厚規(guī)格熱鍍鋅板折彎開裂分析及改進措施

張百勇，柴立濤，王滕，楊平，李超

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

伴隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，5G時代已全面開啟，網(wǎng)絡(luò)機柜、控制機柜、戶外機柜等的需求量不斷增加。柜體一般采用整板成型，因此對材料的性能要求不高，但立柱等結(jié)構(gòu)件由異型加工而成，為減少過渡件，提高柜體強度，普遍使用厚度在2.0 mm以上的板材制作，其彎曲性能(T彎)必須合格。由于厚規(guī)格鍍鋅板對生產(chǎn)設(shè)備要求較高，生產(chǎn)難度較大，國內(nèi)只有少數(shù)鋼廠具備生產(chǎn)能力，市場需求較大。

供某終端客戶光纖交換箱立柱用2.95 mm厚規(guī)格熱鍍鋅板的生產(chǎn)主要包括熱軋、酸軋和熱鍍鋅3步，熱軋的終軋溫度890 ～ 900 °C，卷取溫度700 ～ 710 °C，酸軋壓下率40% ～ 50%，熱浸鍍退火溫度700 ～ 720 °C，光整延伸率0.1% ～ 0.8%。如圖1所示，該熱鍍鋅板在180°折彎(0T)時發(fā)生開裂，造成用戶無法使用，開裂率達100%。本文對此進行原因分析，并提出改進措施。

圖1 厚規(guī)格熱鍍鋅板180°折彎時的開裂現(xiàn)象 Figure 1 Cracking phenomenon occurring on thick hot-dip zinc-coated plate when bending 180°

1 原因分析

1.1 開裂試樣的物理性能分析

采用瑞士ARL 4460火花放電原子發(fā)射光譜儀分析得到基板的化學(xué)成分(以質(zhì)量分數(shù)計)為：C 0.044%，Si 0.012%，Mn 0.2%，P 0.009%，S 0.01%，Als 0.049%，F(xiàn)e余量。這滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

按照GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》測量基板的力學(xué)性能，得到樣板的屈服強度和抗拉強度分別為255 MPa和367 MPa，延伸率(A50)為39%，滿足抗拉強度大于270 MPa的要求。

采用荷蘭帕納科PW4400 X射線熒光光譜儀測得不合格件正、反面的鋅層鍍覆量分別為41 g/m2和40 g/m2，滿足雙面鍍層鍍覆量 ＞ 80 g/m2的要求，無異常。

1.2 開裂試樣的裂紋分析

取180°折彎開裂樣板，采用鹽酸+緩蝕劑溶液腐蝕去除表面鋅層，如圖2所示，表面裂紋依然存在，表明折彎處鍍層開裂的同時基板也發(fā)生開裂。

圖2 開裂試樣去鋅層前(a)、后(b)的裂紋情況 Figure 2 Cracks on defective samples before (a) and after (b) removal of zinc coating

1.3 開裂試樣的微觀結(jié)構(gòu)分析

采用Axio Imager M2m金相顯微鏡觀察基板組織，如圖3a所示，基板組織主要為鐵素體和珠光體，晶粒度級別為8.0，珠光體組織在晶界處發(fā)生團聚，且分布較多。進一步采用Sigma500熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)分析可知，珠光體團的尺寸約為40 μm，主要由晶界處的珠光體、滲碳體及尺寸較小的鐵素體組成(見圖3b)。說明基板的鐵素體組織和晶粒度都正常，但珠光體團尺寸偏大，數(shù)量較多，分布在整個基板內(nèi)部。

圖3 開裂試樣基板的金相組織(a)及其珠光體團的形貌(b) Figure 3 Metallographic structure of substrate of the sample with cracks (a) and the morphology of pearlite cluster in it (b)

采用金相顯微鏡觀察開裂處的橫截面，如4a所示，折彎處基板的金相組織被劇烈拉伸，發(fā)生嚴重的形變，表層存在明顯的裂紋。進一步采用掃描電鏡觀察截面可見，不僅基板表面有裂紋，折彎處內(nèi)部也存在不同尺寸的裂紋，這些裂紋主要分布在晶界處珠光體團聚區(qū)域，如圖4b和圖4c所示。從圖4d-4e可知，開裂試樣內(nèi)部其他區(qū)域的裂紋處都存在珠光體團聚現(xiàn)象，鐵素體晶界處也存在微小裂紋。

圖4 開裂試樣橫截面的金相照片(a)和掃描電鏡圖像(b, c)，以及裂紋內(nèi)部的掃描電鏡圖像(d, e, f) Figure 4 Cross-sectional metallograph (a) and SEM images (b) of the sample with cracks, and SEM images of the inside of crack (d, e, f)

綜上所述，折彎處裂紋均存在于珠光體團聚處，并且裂紋具有沿著晶界擴散傳播的趨勢[1]。分析原因為：在180°折彎過程中，試樣圓角區(qū)外層被拉伸，內(nèi)層則被壓縮，當(dāng)材料厚度一定時，折彎內(nèi)圓角越小，材料的拉伸和壓縮比就越大，當(dāng)外層圓角的拉伸應(yīng)力達到或超過材料的極限強度時就會誘發(fā)裂紋或折斷[2]。珠光體組織的塑性不如鐵素體，在折彎過程中位于鐵素體中心的位錯源被開動后，滑動的位錯將受阻于滲碳體片。隨著拉伸和壓縮比的增大，珠光體團尺寸增大，受阻積塞的位錯增加，積塞的位錯將在滲碳體薄片中形成正應(yīng)力，使得滲碳體片斷裂。當(dāng)足夠多的滲碳體片層斷裂并且裂紋連接在一起時，便會引起珠光體團整體脆裂， 產(chǎn)生的裂紋沿著晶界傳播，與鄰近斷裂的珠光體團相連。當(dāng)珠光體團密度較大時便會產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，引起基板整體開裂[3-4]。

