40Cr熱軋圓鋼表面裂紋的金相檢驗和分析

路晨龍，李鳳麗，谷召坤，路 珊

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團有限公司，天津300352）

0 引言

40Cr圓鋼表面存在裂紋，產(chǎn)品在后續(xù)使用加工過程中，既增大了機械加工的工作量，又浪費了材料。在進行鍛造加工時，表面裂紋將嚴(yán)重拓展甚至導(dǎo)致材料報廢。某公司40Cr熱軋圓鋼在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)表面裂紋，本文通過檢驗裂紋缺陷的化學(xué)成分、顯微組織，推斷出是由連鑄坯表面及皮下缺陷導(dǎo)致，并根據(jù)分析結(jié)果進行追溯核實，檢驗回爐坯連鑄坯質(zhì)量，在確認(rèn)缺陷產(chǎn)生原因后，提出了工藝優(yōu)化建議。

1 理化檢驗

1.1 圓鋼宏觀形貌

觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋均位于圓鋼一側(cè)，形貌為直線狀，方向與軋制向一致，長度由3 cm到35 cm不等，裂紋斷續(xù)分布，裂紋之間相距長度無規(guī)律，見圖1。

圖1 圓鋼表面縱向裂紋形貌

1.2 圓鋼顯微組織

在裂紋處制取橫截面金相試樣，通過觀察，該處存在兩種裂紋形態(tài)，左側(cè)裂紋a及右側(cè)裂紋b，如圖2所示。

其中裂紋a深度0.70 mm，根部粗，尾端細，由表面向內(nèi)深入鋼基，裂紋中有氧化鐵，周圍組織嚴(yán)重脫碳，脫碳區(qū)珠光體量明顯減少，出現(xiàn)大量鐵素體。裂紋附近及其尾部延伸處有大量密集分布的點狀氧化物，氧化現(xiàn)象嚴(yán)重，見圖3。

圖2 兩種裂紋形態(tài) 100×

圖3 裂紋a形態(tài) 500×

裂紋b深度0.55 mm，顯微觀察可見表面未開裂，距離表面0.13 mm后，鋼基內(nèi)出現(xiàn)一條氧化圓點帶，周邊伴隨著脫碳，向鋼基內(nèi)部深入，見圖4，由于裂紋b是從皮下開裂，僅宏觀觀察圓鋼表面，無法發(fā)現(xiàn)該處裂紋。

圖4 裂紋b形態(tài) 500×

通過觀察，在此金相試樣裂紋附近陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他裂紋，且多為皮下裂紋，形貌多以表面未開裂或表面被氧化鐵所覆蓋，但內(nèi)部已脫碳，并產(chǎn)生氧化圓點，部分氧化脫碳深度達0.87 mm，見圖5、圖6。

1.3 裂紋掃描電鏡分析

使用掃描電鏡觀察裂紋形態(tài)，通過能譜對裂紋附近的氧化圓點進行分析。結(jié)果表明，這些氧化圓點成分含有Fe，Mn和Si，見圖7。

圖5 其他裂紋 100×

圖6 其他裂紋 200×

圖7 氧化圓點形貌成分

1.4 鑄坯低倍形貌

圓鋼表面、皮下裂紋周邊多處存在含有Fe、Mn、Si的氧化物，這些氧化物是通過高溫加熱后氧化的產(chǎn)物，即在高溫條件下，由進入裂紋中的氧與強氧化元素Si、Mn結(jié)合所生成的富集Si，Mn的氧化物顆粒[1]。由上述特征推斷，圓鋼表面裂紋來源于鑄坯表面和皮下缺陷，即連鑄坯缺陷在加熱爐中高溫產(chǎn)生氧化，經(jīng)軋制后保留，形成圓鋼表面、皮下裂紋。此時追溯檢驗鑄坯表面質(zhì)量，通過酸洗除去表面氧化鐵皮后觀察，連鑄坯表面有沿縱向斷續(xù)分布的裂紋，見圖8。同時酸洗鑄坯橫截面，鑄坯邊部存在較多沿樹枝晶分布的裂紋，見圖9。

