610L汽车大梁钢成型开裂分析

单岩磊　郭健　田秀刚　魏焕君　赵光

摘 要：成型开裂是汽车大梁钢在应用中失效的主要形式，而车辆桥壳的成型形状相对比较复杂，在冲压过程中更容易出现开裂问题。针对国内某钢厂生产的610L汽车大梁钢在下料及加工车辆桥壳过程中产生的分层开裂问题，分别从客户的两个基地取样，且两地样品均有分层开裂现象，利用直读光谱仪、拉伸试验机、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及能谱仪等检测仪器，对板料样品的化学成分、力学性能、显微组织和夹杂物进行检测和分析。结果表明，由于板料中存在严重的MnS中心偏析，且偏析带内含有大量的TiN析出物，破坏了基体组织的均匀性和连续性，进而影响其成型的塑韧性，导致在加工车辆桥壳过程中出现分层开裂问题，并阐述炼钢以及轧钢工艺中可以有效控制MnS夹杂物和TiN析出物的措施，为实际生产提供理论支撑。

关键词：汽车大梁钢；成型开裂；中心偏析；夹杂物

ANALYSIS OF CRACKING IN THE FORMING PROCESS OF 610L AUTOMOBILE BEAM STEEL

Shan Yanlei    Guo Jian    Tian Xiugang    Wei Huanjun    Zhao Guang

（Tangshan Iron and Steel Group Co.，Ltd.    Tangshan    063000，China）

Abstract：Cracking during forming process is the main form of failure in the application of automotive beam steel， and the forming shape of vehicle axle shells is relatively complex， making it more prone to cracking during the stamping process. In view of the delamination and cracking problem of 610L automobile girder steel produced by a domestic steel factory in the process of processing vehicle axle housing， samples were taken from two customer bases， and the samples in both places had delamination and cracking phenomenon. The chemical composition， mechanical properties detection and analysis of microstructure and inclusions. The results indicate that due to severe central segregation in the sheet metal and the presence of a large amount of precipitates and inclusions in the segregation zone， the uniformity and continuity of the microstructure are disrupted， which in turn affects the plastic toughness of its formation， leading to delamination cracking during the processing of vehicle bridge shells. Measures that can effectively control inclusions in steel making processes are elaborated， providing theoretical support for practical production.

Key words： automobile beam steel; forming cracking; central segregation; inclusion

0    前    言

近年来，随着汽车行业的高速发展，有关热轧汽车大梁钢的研究也在不断创新和推进。作为重型卡车底盘上的横纵梁以及桥壳等结构部件，其理化性能对车辆的安全系数和使用寿命有着至关重要的影响。为了实现节能降本，并且提高产品的安全性能，可以通过优化生产工艺或者成分设计，进而提高汽车大梁钢的塑韧性、冷弯成型性、焊接性、抗疲劳等性能[1]。鞍钢、武钢、包钢、酒钢、八钢、新余钢铁先后采用不同的工艺设计开发研制高强度热轧610L汽车大梁钢，其成分设计通常为低碳高锰、适量的硅，并且采用添加Nb、Ti或者Nb、V的微合金化技术，以及恰当的控轧控冷工艺，在晶粒度、冲击韧性、冷弯成型等方面获得了优异的稳定性能，已经成功被国内多家著名汽车制造商应用在横纵梁、桥壳等结构件的制造[2-7]。车辆桥壳作为汽车总成中的主要承载件，是传动系和行驶系的重要组成部分，通常使用钢板经过冲压成型后再进行焊接处理，因此对钢板的冲压成型性能和焊接性能有着较高的要求 [8]。

国内某钢厂生产的厚度为9.7 mm的610L汽车大梁钢，其工艺流程为：铁水脱硫→转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸→铸坯精整→板坯加热→热连轧机控轧→层流冷却→卷取→取样检验→包装外运。在下料和客户加工车辆桥壳过程中出现了分层开裂问题，成型后的车辆桥壳以及板材的宏观开裂形貌如图1、图2所示。

为了查明桥壳开裂的原因，使用瑞士ARL4460直读光谱仪、WEW-300屏显式液压万能拉伸试验机、德国Zeiss AXIO Image.A2m光学显微镜、德国Zeiss SIGMA-HD扫描电子显微镜及能谱仪等设备对试样进行了检测和分析。

1    理化检验

1.1    化学成分

从客户两基地取回的610L汽车大梁钢样品的化学成分如表1所示，两地样品的化学成分基本一致，且符合610L汽车大梁钢的企标。适量的Nb不仅可以提高钢中奥氏体的再结晶温度，进而使奥氏体晶粒细化，还能通过固溶作用和析出作用来提高钢的强度，而Ti可以起到细化晶粒以及沉淀强化的作用，加入合适的微合金元素Ti能够与S生成硫化钛，有效降低了MnS夹杂物对大梁钢的危害，从而提高横纵向机械性能的一致性[9-10]。