2 改進措施及應(yīng)用效果

珠光體是過冷奧氏體在一定度下同時析出鐵素體和滲碳體(或合金碳化物)兩相而構(gòu)成的整合組織[5-6]，與鋼的熱軋工藝直接相關(guān)。通過退火可有效改善材料性能，因此主要從熱軋工藝及退火工藝尋找解決方案。

2.1 改進基板的熱軋工藝

原開裂樣板終軋溫度為890 ～ 900 ℃，卷取溫度為700 ～710 ℃，終軋溫度偏低，卷取溫度偏高。終軋溫度偏低易導(dǎo)致組織不均勻，而卷取溫度較高容易生成珠光體。為避免大尺寸珠光體團的生成，保證成型性，可適當(dāng)提高終軋溫度，使退火后的組織為均勻的等軸鐵素體，同時降低卷取溫度，避免塊狀或帶狀珠光體和滲碳體團聚狀析出物的出現(xiàn)，使熱軋鋼板晶粒組織細小，有利于塑性加工。

但改變熱軋工藝往往會使材料性能發(fā)生變化。從圖5a可以看出，隨終軋溫度升高，成品性能波動較?。粡膱D5b可以看出，卷取溫度從685 ℃降低至640 ℃時，成品的抗拉強度和屈服強度波動小于15 MPa，但延伸率由41%提升至47%，成品塑性變形能力改善。適當(dāng)降低卷取溫度能有效改善產(chǎn)品性能，但卷取溫度過低時，卷取后沒有足夠的溫度使過飽和的碳氮化合物析出，反而會影響軋材性能，同時會使卷取困難，且有殘余應(yīng)力存在，影響成品性能。因此，將終軋溫度提升至910 ～ 920 ℃，卷取溫度降至640 ～ 650 ℃。

圖5 終軋溫度(a)和卷取溫度(b)對成品性能的影響 Figure 5 Effect of final rolling temperature (a) and coiling temperature (b) on properties of product

圖6為終軋溫度912 ℃、卷取溫度645 ℃時所得熱鍍鋅板的金相組織和SEM形貌。可見基板組織仍為鐵素體+珠光體，晶粒度級別為8.5，但珠光體團的尺寸減小到10 μm以下，表明終提高軋溫度和降低卷取溫度可有效抑制珠光體團的生長。如圖7所示，將其180°折彎后折彎處基板內(nèi)部無裂紋，說明折彎性能良好。

圖6 改進熱軋工藝后基板的金相組織(a)及其珠光體團的形貌(b) Figure 6 Metallographic structure of substrate (a) and the morphology of pearlite cluster in it (b) after optimizing the hot-rolling process

圖7 改進熱軋工藝后折彎處基板的金相組織(a)和形貌(b) Figure 7 Metallographic structure (a) and morphology (b) of substrate at bending position after optimizing the hot-rolling process

2.2 調(diào)整鋅鍍層的退火溫度

提高退火溫度能夠在一定程度上改善材料的成型性能，但受鍍鋅產(chǎn)線設(shè)計規(guī)格的限制，厚度2.95 mm已是鍍鋅板的極限規(guī)格，為保證退火工藝滿足生產(chǎn)要求及板面品質(zhì)，產(chǎn)線速率一般為30 ～ 50 m/min。產(chǎn)線速率低于30 m/min時，退火工藝雖能得到保證，但產(chǎn)品表面品質(zhì)大幅降低；產(chǎn)線速率高于50 m/min時，帶鋼加熱時間變短，退火溫度難以達到設(shè)定值，使產(chǎn)品成型性能降低。因此，退火溫度的提升范圍有限。

從圖8可以看出，隨著退火溫度升高，珠光體團數(shù)量減少，但尺寸仍然較大，為30 ～ 35 μm。這是因為 基板中的團塊狀珠光體是由熱軋高溫卷取時形成的大塊滲碳體轉(zhuǎn)變而來，提升鍍鋅層退火溫度不僅無法有效降低珠光體團尺寸[7]，還會導(dǎo)致生產(chǎn)速率降低，滲碳體粗化，從而影響鋼板的折彎性能[8]。

圖8 鍍鋅層退火溫度分別為710 °C(a)、730 ℃(b)、750 ℃(c)和750 ℃(d)時基板中珠光體團的形貌 Figure 8 Morphologies of pearlite cluster in hot-dip zinc-coated plate after being annealed at 710 °C (a), 730 ℃ (b), 750 ℃ (c), and 750 ℃ (d), respectively

3 結(jié)語

(1) 厚規(guī)格鍍鋅板的折彎性能受基板組織的影響較大，晶界處珠光體團的尺寸越大、數(shù)量越多以及分布越集中時，180°折彎過程中基板越容易開裂。

(2) 提高終軋溫度和降低卷取溫度時，基板組織和晶粒度的變化不大，但晶界處的珠光體團尺寸明顯減小，基板強度也變化不大，延伸率略有提升，180°折彎后基板無開裂。

(3) 提升鍍鋅退火溫度不能有效減小珠光體團的尺寸，退火溫度過高反而對基板的折彎性能帶來不良影響。