鋼材折彎開裂的影響因素及改進(jìn)措施

趙永鋒, 戴 林, 向浪濤, 唐志剛, 陳 杰

(重慶鋼鐵股份有限公司 制造管理部, 重慶 401220)

折彎加工工藝是鋼材加工工藝的一種類型，廣泛應(yīng)用于汽車制造、工程機械、橋梁、船舶和建筑等各個領(lǐng)域。金屬板料在折彎機上模或下模的壓力下，先發(fā)生彈性變形，再發(fā)生塑性變形。在塑性彎曲的開始階段，隨著上?；蛳履Π辶系氖簭澢?，板料與上模或下模V型槽內(nèi)表面逐漸靠緊，同時曲率半徑也逐漸變小，隨著繼續(xù)加壓到行程終止，上模和下模與板材全接觸，該過程形成的V型彎曲就是折彎，常用的加工設(shè)備為折彎機和輥壓設(shè)備。

折彎開裂是鋼材加工使用過程中的主要缺陷，根據(jù)開裂的位置，可分為角部開裂和中部開裂，開裂的影響因素有加工工藝不當(dāng)和材料本身質(zhì)量缺陷，給鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)帶來不利影響。筆者通過對典型質(zhì)量案例的分析、歸納和總結(jié)，并參考相關(guān)資料，分析了折彎開裂的各種影響因素，并提出了改進(jìn)措施。

1 折彎開裂典型試樣理化檢驗

1.1 角部開裂試樣

1.1.1 宏觀形貌

角部開裂是折彎開裂中最常見的一種缺陷，角部開裂處通常存在毛刺、毛邊、氧割邊或等離子切割邊等。如果折彎加工時對工件邊部未進(jìn)行砂磨處理或者處理不完全，就會發(fā)生角部開裂，角部開裂的裂紋通常較短，開裂處位于角部的加工硬化區(qū)域[1-2]。選取了Q235B鋼和Q355B鋼的典型缺陷進(jìn)行分析，角部開裂的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 鋼材角部開裂宏觀形貌

1.1.2 化學(xué)成分分析

選取4個Q235B鋼和Q355B鋼典型角部開裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，結(jié)果均符合要求。

表1 Q235B鋼和Q355B鋼角部開裂試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.1.3 力學(xué)性能測試

對選取的上述4個Q235B鋼和Q355B鋼典型角部開裂試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示(D為彎曲直徑，a為試樣厚度)，結(jié)果均符合要求。

表2 Q235B鋼和Q355B鋼角部開裂試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.1.4 金相檢驗

對上述4個Q235B鋼和Q355B鋼典型角部開裂試樣的開裂部位進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：開裂處的組織存在晶粒冷變形，氧割和等離子切割的開裂處存在熱影響組織。

圖2 角部開裂試樣的微觀形貌

1.2 折彎開裂試樣

1.2.1 宏觀形貌

中部開裂常表現(xiàn)為工件中部非連續(xù)的開裂，裂紋通常較長，也有短裂紋的現(xiàn)象，中部開裂宏觀形貌如圖3所示。

圖3 中部開裂試樣的宏觀形貌

1.2.2 化學(xué)成分分析

選取6個Q235B鋼、Q355B鋼和610L鋼中部開裂試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表3所示，結(jié)果符合要求。

表3 中部開裂試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.2.3 力學(xué)性能測試

選取上述6個Q235B鋼、Q355B鋼和610L鋼的中部開裂試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表4所示，結(jié)果均符合要求。

表4 中部開裂試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.2.4 金相檢驗

選取上述6個Q235B鋼、Q355B鋼和610L鋼的中部開裂試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：磨具擠壓處存在晶粒冷變形；較長、較直的裂紋根部可見劃傷開口；試樣存在聚集的硫化物夾雜、中心偏析、高溫氧化質(zhì)點、氧化脫碳、氣泡特征等[3-6]。

圖4 中部開裂試樣的微觀形貌

2 折彎開裂缺陷形成原因分析

2.1 加工工藝不當(dāng)

2.1.1 彎曲直徑的影響

折彎鋼材在彎曲加工時，其彎曲部位外層受到拉伸，內(nèi)層受到壓縮。當(dāng)材料厚度一定時，彎曲半徑越小，材料的拉伸和壓縮就越嚴(yán)重，當(dāng)外層圓角的拉伸應(yīng)力超過材料的極限強度時，就會產(chǎn)生裂縫或折斷，開裂端主要在工件中部，也有部分在角部出現(xiàn)。