圖8 連鑄坯表面裂紋形貌

圖9 鑄坯樹枝晶裂紋

1.5 鑄坯顯微組織

在鑄坯裂紋處制取金相試樣，光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋由皮下開裂，由鑄坯皮下深入鋼基內(nèi)部，周圍組織脫碳，裂紋深度2.03 mm，如圖10所示。由于在加熱爐中放置，經(jīng)高溫加熱，裂紋附近及其尾部延伸處產(chǎn)生大量密集分布的點狀氧化物，氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。通過觀察可知，鑄坯皮下裂紋顯微組織的氧化特征與軋制后圓鋼皮下裂紋相似，如圖11所示。

圖10 連鑄坯裂紋形態(tài)50×

1.6 鑄坯化學(xué)成分

將鑄坯樹枝晶裂紋打開，經(jīng)超聲清洗后，使用掃描電鏡觀察分析，樹枝晶裂紋中分布大量硫化物顆粒，通過能譜分析這些硫化物顆粒主要含有S、Mn、Fe，見圖 12。

圖11 連鑄坯裂紋中氧化圓點500×

圖12 裂紋內(nèi)存在大量硫化物顆粒

追溯開裂鑄坯與正常爐號的熔煉成分，由表1可知，開裂鑄坯[S]元素含量（0.019%）明顯高于正常鑄坯，同時文獻[2]指出[S]元素含量以及[Mn/S]比值為影響鑄坯裂紋重要原因之一，計算得開裂鑄坯[Mn/S]為 33，正常鑄坯[Mn/S]為 79。

2 原因分析及工藝追溯

如前所述，圓鋼裂紋由表面開裂向鋼基內(nèi)延伸，裂紋內(nèi)部存在大量含有Fe、Mn、Si的氧化物。還有一部分裂紋由皮下開裂，向鋼基內(nèi)延伸一定距離后產(chǎn)生氧化圓點，由上述特征推斷，圓鋼裂紋主要來源于連鑄坯表面以及皮下缺陷。

通過推斷，追溯檢驗鑄坯，發(fā)現(xiàn)鑄坯存在表面裂紋、皮下裂紋以及樹枝晶裂紋。經(jīng)能譜分析，樹枝晶裂紋中分布大量硫化物顆粒，[S]元素含量高，是影響鑄坯裂紋的重要因素。當(dāng)晶界富有Fe、Mn、S時，會在晶界形成硫化物，使晶界處脆性增大，為裂紋的產(chǎn)生提供了條件，當(dāng)[S]＞0.015%時，裂紋會增加[2]。開裂鑄坯熔煉成分中[S]為0.019%。同時文獻[2]指出，當(dāng)[Mn/S]升高，裂紋出現(xiàn)率降低，開裂鑄坯[Mn/S]為33，正常鑄坯[Mn/S]為79，開裂鑄坯數(shù)值明顯低于正常鑄坯。

表1 熔煉成分/%

追蹤煉鋼工藝發(fā)現(xiàn)，精煉時間較短，未達到工藝要求（40 min），軟吹執(zhí)行效果較差，導(dǎo)致S元素含量較高，鋼水純凈度欠佳。同時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)使用的結(jié)晶器銅管（倒錐度1.2）被替換為復(fù)合鍍層銅管（倒錐度1.4），銅管錐度變化，保護渣熔化性能發(fā)生改變，導(dǎo)致鑄坯凝固坯殼不穩(wěn)定、冷卻不均勻，鋼液自結(jié)晶器內(nèi)凝固下行過程中，受到較大的摩擦力及垂直于鑄坯表面的內(nèi)切應(yīng)力。鑄坯初始的凝固成形及冷卻均遭到破壞，易在鑄坯表面及皮下形成裂紋，在二冷區(qū)裂紋拓展。

3 結(jié)論及建議

將結(jié)晶器銅管全部改回（倒錐度1.2），銅管錐度變化，直接造成保護渣使用性能惡化，影響鋼坯表面質(zhì)量。適當(dāng)減少結(jié)晶器水量，降低二冷強度，冷配水量分布應(yīng)使鑄坯表面溫度分布均勻，減少溫差，避免加劇裂紋的擴展。

嚴(yán)格控制精煉時間，降低鋼水中有害元素含量，[S]元素含量高是影響鑄坯裂紋的重要因素，造成鋼的“熱脆”性，降低[S]，提高[Mn/S]，可有效降低鑄坯裂紋。

連鑄坯表面以及皮下缺陷是導(dǎo)致軋制后產(chǎn)生裂紋的直接原因，所以軋制前需對鑄坯表面做好檢驗工作，若存在表面缺陷，需對缺陷進行打磨等方式消除后方可裝爐軋制。