10B21合金冷鐓鋼盤條冷鐓開裂原因分析

石 敏， 劉鳶杰， 陳修明， 劉 斌

（方大特鋼科技股份有限公司技術(shù)中心， 江西 南昌 330012）

10B21盤條屬于美標(biāo)SAE J403中的高強(qiáng)度合金冷鐓鋼，由于該鋼種加入了B元素，使其具有非常優(yōu)異的冷鐓性能和非常高的淬透性，主要用于8.8級(jí)以上的螺栓、螺帽等緊固件的制作。方大特鋼公司在10B21的試生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)冷鐓開裂和翹皮現(xiàn)象，見圖1。本文對(duì)該問題進(jìn)行了原因分析，并提出改進(jìn)措施。

1 盤條缺陷分析

1.1 宏觀分析

圖1為經(jīng)過1/3冷鐓后的開裂形貌，出現(xiàn)了肉眼可見的裂紋，且裂紋上有翻卷的翹皮缺陷。對(duì)母材進(jìn)一步取樣觀察，發(fā)現(xiàn)整卷盤條出現(xiàn)如圖2所示的斷續(xù)性裂紋及翹皮缺陷。兩者的缺陷形貌具有非常高的相似度。因此初步判斷母材上的該種缺陷，是導(dǎo)致1/3冷頂鍛出現(xiàn)裂紋和翹皮的主要因素[1]。

圖1 10B21盤條1/3冷頂鍛開裂形貌

1.2 成分分析

在1/3冷鐓開裂試樣對(duì)應(yīng)的母材上截取樣品制成試樣，用德國QSN750型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，見表1。

圖2 10B21盤條對(duì)應(yīng)母材缺陷形貌

由表 1 可知，P、S、Ni、Cu 等雜質(zhì)元素均控制在非常低的水平，鋼的純凈度較高；其他元素含量均控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。成分控制上沒有出現(xiàn)異常。

表1 10B21冷鐓開裂樣品成分 %

1.3 金相觀察與分析

在冷鐓開裂樣品對(duì)應(yīng)的母材上截取開裂部位制成試樣，用萊卡DMI5000M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織形貌觀察，見下頁圖3。

試樣金相組織顯示，遠(yuǎn)離缺陷部位的表面組織均為正常的鐵素體+珠光體，且組織細(xì)小均勻，說明缺陷并不是由異常組織所帶來。從缺陷部位觀察，缺陷附近脫碳嚴(yán)重，且氧化物擴(kuò)散明顯，說明缺陷內(nèi)部曾經(jīng)暴露在高溫的有氧環(huán)境，即缺陷在加熱前就已經(jīng)產(chǎn)生。因此判斷該種缺陷為鋼坯的缺陷所帶來。

圖3 10B21盤條母材缺陷金相圖片

2 鋼坯缺陷分析

2.1 宏觀分析

通過前面的分析，判斷盤條上的缺陷是由鋼坯缺陷帶來，因此針對(duì)回爐的鋼坯進(jìn)行酸洗檢測(cè)，見圖4?？梢院苊黠@的發(fā)現(xiàn)，鋼坯側(cè)面菱角處有較多橫向的短裂紋，整根鋼坯上均有此現(xiàn)象。

圖4 10B21鋼坯缺陷形貌

2.2 金相觀察與分析

在鋼坯裂紋處取樣品制成試樣，用萊卡DMI5000M型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織形貌觀察，見圖5。試樣金相組織顯示，試樣邊部及靠近邊部的部位可見多條裂紋，最深深度為2.3 mm。因?yàn)槭腔貭t鋼，裂紋內(nèi)可見氧化物及高溫?cái)U(kuò)散現(xiàn)象；腐蝕后發(fā)現(xiàn)，脫碳嚴(yán)重，也印證了鋼材上裂紋原因的判斷。

