新型貝氏體中空鋼生產(chǎn)過程缺陷分析與預(yù)防

程巨強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安710032）

新型貝氏體中空鋼生產(chǎn)過程缺陷分析與預(yù)防

程巨強(qiáng)

（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安710032）

對(duì)新型貝氏體中空鋼在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的熱軋棒料裂紋和斷裂，熱穿-熱軋中空鋼的內(nèi)孔皺褶、表面重皮、內(nèi)孔脫碳、組織粗大等缺陷的原因進(jìn)行了分析，并提出防止缺陷產(chǎn)生的措施。結(jié)果表明：深入了解貝氏體鋼的組織和性能特點(diǎn)，制定合理的棒料熱軋工藝和中空鋼熱穿-熱軋工藝，可以避免貝氏體鋼棒料及其中空鋼制造過程的缺陷。

中空鋼；新型貝氏體；熱軋棒材；熱穿-熱軋；組織分析；內(nèi)孔皺褶；重皮；脫碳

目前，中空鋼及其管材生產(chǎn)的主要方法有鋼坯熱穿-熱軋法、鋼坯鉆孔熱軋或鉆孔后帶芯棒熱軋法等［1-3］。新型貝氏體鋼組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，消除了典型貝氏體鋼組織中碳化物對(duì)鋼韌塑性的不利影響，在具有較高強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的韌性，廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程機(jī)械、石油機(jī)械等方面的結(jié)構(gòu)件制造［4-8］。在貝氏體中空鋼的生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，具體表現(xiàn)為棒料軋制過程中出現(xiàn)裂紋，矯直過程中棒料出現(xiàn)內(nèi)裂紋及斷裂，熱穿-熱軋中空鋼制造過程中出現(xiàn)內(nèi)孔皺褶、外表面重皮等，影響了貝氏體鋼管材的質(zhì)量和使用壽命。為此，針對(duì)新型貝氏體鋼棒料熱軋、中空鋼熱穿-熱軋過程的特點(diǎn)，分析新型貝氏體中空鋼生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，提出解決問題的方法，為其生產(chǎn)提供質(zhì)量保證。

1 力學(xué)性能與組織

新型貝氏體中空鋼的生產(chǎn)流程為：電爐煉鋼→連續(xù)鑄造（200 mm×200 mm方鋼坯）→鋼坯加熱→熱軋成Ф65 mm棒料→棒料表面扒皮→棒料下料并定心→棒料感應(yīng)加熱→二輥斜軋穿孔→三輥軋管減徑成中空鋼→冷床冷卻→精整。采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的貝氏體鋼棒料，通過上述生產(chǎn)流程生產(chǎn)的Ф45mm中空鋼經(jīng)920℃正火+320℃回火熱處理后的力學(xué)性能見表1，從表1可以看出，新型貝氏體中空鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性。

Ф45 mm新型貝氏體中空鋼的力學(xué)性能試樣取樣位置及其顯微組織如圖1所示。顯微組織是其經(jīng)熱穿-熱軋+920℃正火+320℃回火熱處理后的組織。從圖1可以看出：新型貝氏體中空鋼熱處理后的組織為細(xì)片狀組織（圖1b），結(jié)合X射線衍射儀和透射電鏡觀察，正火+低溫回火狀態(tài)的組織為貝氏體鐵素體和奧氏體，奧氏體呈薄膜狀分布在貝氏體鐵素體板條之間（圖1c）。貝氏體鐵素體板條中穩(wěn)定存在的奧氏體可以提高鋼的韌性和加工硬化效果，提高中空鋼產(chǎn)品的使用壽命。

2 棒料生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題

2.1 熱軋裂紋

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀察，軋制過程中部分棒料表面出現(xiàn)裂紋。熱軋過程產(chǎn)生表面裂紋的原因：一方面為熱軋開始溫度偏低或鋼坯加熱溫度不均勻，造成軋制應(yīng)力過大形成裂紋；另一方面在軋制過程中，冷卻軋輥的冷卻水量過大，過量的冷卻水直接冷卻軋件上表面，使連鑄坯料表面溫度過度降低而出現(xiàn)表面發(fā)黑的現(xiàn)象，溫度過低，軋制的變形抗力增加，出現(xiàn)裂紋。在這種情況下，適當(dāng)提高軋制溫度，增加均熱保溫時(shí)間，棒料表面裂紋可得到改善。但在實(shí)際的生產(chǎn)中，提高開始軋制的溫度后，冷卻軋輥的冷卻水過大，對(duì)軋件冷卻作用過強(qiáng)，導(dǎo)致裂紋仍然存在；即使是碳鋼（如45鋼），由于在軋制過程中冷卻軋輥的冷卻水過量，軋件表面過分冷卻，同樣會(huì)出現(xiàn)表面裂紋。

