熱軋酸洗板是以優(yōu)質(zhì)熱軋薄板為原料，經(jīng)酸洗機組去除氧化層，切邊，精整后，表面質(zhì)量和使用性能介于熱軋板和冷軋板之間的中間產(chǎn)品，是部分熱軋板和冷軋板理想的替代產(chǎn)品。江蘇某家電企業(yè)采購SPHE酸洗板用于生產(chǎn)冰箱壓縮機殼體，在生產(chǎn)時出現(xiàn)批量的制耳缺陷，表現(xiàn)為鋼板各個方向變形能力不同，沖壓出來的工件邊緣不齊、壁厚不均[1]。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的不斷調(diào)整沒有明顯效果，于是立即停產(chǎn)并向鋼廠提報質(zhì)量異議。

1.   缺陷描述

該家電企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程是：開卷－縱切分條－剪切落料－3道次沖壓成形－修邊，生產(chǎn)原料使用的是SPHE熱軋酸洗板，規(guī)格2.95 mm×1340 mm。下料尺寸為?270 mm圓形料片，已下料的料片加工時于第一道或第二道沖壓時出現(xiàn)杯口制耳現(xiàn)象遂停止使用。檢查發(fā)現(xiàn)多數(shù)殼體存在因鋼板各向異性導(dǎo)致的制耳，無法滿足后步工序尺寸要求。制耳缺陷形貌如圖1所示。

經(jīng)現(xiàn)場取不同位置料片進行對比沖壓并對壓邊力降低調(diào)整，無法有效解決。而且由于下料之后存在定位孔，無法對料片翻轉(zhuǎn)或者位置調(diào)整。對出現(xiàn)制耳缺陷的零件進行修整，絕大多數(shù)因邊緣沒有切邊余量而無法滿足尺寸要求只能報廢。為降低損失，用戶將剩余鋼板降級為C級料使用，材料損耗較大并仍伴有相當(dāng)比例的制耳存在，仍然無法滿足尺寸要求。該公司使用的其他鋼廠相同厚度的材料沒有出現(xiàn)制耳，表明缺陷的產(chǎn)生與鋼廠生產(chǎn)工藝存在較大關(guān)聯(lián)。

熱軋酸洗板經(jīng)沖壓等變形加工過程中出現(xiàn)制耳缺陷不僅會影響生產(chǎn)效率，還會導(dǎo)致成材率降低，使生產(chǎn)成本上升。導(dǎo)致制耳缺陷的產(chǎn)生有多種因素，有鋼材的性能、加工工藝、用戶模具問題等。接到用戶的異議反饋后，筆者針對該缺陷的成因，從厚度、軋制參數(shù)、化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織等方面進行全方位檢測與分析。

圖  1  制耳缺陷形貌

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

2.   缺陷分析與討論

2.1   厚度及軋制參數(shù)

在實際沖壓生產(chǎn)中，原材料的厚度公差及厚度的均勻性對于模具間隙調(diào)整、模具的磨損及壽命、材料在模腔內(nèi)的金屬流變都具有非常重要的影響。為真實還原鋼廠生產(chǎn)實際，通過調(diào)取生產(chǎn)過程控制參數(shù)進行追溯。

從圖2可以看出，鋼卷除頭尾局部厚度超差外，整體厚度滿足規(guī)程允許范圍。

圖  2  鋼板厚度控制曲線

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

對現(xiàn)場剩余料片進行實測，厚度如圖3所示，與廠內(nèi)厚度控制曲線相當(dāng)。除局部正公差外，其余多數(shù)處于負公差狀態(tài)。但厚度的均勻一致性還有待提高。

圖  3  人工實測厚度

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

熱軋終軋溫度對鋼板的金相組織、晶粒大小及內(nèi)部織構(gòu)的變化都有著直接影響，從而間接影響其機械性能和成形性能。

從軋制溫度控制曲線圖4可以看出，鋼卷尾部終軋溫度偏低，已較大程度偏離目標值下限。

圖  4  鋼板軋制溫度控制曲線

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

2.2   化學(xué)成分檢驗結(jié)果

作為常規(guī)使用的低碳鋼，SPHE的成分設(shè)計并不復(fù)雜。針對出現(xiàn)問題的兩爐鋼取樣板檢驗，各項成分也都全部滿足標準要求，如表1所示。

