熱軋酸洗板SPHD橘皮缺陷產生原因分析

熱軋酸洗板SPHD廣泛應用於各種衝壓成形材料
，市場需求量大。文章從宏觀力學性能和微觀組織特征針對本鋼生產的熱軋酸洗板SPHD產生的橘皮缺陷進行原因分析。分析表明
，鋼板成分設計中Al含量對SPHD組織內AlN的析出有明顯的影響，進而導致屈服平台的產生，影響鋼板的衝壓性能，是材料加工成形過程中產生橘皮表麵缺陷的重要原因。通過對Al含量進行合理設計，改善鋼板內部的組織形態
，進而消除橘皮缺陷的產生。通過對後續SPHD產品性能進行跟蹤，進一步驗證了改善措施的合理性。

熱軋酸洗板SPHD是目前市場需求量大、用途廣泛的熱軋酸洗板產品。SPHD熱軋酸洗板以工業純鐵為基礎
，除含有少量的錳、鋁外，不添加其他合金
，通過控製矽
、磷
、硫的含量獲得較低的強度和優異的延伸率、n值。熱軋酸洗板SPHD具有良好的衝壓成形性、拉伸和彎曲性能[1]

，廣泛地應用於各種衝壓成形材料。

在SPHD作(zuo)為(wei)結(jie)構(gou)件(jian)進(jin)行(xing)衝(chong)壓(ya)成(cheng)形(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，表(biao)麵(mian)缺(que)陷(xian)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)零(ling)件(jian)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。橘(ju)皮(pi)缺(que)陷(xian)作(zuo)為(wei)表(biao)麵(mian)缺(que)陷(xian)的(de)一(yi)種(zhong)，主(zhu)要(yao)表(biao)現(xian)為(wei)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)不(bu)平(ping)
，有(you)明(ming)顯(xian)的(de)折(zhe)皺(zhou)類(lei)手(shou)感(gan)，在(zai)結(jie)構(gou)件(jian)衝(chong)壓(ya)成(cheng)形(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)比(bi)較(jiao)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)，影(ying)響(xiang)下(xia)遊(you)用(yong)戶(hu)的(de)後(hou)續(xu)加(jia)工(gong)使(shi)用(yong)。

實驗

數據來源為2019年下遊用戶的一次質量異議，用戶反映的具體情況：鋼板表麵平整
，壓花後距花形區邊部約10 cm，沿(yan)著(zhe)花(hua)形(xing)變(bian)形(xing)區(qu)出(chu)現(xian)起(qi)皺(zhou)，未(wei)變(bian)形(xing)的(de)板(ban)麵(mian)正(zheng)常(chang)。該(gai)下(xia)遊(you)用(yong)戶(hu)通(tong)過(guo)提(ti)高(gao)平(ping)整(zheng)壓(ya)力(li)等(deng)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)改(gai)善(shan)，未(wei)能(neng)消(xiao)除(chu)此(ci)種(zhong)缺(que)陷(xian)。經(jing)過(guo)我(wo)們(men)現(xian)場(chang)調(tiao)研(yan)，確(que)定(ding)為(wei)橘(ju)皮(pi)缺(que)陷(xian)。

為了更清楚地了解該批SPHD鋼卷橘皮缺陷產生的原因，對同批次鋼卷的整個生產流程進行了回溯分析
，並從產生橘皮缺陷的鋼卷上取回樣板進行性能、成分和組織分析，以此來進行進一步分析驗證。

化學成分

化學成分檢驗結果見表1。從成分上看，Al的實際含量對比設計值有點偏低。通常認為Al含量的增加對改善板材冷衝壓性能有利，進而推斷Al含量偏低是導致橘皮產生的原因之一。