1.2    力学性能

根据GB/T228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，对客户两基地提供的样品沿着板材的轧制方向使用线切割加工标距为50 mm的拉伸试样，在WEW-300屏显式液压万能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速度设定为4 mm/min，取3次测量结果的平均值作为拉伸试验结果，试样的各项力学性能均满足企标。

1.3    金相组织检测

对客户两基地提供样品的开裂部位进行取样，磨抛处理并用4%硝酸酒精腐蚀后在Zeiss AXIO Image.A2m光学显微镜100倍下观察，如图3所示，两地样品的基体组织均为铁素体+珠光体，并发现若干条带状组织贯穿整个视场。

对厚度不同部位的显微组织检测见图 4（两地样品的组织基本一致，故选取其中一地样品组织进行说明），并结合宏观的缺陷样品，发现其偏析仅存在于板厚的中心位置。

1.4    夹杂物检测

对开裂样品进行磨抛处理，在扫描电镜下对夹杂物的类型进行检测（两地样品夹杂物类型相似，故选取其中一地样品进行说明）。

图5为610L汽车大梁钢中检测到比较明显的夹杂物，主要为MnS夹杂物和TiN析出物。

2    开裂原因分析

两地开裂样品的化学成分和力学性能未见异常，均符合企业标准要求。在金相组织和夹杂物检测中，发现了严重的中心偏析以及偏析带内大量的MnS夹杂物和TiN析出物。中心偏析使带钢心部富集C、Mn、Nb、Ti等合金元素，从而形成了合金元素的贫化区、富化区并且交替存在，导致在卷曲慢冷过程中容易产生铁素体和珠光体交叠的带状组织，而珠光体比铁素体硬，因此在外应力下两相交界处产生应力集中而分层开裂。从第二相对钢的强塑性影响角度分析，大颗粒Nb、Ti碳化物不利于提高钢的强度和塑韧性。由于切过机制的主导作用，钢的强度与第二相的体积分数成正比，而与其尺寸的平方根成反比，聚集的大尺寸和棱角块状第二相严重危害了钢的塑韧性，从而增加了冲压开裂的可能性。MnS夹杂物在板厚中心部位，TiN析出物尺寸在5～10 μm左右，在板料中随机分布，破坏了组织的均匀性和连续性，在成型过程中容易产生裂纹源，而这些裂纹会沿着偏析带继续延伸扩展，最终扩展到表面造成成型开裂 [11-13]。

3    控制钢中夹杂物的措施

3.1    氮化钛的控制

3.1.1    氮化钛对钢材性能的影响

钢中的氮化钛是一种硬而脆、且有尖锐棱角的夹杂物，其尖锐的棱角可以破坏钢的基体组织从而产生裂纹源。有研究表明，对钢材疲劳寿命的影响方面，平均尺寸8 μm的氮化钛夹杂物与平均尺寸25 μm的氧化物夹杂是一样的，也就是说相同尺寸的氮化钛夹杂物和氧化物夹杂，氮化钛的危害更大，因此，控制钢中氮化钛的含量和尺寸对钢材的综合性能有着至关重要的作用[14]。

3.1.2    氮化钛析出热力学条件

3.1.3    钢液中氮含量的控制

3.1.3.1    钢液中氮含量的来源

3.1.3.2    吸氮热力学

3.1.3.3    吸氮动力学

3.1.3.4    改进措施及效果

对炼钢各工序的含氮量进行取样分析，发现LF精炼过程是造成钢液增氮的主要环节，并在LF精炼工艺中采取了如下改进措施：合理控制除尘阀开口度、提高造渣量、减少持续送电时间、调整不同时期吹氩流量，将LF精炼过程平均增氮量控制在10 ppm以内。

3.2    硫化锰的控制

3.2.1    硫化锰对钢材性能的影响

在热轧工艺中，MnS会沿着轧制方向产生变形并延伸，严重危害钢材的延伸性、冲击韧性、焊接等性能，还会造成探伤不合，甚至使钢材发生分层开裂现象。通常出现在铸坯中心偏析比较严重的部位，尤其是高浓度的硫化锰将出现在铸坯中央区域[20]。

3.2.2    硫化锰形成热力学

3.2.3    控制措施

MnS夹杂物的控制是一项系统的工程，可以从以下几个方面考虑改进：制定合适的钢液成分，并运用钙处理技术；连铸工艺中降低凝固终点温度、控制结晶器内钢水温度；优化轧制工艺，控制轧制速度；选择适当的热处理工艺，如高温加热、延长保温时间等[20]。

4    结    论

严重的MnS中心偏析以及存在于偏析带内大量的TiN析出物，是造成610L汽车大梁钢在下料和成型过程中产生分层开裂的主要原因，并阐述炼钢以及轧钢工艺中可以有效控制TiN析出物和MnS夹杂物的措施，为实际生产提供理论支撑。

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