表  1  化學(xué)成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

元素	C	Si	Mn	P	S	Als
標準	≤0.080	≤0.050	≤0.50	≤0.025	≤0.030	≥0.010
實測	0.020	0.004	0.23	0.011	0.008	0.048
	0.018	0.008	0.22	0.016	0.008	0.034

下載: 導(dǎo)出CSV 

| 顯示表格

2.3   力學(xué)性能檢驗

分別對鋼板的邊部和中部進行力學(xué)性能檢驗，最終檢驗指標見表2所示。其中塑性應(yīng)變比r值是應(yīng)變強化指數(shù)，是指鋼板在沖壓成形時寬度上的應(yīng)變值與厚度上的應(yīng)變值之比。國家標準中對r值并無特殊約定，但從沖壓生產(chǎn)實際來說，有必要加以研究。r值越高，則深沖性能越好。典型低碳鋼板r值的變化特征為：在與軋向夾角θ=90°方向時有最高值，在θ=45°時有最小值。另外，在薄板平面內(nèi)各方向上所測的各向異性稱平面各向異性，用Δr表示，Δr=（r90+r0−2r45）/2。不同方向的r值波動越小，即Δr值越小，則深沖性能也越好。當(dāng)Δr=0時，沖壓件無制耳效應(yīng)；當(dāng)Δr>0時，在縱向和橫向上產(chǎn)生制耳效應(yīng)；當(dāng)Δr<0時，則在與軋向呈45°方向上產(chǎn)生制耳。

表  2  力學(xué)性能檢驗結(jié)果

位置	方向	屈服強度/MPa	抗拉強度/MPa	延伸率/%	r值	Δr
標準	—	—	≥270	≥37.0	—	—
邊部	90°	198	314	47.5	0.78	−0.385
	0°	202	305	49.5	0.59
	45°	206	311	46.5	1.07
中部	90°	217	312	49.5	1.14	−0.115
	0°	208	315	48.5	1.09
	45°	212	306	47.5	1.23

下載: 導(dǎo)出CSV 

| 顯示表格

從表2的檢測結(jié)果可以看出，邊部的強度指標比中間部位的略低，延伸率相差不大，但r值和Δr值的差別較大，邊部的r值平均為0.878，而中部的r值平均為1.173，另外Δr值全部小于0，邊部為−0.385，中部為−0.115。不同方向上r值不同，表現(xiàn)在r值大的方向拉伸高度高一些，而r值小的方向，拉伸高度淺一些，這樣便形成了制耳[2-3]。同時當(dāng)Δr<0時，更易表現(xiàn)在沖壓時與軋向呈45°方向上產(chǎn)生制耳。許多的實驗和理論研究都已表明，板材的r值與織構(gòu)類型和含量密切相關(guān)。盡管談到織構(gòu)首先會考慮到冷軋鋼板，但在特定的控制冷卻條件下，熱軋鋼板也會產(chǎn)生較強的織構(gòu)。可以認為材料的各向異性由r值具體體現(xiàn)，而織構(gòu)是影響r值的主要因素。本文未對以上因素加以分析，但確有相關(guān)文獻表明常見的熱軋織構(gòu)更有利于形成45°型制耳，表現(xiàn)形式為在與軋向成45°產(chǎn)生四個制耳，同時臨近位置產(chǎn)生四個谷底，這與本文描述的用戶生產(chǎn)中的實際制耳缺陷正相對應(yīng)。

2.4   金相組織

分別對邊部及中間部位的組織進行檢測分析，組織形貌如圖5所示。

由圖5可見，中間部位為正常分布的等軸晶組織，組織較為細小，未見異常。邊部金相組織為粗大的鐵素體和細小鐵素體并存的混晶組織，混晶組織深度約為700 μm。而與力學(xué)性能相對應(yīng)的是由于混晶組織的存在，從表征制耳參數(shù)的|Δr|值可以看出，邊部的|Δr|值明顯高于中部，制耳更趨惡化。另外混晶組織增大了金屬的非均勻流變程度及表面和內(nèi)部金屬的變形差。晶粒大塑性差，晶粒小則塑性好易于拉伸，從而使不同區(qū)域金屬的流動變形存在不同步，一定程度上加劇了制耳缺陷的產(chǎn)生。而且較深的混晶會惡化成形性能，沖壓后表面也容易出現(xiàn)麻面缺陷，進一步影響后續(xù)焊接等性能。