2.2 矯直過程出現(xiàn)的裂紋與斷裂

在貝氏體鋼棒料定尺下料過程中出現(xiàn)的斷裂及其裂紋如圖2所示。棒料的斷口均為斜斷口（圖2a），肉眼觀察棒料表面并無缺陷，斷口組織較細(xì)致，存在一定的剪切唇（圖2b），無氧化色，應(yīng)該不是熱軋所致，而是冷加工造成，與冷矯直過程中產(chǎn)生的內(nèi)裂紋有關(guān)。從斷裂端面裂紋的走向觀察，斷裂過程都是從內(nèi)部開始，說明內(nèi)應(yīng)力極大。據(jù)了解，在貝氏體鋼生產(chǎn)過程中，由于在中溫溫度范圍貝氏體鋼淬透性較高，在發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度350～500℃范圍，組織中存在大量的奧氏體組織，軋制工藝要求熱軋之后進(jìn)緩冷坑緩冷，吊運(yùn)的吸盤由于材料組織中過多奧氏體的存在，吸不住坯料，造成緩冷困難，在軋制線冷床冷卻后棒料組織會(huì)得到新型貝氏體組織，使棒料的硬度偏高，冷卻到室溫矯直時(shí)，由于棒料的硬度較高，因此矯直困難。加之生產(chǎn)單位在沒有高溫回火處理的情況下便進(jìn)行矯直，矯直過程因坯料硬度過高，抗力過大，產(chǎn)生矯直裂紋。在冷矯直過程中曾出現(xiàn)部分棒料端頭有裂紋和掉頭的情況，斷裂的形貌與圖2所示情況一樣；因此，貝氏體鋼下料過程中出現(xiàn)的斷裂與棒料熱軋態(tài)后緩冷效果差或沒有進(jìn)行高溫回火，造成棒料硬度偏高，冷矯直產(chǎn)生內(nèi)裂紋有關(guān)。

圖1 新型貝氏體中空鋼的力學(xué)性能試樣取樣位置及其顯微組織

用砂輪鋸截取斷裂附近的棒料，在砂輪切割時(shí)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的裂紋如圖2（c）所示。取Φ60 mm× 20 mm圓片試樣，一個(gè)端面磨削后存在裂紋，而另一個(gè)端面沒有裂紋，且裂紋隨時(shí)間不斷擴(kuò)展（圖2c），這說明材料內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，冷矯直使貝氏體鋼棒料出現(xiàn)內(nèi)裂紋，裂紋并不是貫通整個(gè)棒料，而是有一段長(zhǎng)度，似乎與冷矯直時(shí)局部過度矯直情況相吻合。

圖2 棒料定尺下料過程中出現(xiàn)的斷裂及其裂紋

從組織方面考慮，由于貝氏體棒料熱軋后緩冷效果差，加之沒有進(jìn)行高溫回火處理，熱態(tài)組織中存在較多的奧氏體，又沒有進(jìn)行奧氏體穩(wěn)定化處理，因此冷矯直時(shí)，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變或冷加工硬化，硬度升高，造成較大的應(yīng)力而產(chǎn)生內(nèi)裂紋。為避免矯直發(fā)生裂紋及斷裂，生產(chǎn)廠家在貝氏體鋼生產(chǎn)過程中，如果沒有回火設(shè)備，熱軋后應(yīng)采取措施進(jìn)行有效緩冷；有回火熱處理設(shè)備，熱軋冷卻后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行高溫回火熱處理，降低棒料的硬度，以利于后續(xù)矯直及其坯料的下料操作。

