并且可以有效地脱磷。

其次全程底吹：底吹的主要目的是为能够促进搅拌，然后增加炉渣和钢俩者之间的反应界面，在加快反应之后，可以起到快速脱磷的效果，这样才能够降低到炉渣里面氧化铁的含量。

最后在完成转炉冶炼终点测温取样检测，我们通过转炉炼钢的自动化、炉渣检测等的新技术的应用，可以为低碳汽车大梁钢的稳定生产提供保证。采用转炉自动炼钢的系统，在进行转炉冶炼的时候，使得合格率变成93%，氧含量（钢水的含氧量）平均值为550×10-6，同时减少了钢液中还原剂和夹杂物的来源。另外，在大约3min的送样、制样、检测时间里，我们需要利用好这段时间来进行底吹强搅拌的操作，因为钢水流动的强烈冲击和搅拌作用，令脱氧产物充分的团聚、碰撞、生长和悬浮。

2.3 LF炉精炼工序

通过电极加热精细调节钢水的成分和温度可以为连续铸造提供合适的过热钢。LF炉电极在加热钢渣前采用埋弧加热，避免钢水的暴露。加热时间越长，暴露的表面积越大，氧化的可能性越大。加强到对生产的组织以及管理，转炉钢的时候一定要使用连续使用的清洁钢包，转炉钢的时候要能够及时的升级到炼钢厂，还要禁止使用炉温过高的情况，加热的时间会过长，LF炉精炼还可以使碱性还原渣脱硫。我们依据钢水的硫含量，确定在钢包渣表面加入铝粉和石灰的量。LF炉具有很强的脱硫能力，但当钢中含有高硫的时候，精炼过程中加入的铝量会相应增加，导致氧化铝夹杂物增加。在进行热轧钢板生产的时候，脱硫的任务可以转移到热轧的处理，从而减少带夹杂物的来源。LF炉在精炼后期为钙生产线提供原料，在通过钙处理将高熔点夹杂物转化为浮动的低熔点夹杂物。在用钙处理钢水之后，以低流速将氩气泵入钢包中8min，以使夹杂物完全漂浮。

2.4 连铸工序

在连铸过程中对中间包钢液应控制在高水平。依据中间包中钢液的重量，中间包中钢液的重量为t（40±2）。在正常的铸造的时候，中间包中钢水的重量要求在33t以上才能改变中间包，以保证钢中的夹杂物进入中间包中涂层剂的浮动，这些液位的增加，能够使得钢中的夹杂物含量趋于稳定。另外，针对连铸过程中形成的大型夹杂物的控制，既要保证连铸工序中拉速的稳定，也要控制浇注时液面的平稳。

此外，针对连铸连轧过程中的冷轧过程也要进一步控制。在冷轧中退火产生的粗晶通常是由轧制过程中冷塑性变形的不均匀或临界变形引起的。一般来说，随着变形程度的增加，晶粒尺寸从大到小逐渐减小，但晶粒尺寸有两个变形峰，即两个微晶区。第一个大颗粒区域称为临界变形区域，这是一个小的变形范围。由于低变形和低成核，临界变形区中的粗晶体通过消耗周围的变形晶胞而生长。当变形大于临界变形时，在金属内发生塑性变形，导致再结晶，因此，可以通过重结晶获得细晶粒。而当变形足够大时，可能发生第二大颗粒区域。第二大晶粒区域通常被称为具有大粒径的晶粒结构，其中每个晶体表面上的多个金属粒子被布置成具有足够的变形方向变形，称为变形织构和再结晶退火。在具有变形织构的材料上，再结晶后的晶粒取向基本上与原始变形织构相同。

该取向的再结晶结构通常被称为具有颗粒的大颗粒。分析了材料的力学性能和裂纹附近样品的微观结构。因为混晶现象仅出现在钢的表面，混晶层非常薄，对钢的强度影响不大，但对加工影响很大。依据SMT的公式，钢强度与晶粒尺寸呈线性关系，晶粒越细的话，强度就会越高。因此，当混合晶体钢在冷弯曲期间变形的时候，粗晶粒率低并且开始发生位错转移机制。但是细晶粒不会屈服，并且位错滑动机构不会打开。此时，当位错在粗粒和细粒之间滑动晶界的时候，它会被阻挡开来，这种不匹配的变形导致晶粒间应力集中的加剧，导致粗晶粒开裂，从而材料断裂。因此，在冷轧的塑性变形过程中我们要控制好变形量，以免在连铸连轧过程中产生开裂现象。

3 结语

要解决汽车梁冲压裂纹问题的话，最关键的点是要控制好钢中夹杂物含量，钢中的夹杂物控制是一项系统工程。在铁水预处理再到转炉冶炼和精炼到连续铸造，每个过程都必须要精细的操作。任何环节中的偏差都可能导致过量的夹杂物含量，从而导致产品的冲压开裂。此外，还要注意冷轧的影响，保证合适的变形量对钢的基础性能也起到良好的保护作用。