圖  5  金相組織檢驗結(jié)果

下載: 全尺寸圖片 幻燈片

3.   缺陷產(chǎn)生原因分析及解決措施

3.1   缺陷產(chǎn)生原因分析

通過一系列檢驗，該批次鋼卷生產(chǎn)過程、化學(xué)成分及常規(guī)的力學(xué)性能等檢驗均合格。但金相組織檢測結(jié)果表明，邊部出現(xiàn)明顯的混晶組織。同時r值及Δr值的檢測也表明，材料各部位確實存在不同程度的各向異性。

通過生產(chǎn)工藝進行自查，熱軋的精軋出口溫度處于偏低狀態(tài)，該鋼種碳及合金含量較低，Ar3溫度相對較高，若終軋溫度低于Ar3相變溫度，會導(dǎo)致熱軋生產(chǎn)時帶鋼在精軋期間進入奧氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制，最終形成粗大的鐵素體和細小鐵素體并存（混晶）的金相顯微組織。而且由于規(guī)格效應(yīng)，鋼板越薄熱量越容易散失，鋼板邊部相對于中部溫度會更低，這就加劇了混晶組織的出現(xiàn)，從而最終使材料性能出現(xiàn)異常。

另外，用戶使用過程中的生產(chǎn)工藝也對制耳產(chǎn)生一定影響，用戶為降低成本而且為保持殼體單重均勻一致，長期定型使用負公差厚度鋼板，允許偏差范圍0~0.04 mm。不同厚度的鋼板（公差上限和公差下限）若使用相同的模具間隙，較厚的鋼板相當(dāng)于減少了凹凸模之間的間隙，隨著加工流變的進行，越接近殼體上沿，模具間隙越小，在邊緣處就越容易形成材料的摺疊凹陷。隨著模具間隙的減小，制耳現(xiàn)象就會越嚴重[4]。

3.2   解決措施

根據(jù)以上調(diào)查情況，首先從提高終軋溫度入手，使制耳缺陷得以有效控制。在降低混晶趨勢的同時，對熱軋鋼板的織構(gòu)組分也具有根本影響，總的趨勢是終軋溫度越低織構(gòu)越強[5]。影響終軋溫度主要有兩個原因：穿帶及軋制速度稍慢，軋制時間略長，且中間輥道保溫罩投入存在一定問題，造成尾部溫降過大。另外，通過改進成分設(shè)計、軋制工藝參數(shù)及用戶的設(shè)備調(diào)整等方式綜合加以優(yōu)化，有效控制制耳缺陷的產(chǎn)生。

（1）通過適度優(yōu)化成分設(shè)計，調(diào)整C、Si、Mn含量，降低Ar3溫度，一定程度上改善混晶組織，保證用戶的沖壓成形效果。

（2）嚴格管理中間輥道保溫罩投入制度，防止中間坯溫度降低過快。

（3）提高精軋時帶鋼穿帶速度，并采用升速軋制，減少帶鋼尾部溫降。

（4）對于沖壓要求高的用戶，對熱軋酸洗板進行適當(dāng)?shù)那羞叀?/span>

（5）針對該家電企業(yè)的生產(chǎn)工藝，建議根據(jù)不同厚度的鋼板調(diào)整模具間隙參數(shù)。

（6）根據(jù)用戶的使用要求，采用合理的負公差軋制厚度并盡量降低板凸度等措施。

經(jīng)以上解決措施的實施并輔以用戶的生產(chǎn)工藝改進，該用戶在此后的生產(chǎn)中未再出現(xiàn)批量制耳缺陷。

4.   結(jié)束語

(1)壓縮機制耳缺陷的產(chǎn)生與熱軋酸洗鋼板存在明顯的各向異性及異常的顯微組織有關(guān)。

(2)通過控制合理的終軋溫度，降低混晶組織存在的可能，控制鋼板合理的織構(gòu)組分，改善金屬流變的協(xié)調(diào)同步，減少鋼板的各向異性程度，避免制耳缺陷的產(chǎn)生。

(3)通過調(diào)整模具間隙參數(shù)并且根據(jù)用戶的使用要求控制合理的負公差軋制厚度，可以一定程度上減少制耳缺陷的產(chǎn)生。