觀察棒料的低倍組織及其硬度檢測(cè)，斷裂的圓棒料經(jīng)過砂輪鋸割取試樣，取厚20 mm圓片，酸洗后觀察低倍項(xiàng)目均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。熱軋斷裂低倍試片端面及其硬度測(cè)試結(jié)果如圖3所示，可以看出：圖3（a）所示組織存在明顯的腐蝕程度差異，肉眼和金相觀察沒有明顯缺陷，但暗色區(qū)（劃線區(qū)域）組織和其他區(qū)域相比，極為細(xì)化，硬度較高，為45～46 HRC，其余區(qū)域硬度為34～35 HRC。由于供貨狀態(tài)是熱軋緩冷后矯直，硬度不均說明局部產(chǎn)生了加工硬化，加工硬化與棒料冷矯直過程的局部變形有關(guān)。圖3（a）試樣在進(jìn)行680℃下4 h回火后，暗色區(qū)域有所改善，雖然還存在（圖3b），但硬度降低，說明高溫回火能夠降低硬度，促使加工硬化消失。920℃正火處理，試樣表面的暗色區(qū)域消失（圖3c），組織腐蝕程度均勻，說明奧氏體化后空冷組織均轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦拓愂象w組織，試片的硬度提高且硬度分布均勻；因此，暗色區(qū)域應(yīng)該不是宏觀成分偏析，因?yàn)楹暧^偏析是無法用高溫回火和正火熱處理方法來消除的，用熱處理消除時(shí)只能用高溫長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)散退火。生產(chǎn)實(shí)踐證明：熱軋棒料經(jīng)高溫回火之后再進(jìn)行矯直，不會(huì)出現(xiàn)上述情況。

圖3 熱軋斷裂低倍試片端面及其硬度測(cè)試結(jié)果

3 熱穿-熱軋中空鋼生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題

貝氏體中空鋼在熱穿-熱軋制造過程中出現(xiàn)的缺陷主要有表面裂紋、表面重皮、穿孔內(nèi)孔皺褶、熱穿內(nèi)孔脫碳、組織粗大等，如圖4所示。

圖4 貝氏體中空鋼熱穿-熱軋過程出現(xiàn)的主要缺陷

圖4 （a）所示為熱穿-熱軋前感應(yīng)加熱過程形成的裂紋，結(jié)合棒料矯直過程中出現(xiàn)的裂紋，認(rèn)為感應(yīng)加熱形成裂紋是由于原棒料熱軋后緩冷效果不理想，矯直前沒有進(jìn)行退火處理或高溫回火，導(dǎo)致棒料冷矯直時(shí)產(chǎn)生內(nèi)裂，內(nèi)裂紋造成穿孔毛管感應(yīng)加熱過程中裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生表面裂紋。

圖4（b）所示為同一批料熱穿-熱軋成六邊形截面中空鋼表面產(chǎn)生的裂紋，該裂紋的產(chǎn)生與棒料表面裂紋和內(nèi)裂有關(guān)。為了驗(yàn)證由于冷矯直產(chǎn)生內(nèi)裂造成熱穿-熱軋中空鋼的裂紋和斷裂缺陷，用未經(jīng)矯直的棒料直接熱穿-熱軋制造中空鋼和高溫回火后熱穿-熱軋中空鋼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中空鋼在熱穿-熱軋加熱過程中并未出現(xiàn)表面裂紋。

熱穿-熱軋過程中表面重皮的出現(xiàn)是與棒料表面存在裂紋和缺陷有關(guān)，裂紋和缺陷在熱穿-熱軋過程中造成材料組織不連續(xù)，軋制過程中易分層形成重皮（圖4c）。通過嚴(yán)格檢查熱穿坯料的表面質(zhì)量，對(duì)熱穿前的棒料進(jìn)行扒皮處理，可預(yù)防熱穿-熱軋表面重皮的出現(xiàn)。

熱穿-熱軋過程出現(xiàn)內(nèi)孔皺褶（圖4d），首先與坯料熱穿過程中穿孔頂頭輾軋段表面產(chǎn)生龜縮、起皺凸出有關(guān)，其在熱穿管內(nèi)壁產(chǎn)生凹痕，該凹痕在隨后的減徑過程中容易形成皺褶；其次，內(nèi)孔皺褶與熱穿孔后減徑比過大有關(guān)，減徑比過大時(shí)，中空鋼外徑大幅度壓縮，內(nèi)孔緊縮，內(nèi)表面在減徑變形過程中產(chǎn)生收攏、壓縮、堆擠變形，容易產(chǎn)生皺褶和凸起［9-11］。預(yù)防皺褶產(chǎn)生的措施有：熱穿孔頂頭表面質(zhì)量變差時(shí)及時(shí)更換頂頭；選擇合適的減徑比；增加減徑過程中內(nèi)孔變形的均勻性，采取帶芯棒軋制等。分析帶有皺褶中空鋼的截面，發(fā)現(xiàn)皺褶只是中空鋼內(nèi)表面表層的加工缺陷，缺陷尖端圓鈍（圖4e）并非裂紋缺陷，該缺陷在內(nèi)表面存在，影響內(nèi)表面光潔度，對(duì)于中空釬具產(chǎn)品，由于工作時(shí)承受較大的沖擊、扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，嚴(yán)重的內(nèi)孔皺褶（圖4f）容易形成疲勞裂紋源，降低釬具的疲勞強(qiáng)度，影響釬具的使用壽命，應(yīng)引起足夠的重視。

