分享：特深沖用汽車板沖壓開裂原因

隨著國產(chǎn)自主品牌汽車的崛起，汽車外觀設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，對(duì)汽車外板的沖壓性能要求不斷提高。沖壓開裂是汽車板常見的沖壓缺陷之一[1-2]。鋼中存在非金屬夾雜物、模具與材料不匹配、潤滑不良等因素均會(huì)導(dǎo)致汽車板發(fā)生沖壓開裂[3-6]。某汽車廠沖壓車間生產(chǎn)側(cè)圍外板時(shí)發(fā)生汽車板開裂情況，汽車板材料為CR3鋼，鍍層為純鋅鍍層，基板厚度為0.7 mm，對(duì)應(yīng)鑄坯厚度為230 mm。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析汽車板開裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

汽車板裂口長度約為7 mm，裂口位置存在片狀脫落物。鑄坯厚度為230 mm，成品厚度為0.7 mm，壓下率為99.7%，結(jié)合體積不變原理，忽略寬展，成品帶鋼的長度約為鑄坯長度的328倍。而脫落物的長寬比約為2∶1，可排除該脫落物為鑄坯階段引入的。 

1.2   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)汽車板裂口處進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：脫落物位于裂口位置，且與基體分離，裂口長度約為7 mm，寬度約為2.7 mm；脫落物長度約為2.8 mm，寬度約為1.3 mm，脫落物表面呈明顯碾壓劃蹭形貌，部分區(qū)域光整印完好。光整印為鍍鋅后光整輥形貌復(fù)制到鍍層上的紋路。說明脫落物趨向于與帶鋼一體，而并非是沖壓過程中引入的。 

圖  1  汽車板裂口處SEM形貌

在脫落物靠近表面一側(cè)取樣，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：該處試樣存在鋅層，可以確定該脫落物來自帶鋼表面，并非沖壓加工過程中外來物引入。 

圖  2  脫落物靠近表面一側(cè)能譜分析結(jié)果

在開裂汽車板與脫落物直接接觸的區(qū)域取樣，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：試樣表面存在氧化鐵。由于氧化鐵的產(chǎn)生條件為高溫及有氧環(huán)境，因此推測該缺陷產(chǎn)生于熱軋或熱軋之前。 

圖  3  開裂汽車板與脫落物直接接觸區(qū)域的能譜分析結(jié)果

在基體及脫落物的截面處分別取樣，對(duì)試樣進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：開裂位置裂口截面處存在尖端，說明基體厚度發(fā)生了明顯減薄，基體內(nèi)無氧化近圓形顆粒物或夾雜物；脫落物厚度約為250 µm，一側(cè)存在鍍層，為帶鋼表面，整個(gè)截面內(nèi)部存在大量均勻分布的近圓形顆粒物。 

圖  4  基體及脫落物的截面處SEM形貌

在脫落物靠近心部一側(cè)取樣，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣表面存在氧化鐵。 

圖  5  脫落物靠近心部一側(cè)能譜分析結(jié)果

在脫落物內(nèi)部取樣，對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：試樣存在大量的近圓形顆粒物，其主要成分為Fe、O、Mn、Si等元素，較大的近圓形顆粒物尺寸（直徑）約為10 µm，脫落物的基體成分為Fe元素。 

圖  6  脫落物內(nèi)部能譜分析結(jié)果

雖然近圓形顆粒物的形貌及成分和氧化近圓形顆粒物相似，但是仍存在一定差別。在目前的連鑄及熱軋工藝條件下，產(chǎn)生的氧化近圓形顆粒物層厚度一般約為20 µm，單個(gè)氧化近圓形顆粒物尺寸（直徑）不大于1 µm。該脫落物內(nèi)部近圓形顆粒物在整個(gè)厚度250 µm范圍內(nèi)均勻分布，并且單個(gè)近圓形顆粒物尺寸過大，初步判斷脫落物中的近圓形顆粒物不是鋼基體內(nèi)典型的氧化近圓形顆粒物。 

對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)熱軋產(chǎn)線在生產(chǎn)該卷產(chǎn)品前存在檢修，并在精軋階段進(jìn)行了焊接作業(yè)。初步懷疑異物有可能為焊接作業(yè)產(chǎn)生的焊瘤。模擬當(dāng)時(shí)情況進(jìn)行焊接作業(yè)，并對(duì)焊接產(chǎn)生的焊瘤進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：焊瘤內(nèi)部同樣存在近圓形顆粒物，同時(shí)其形貌、尺寸、成分均與脫落物一致。 

圖  7  焊瘤截面能譜分析結(jié)果

1.3   金相檢驗(yàn)

在汽車板基體和脫落物的截面處取金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：裂口端部組織存在明顯變形，基體與脫落物接觸區(qū)域的晶粒明顯偏小，說明在該區(qū)域因與脫落物接觸，在軋制變形過程中儲(chǔ)存了更多的畸變能，在熱軋及冷軋退火過程中對(duì)晶粒的恢復(fù)及再結(jié)晶起促進(jìn)作用，導(dǎo)致該區(qū)域晶粒細(xì)??；脫落物的晶粒形貌與基體明顯不同，進(jìn)一步說明該脫落物并非來自帶鋼本身，而是來自外部異物。 

圖  8  汽車板基體和脫落物的顯微組織形貌

2.   綜合分析

由鑄坯與成品帶鋼的壓下率及伸長率可知，脫落物不是在鑄坯階段引入的。汽車板裂口位置存在脫落物，根據(jù)其形貌、成分、顯微組織可以確定脫落物來自帶鋼本身，不是在運(yùn)輸或沖壓過程中引入的。脫落物與基體接觸區(qū)域存在氧化鐵，可以判斷脫落物是在熱軋及熱軋之前引入的。脫落物內(nèi)部存在大量近圓形顆粒物，在整個(gè)脫落物250 µm厚度范圍內(nèi)均勻分布，單個(gè)近圓形顆粒物尺寸（直徑）可達(dá)10 µm。對(duì)焊瘤進(jìn)行能譜分析，可知焊瘤內(nèi)近圓形顆粒物的形貌、尺寸、成分與脫落物一致，說明脫落物是焊瘤引入的。 

焊接金屬在高溫環(huán)境停留時(shí)間較長，導(dǎo)致奧氏體晶粒顯著粗化。氧化物冶金技術(shù)通過合適的脫氧工藝在焊絲鋼中形成細(xì)小、彌散分布的高熔點(diǎn)氧化物顆粒，這些氧化物顆粒在焊接過程中不會(huì)熔解，而是以“釘軋”的形式阻礙奧氏體晶界遷移，阻止奧氏體晶粒粗化，且在冷卻相變過程中增加了鐵素體形核的質(zhì)點(diǎn)，通過細(xì)化晶粒來改善焊縫的性能。由此可以判斷導(dǎo)致沖壓開裂的脫落物是焊瘤引入的。 

3.   結(jié)論與建議

熱軋工序過程帶鋼表面產(chǎn)生焊瘤，并產(chǎn)生脫落物，脫落物經(jīng)過軋制嵌入帶鋼表面，最終導(dǎo)致汽車板發(fā)生沖壓開裂。 

建議在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)清潔工作，特別是在焊接檢修后，徹底清掃焊接區(qū)域附近，以避免產(chǎn)生脫落物。

文章來源——材料與測試網(wǎng)