2.1.2 折彎磨具的影響

如果折彎磨具的V型槽粗糙，工件通過折彎機時就會受到不均勻力的影響，從而磨損工件表面，或因局部壓力過大造成表面缺陷后，再發(fā)生擠壓開裂，開裂處通常也存在晶粒冷變形。

2.1.3 物流的影響

在鋼材轉(zhuǎn)運和裝卸環(huán)節(jié)，表面出現(xiàn)劃傷，破壞了基體表面的連續(xù)性，折彎時在劃傷處極易發(fā)生開裂，這類裂紋通常較長、較直，開裂的根部可見劃傷開口。

2.2 材料本身缺陷的影響

2.2.1 鋼材中的有害元素、夾雜物和氣體的影響

在冶煉過程中，鋼中硫、磷元素含量偏高，致使鋼中硫化物夾雜含量偏高，或者即使總體沒有超標(biāo)，但這些元素在局部聚集，夾雜物處同時存在較嚴(yán)重的中心偏析，導(dǎo)致鋼材塑性和韌性下降，容易引起鋼材彎曲并產(chǎn)生裂紋。此外，鑄坯表層微裂紋經(jīng)加熱軋制后，裂紋附近存在高溫氧化，鋼中的氧、氮元素含量高，尤其氮元素易與鈦元素形成TiN，在連鑄過程中，沿晶界析出的TiN顆粒易導(dǎo)致連鑄坯產(chǎn)生原始裂紋，折彎時造成開裂。

2.2.2 鋼材表面質(zhì)量的影響

鋼材表面的微裂紋、氣孔等經(jīng)彎曲加工后，在裂紋處產(chǎn)生應(yīng)力，極易開裂，彎曲圓弧處肉眼可見多條細(xì)小裂紋。

2.2.3 鋼材的力學(xué)性能及各向異性的影響

材料的塑性越好，塑性變形的穩(wěn)定性越強，斷后伸長率越大，相對來說彎曲性能也較好，即使彎曲直徑很小也不容易開裂。另外，鋼材的縱向與橫向性能存在差異，縱向的帶狀組織比橫向嚴(yán)重，也就是鋼材的縱向塑性指標(biāo)較高，因而沿垂直于軋制方向彎曲時，鋼材的彎曲性能要優(yōu)于沿橫向彎曲時，相對而言不容易開裂。

3 改進(jìn)措施

(1) 毛刺、毛邊和氧割形成的角部開裂問題的相關(guān)解決措施：采用手工砂磨毛刺和毛邊，并倒圓角，或用去毛刺機自動消除毛刺，去除加工硬化區(qū)域，減小開裂比例；改折彎加工為連續(xù)性輥壓成型，成型后再切割，避免剪切產(chǎn)生的加工硬化；通過后續(xù)的焊補工藝對輕微缺陷進(jìn)行補救。

(2) 針對折彎半徑較小的問題，應(yīng)在設(shè)計允許的范圍內(nèi)盡可能增大R角，避免過小的彎曲半徑。

(3) 在鋼材轉(zhuǎn)運和裝卸等物流過程中避免表面劃傷的風(fēng)險。

(4) 在煉鋼工藝方面，提高鋼材的純凈度，減少鋼中夾雜物的含量和聚集。

要充分利用鋼包吹氬工藝，保證鋼水中較大的硫化物充分上浮和分離；要保證鋼水流動過程中有合適的流場，確保結(jié)晶器內(nèi)鋼水流場的合適與穩(wěn)定，既要進(jìn)一步去除鋼中夾雜物，又要防止卷渣導(dǎo)致鋼水受到污染；合理控制連鑄時的澆鑄溫度、拉坯速率、冷卻速率，合理的鑄坯輕壓技術(shù)和電磁攪拌技術(shù)可提升鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，減輕中心偏析和防止中間裂紋的形成。

(5) 在軋鋼工藝方面，加強加熱、軋制溫度和軋后冷卻工藝的控制，避免魏氏體、馬氏體、粗大晶粒和混晶等異常組織的形成，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)降低強度，提高塑性和韌性。