熱穿-熱軋過程中出現(xiàn)的內(nèi)孔脫碳主要與軋制工藝有關(guān)，如棒料熱穿時(shí)加熱溫度過高，穿孔后造成內(nèi)孔碳的燒損，出現(xiàn)內(nèi)孔脫碳（圖4g）；另外，更重要的還與棒料穿孔時(shí)的頂頭形狀和表面質(zhì)量有關(guān)，頂頭形狀變差或表面質(zhì)量不佳時(shí)，在熱穿孔過程與棒料孔壁會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦熱，過高的摩擦熱造成內(nèi)孔溫度升高，出現(xiàn)過熱，增加脫碳傾向?？梢姡瑖?yán)格控制棒料的加熱溫度，改善頂頭表面的質(zhì)量，預(yù)防內(nèi)孔表面出現(xiàn)過熱，可以減少脫碳傾向。過量的內(nèi)孔脫碳，在隨后熱處理過程中會(huì)因里外層體積變化而容易產(chǎn)生內(nèi)孔表面裂紋，降低材料的疲勞強(qiáng)度，生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)加控制。

熱穿-熱軋中空鋼組織中出現(xiàn)粗大組織，甚至穿晶組織（圖4h），與穿孔過程中坯料加熱溫度過高，或穿孔頂頭的摩擦熱過大有關(guān)，坯料熱穿時(shí)溫度過高，組織會(huì)過度長(zhǎng)大，形成粗大的板條；另外還與熱穿前加熱溫度的均勻性、變形的不均勻性有關(guān)。提高棒料的加熱質(zhì)量和增加變形的均勻性，控制軋制溫度，以及穿孔頂頭具有良好的表面質(zhì)量，才可以避免中空鋼粗晶組織的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）新型貝氏體鋼材料熱軋后空冷及熱處理態(tài)的組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，具有良好的強(qiáng)韌性配合。

（2）熱軋棒料過程中出現(xiàn)的裂紋與軋制過程的坯料溫度有關(guān)，適當(dāng)?shù)能堉茰囟群捅３峙髁宪堉戚^高的溫度有利于防止軋制裂紋；下料過程中出現(xiàn)的裂紋與冷矯直前坯料的硬度過高有關(guān)，熱軋后有效的緩冷或高溫回火處理可預(yù)防矯直裂紋的產(chǎn)生。

（3）貝氏體中空鋼在熱穿-熱軋過程中出現(xiàn)的缺陷與熱穿時(shí)坯料的溫度、熱軋時(shí)的減徑比、坯料表面質(zhì)量、穿孔頂頭表面質(zhì)量有關(guān)，通過采取合適的加熱溫度和減徑比、保證頂頭熱穿過程的表面質(zhì)量等措施能夠預(yù)防熱穿-熱軋中空鋼過程產(chǎn)生缺陷。

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Analysis and Prevention of In-process Defects of New Type Bainitic Hollow Steel

CHENG Juqiang
（College of Materials Science and Chemical Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

Analyzed in the paper are the causes for all the major defects as occurring during the manufacturing process of the new type bainitic hollow steel，including crack and fracture of the hot-rolled bar，and defects of the hot-pierced-rolled hollow steel such as inner surface fold，outer surface double skin，inner surface decarburization and coarse-grained microstructure.Accordingly，preventive actions against such defects are proposed.It is concluded that the above mentioned in-process defects as staying with the bainitic steel bar and hollow steel can be prevented by means of establishing proper steel bar hot-rolling process and hollow steel hot-piercing/hot-rolling process based on an in-depth understanding of the microstructure and performance characteristics of the bainitic steel.

hollow steel；new type bainitic；hot-rolled steel bar；hot-piercing/hot-rolling；analysis of microstructure；inner surface fold；double skin；decarburization

TG335.7

B

1001-2311（2014）06-0048-05

2014-01-08；修定日期：2014-07-10）

程巨強(qiáng)（1963-），男，博士，教授，主要從事高強(qiáng)度鋼鐵材料及非鐵合金的研究、開發(fā)與應(yīng)用工作。