拉伸實驗

對取回樣板進行了拉伸性能檢驗，選取了產生橘皮缺陷的兩件試樣
，具體結果見表2。

​

從圖1拉伸曲線上看，兩隻試樣均有比較明顯的屈服平台產生
，根據前人理論[2]，屈服平台的存在極有可能在後續加工過程中導致橘皮缺陷的產生。對此進行進一步分析。

金相組織

對出現橘皮缺陷的部位和正常部位分別進行金相檢驗，如圖2所示，其中圖2(a)為正常部位，圖2(b)為橘皮缺陷部位，金相組織情況見表3。

​​

對比圖2金相組織可以發現，兩試樣組織均為鐵素體和遊離滲碳體，且圖2(a)試(shi)樣(yang)由(you)於(yu)發(fa)生(sheng)衝(chong)壓(ya)變(bian)形(xing)，晶(jing)粒(li)有(you)細(xi)化(hua)的(de)趨(qu)勢(shi)。對(dui)比(bi)不(bu)同(tong)部(bu)位(wei)
，發(fa)現(xian)產(chan)生(sheng)橘(ju)皮(pi)缺(que)陷(xian)試(shi)樣(yang)的(de)上(shang)下(xia)表(biao)麵(mian)存(cun)在(zai)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)不(bu)均(jun)的(de)情(qing)況(kuang)。有(you)關(guan)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)[3]
，晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)不(bu)均(jun)勻(yun)，會(hui)使(shi)試(shi)樣(yang)在(zai)衝(chong)壓(ya)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，較(jiao)大(da)晶(jing)粒(li)的(de)位(wei)錯(cuo)塞(sai)積(ji)應(ying)力(li)迅(xun)速(su)增(zeng)大(da)，與(yu)較(jiao)小(xiao)晶(jing)粒(li)的(de)變(bian)形(xing)不(bu)同(tong)步(bu)，從(cong)而(er)在(zai)晶(jing)界(jie)邊(bian)緣(yuan)出(chu)現(xian)微(wei)裂(lie)，即(ji)橘(ju)皮(pi)。在(zai)宏(hong)觀(guan)上(shang)，對(dui)應(ying)了(le)屈(qu)服(fu)平(ping)台(tai)的(de)產(chan)生(sheng)，即(ji)鋼(gang)帶(dai)的(de)局(ju)部(bu)在(zai)衝(chong)壓(ya)過(guo)程(cheng)中(zhong)

，受(shou)到(dao)超(chao)出(chu)彈(dan)性(xing)極(ji)限(xian)的(de)應(ying)力(li)時(shi)，會(hui)從(cong)彈(dan)性(xing)區(qu)突(tu)發(fa)轉(zhuan)變(bian)到(dao)塑(su)性(xing)區(qu)
，因(yin)而(er)產(chan)生(sheng)屈(qu)服(fu)
，使(shi)鋼(gang)帶(dai)表(biao)麵(mian)產(chan)生(sheng)局(ju)部(bu)的(de)不(bu)均(jun)勻(yun)流(liu)動(dong)變(bian)形(xing)，從(cong)而(er)出(chu)現(xian)橘(ju)皮(pi)現(xian)象(xiang)。

​

計算分析結果

Al在鋼中的存在形式

研究表明[4–5]，鋼中Al含量對鋼材組織和成形性能有明顯影響。根據二元合金相圖不難發現
，Al與O結合起脫氧作用外
，在液相和固相中還會以AlN形式析出，對組織和性能產生一定的影響
，圖3為Al-N的二元相圖。

​

AlN在鋼中的溶解析出規律

AlN在固相中析出可采用溶度積方式進行計算：

​

式中，K為奧氏體中的固溶度積，T為奧氏體的溫度
，下標s為固態析出
，g：固溶於奧氏體。用溶度積公式計算分析表明
，SPHD中隨著Al含量的增加，AlN在奧氏體中的析出溫度也隨著增加，如圖4所示。為了分析Al在鋼中的賦存形式，采用FactSage商業軟件進行分析和計算

，結果如圖5所示。

​​

分析本鋼熱軋酸洗板SPHD中Al質量分數分別為0.02%和0.05%的計算結果，受鋼中N的活度和含量的限製，鋼中AlN的總量並不會因為Al含量的增加而變化。但是，鋼中AlN析出溫度隨著Al含量的增加明顯升高。

結果分析與討論

橘皮缺陷的產生歸因於屈服平台的產生，而屈服平台則主要是由於C、N原子對柯氏氣團的釘紮作用產生的。鋼中C與Fe發生反應，以滲碳體形式被固定，遊離C含量極其有限。而SPHD鋼在合金設計時，並未添加Nb、V
、Ti等具有固N作用的微合金，鋼中遊離N隻能通過脫氧後殘餘的Al加以固定。通過AlN析出相形式限製遊離的N原子，消除其對柯氏氣團的釘紮作用。

當AlN的析出臨界溫度一定時，析出相析出過程與兩個因素有關：一方麵，溫度較高時，過熱度偏低，析出驅動力較小
；另一方麵，溫度較低時，化學驅動力增加，但溫度降低對擴散動力學不利。因此，隻有將AlN析出臨界溫度提高
，才有利於AlN在軋製過程中析出，減少鋼中遊離N含量
，避免橘皮現象的發生，而這與鋼中Al含量有直接關係。圖4和圖5結果均表明

，隨著Al含量的增加
，鋼中N可以在更高溫度與Al反應形成AlN，以析出相形式析出。正因如此，SPHC鋼中采用Al的質量分數為0.02%~0.06%的設計方案。而其他鋼種設計時，Al的質量分數一般僅為0.02%~0.04%。

結合上述分析結果可以推斷
，較低Al(質量分數為0.02%)情況下
，在熱軋過程中會有相對較多的遊離態N存在，這是導致屈服平台出現的主要因素

，也是橘皮現象產生的直接原因。

理論上，提高SPHD鋼中Al含量可以消除屈服平台
，也可以解決衝壓過程橘皮現象。

結束語

(1)從內部成因看，Al含量的不同對熱軋酸洗板SPHD的組織產生一定的影響。過低的Al含量會導致較多遊離N的析出，進而產生屈服平台

，是後續衝壓過程中橘皮缺陷產生的主要原因。

(2)在原有生產工藝的基礎上，合理地進行Al的成分設計，可以避免熱軋酸洗板SPHD橘皮缺陷的產生
，並通過後續對SPHD產品進行實地跟蹤，進一步驗證了其合理性。