針對(duì)該處裂紋繼續(xù)用蔡司EVO18掃描電鏡進(jìn)行分析，見圖6。發(fā)現(xiàn)在試樣的近表面存在小顆粒狀的夾雜物，經(jīng)能譜分析判斷主要為Al2O3及TiN夾雜。但從該鋼種的特性判斷，這兩類細(xì)小的夾雜物屬于正常存在的[2]。

3 工藝分析及改進(jìn)

通過對(duì)盤條及鋼坯缺陷的顯微組織觀察，可以判斷10B21盤條1/3冷頂鍛開裂的主要是由于鋼坯角部裂紋所帶來。據(jù)研究表明，連鑄坯角部裂紋產(chǎn)生的原因主要[3]：一是化學(xué)成分中元素的影響，如m（Mn）/m（S）比低、（AlN）質(zhì)點(diǎn)在晶界上沉積；二是鋼水過熱度太高；三是連鑄工藝不當(dāng)，如二次冷卻強(qiáng)度不均勻、浸入式水口插入深度、液面波動(dòng)等等；四是鑄機(jī)工況條件差等。

圖5 10B21鋼坯缺陷金相圖片

圖6 10B21盤條鋼坯缺陷形貌

通過對(duì)該爐10B21冶煉、軋制過程分析發(fā)現(xiàn)，10B21的冶煉和軋制過程沒有出現(xiàn)太明顯的異常現(xiàn)象。但發(fā)現(xiàn)另一個(gè)情況是，冶煉工藝與軋制工藝基本一致，且與10B21同時(shí)冶煉軋制的SWRCH22A并未出現(xiàn)該問題。而兩鋼種之間差異基本只有一個(gè)，那就是10B21在SWRCH22A的基礎(chǔ)上添加了B元素以提高淬透性。因此認(rèn)為10B21中的B元素可能是導(dǎo)致連鑄坯角部裂紋的主要因素。

進(jìn)一步對(duì)B元素在鋼種的機(jī)理進(jìn)行研究，研究表明[4，5，6]，只加入 B 和 Al的 10B21 連鑄時(shí)容易產(chǎn)生表面橫向裂紋，高線軋制時(shí)表面結(jié)疤嚴(yán)重，強(qiáng)度偏高，冷鐓性能合格率低；通過降低Al含量、B含量，以及添加Ti元素，可以明顯改善10B21連鑄坯表面質(zhì)量，降低強(qiáng)度，提高冷鐓性能，高線軋制時(shí)表面結(jié)疤現(xiàn)象基本消除。分析認(rèn)為，Al與N形成細(xì)小的AlN顆粒，在奧氏體晶界處析出，釘扎了晶界，降低了材料的高溫塑性。B在晶界處的偏聚可以弱化晶界連接，抑制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，提高了材料的高溫塑性。Ti與N能強(qiáng)烈的形成鈦氮化合物，降低了鋼中自由N的含量，同時(shí)還可以阻礙晶粒長大。

分析認(rèn)為，鋼材中添加鈦元素，有利于抑制氮化鋁在矯直溫度下的析出，提高鑄坯熱塑性，減少鑄坯角部裂紋。為解決10B21鑄坯角部裂紋缺陷，對(duì)煉鋼工藝進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化：在成分設(shè)計(jì)上加入鈦元素，并對(duì)鋁元素增加控制范圍；為提高鑄坯矯直溫度，連鑄的比水量降低0.1～0.2 L/kg；為減少鑄坯應(yīng)變速率，連鑄拉速在原有基礎(chǔ)上降低0.1 m/min，進(jìn)拉矯機(jī)溫度下限提高50℃。通過以上調(diào)整后，未再出現(xiàn)因鋼坯裂紋導(dǎo)致的冷鐓開裂問題。

4 結(jié)論

1）本次10B21冷鐓鋼盤條出現(xiàn)的冷頂鍛開裂問題，主要是由于鋼坯的角部裂紋經(jīng)過軋制后無法消除，在成品盤條上形成斷續(xù)性裂紋所導(dǎo)致。

2）通過Ti元素的加入，可抑制氮化鋁的析出，提高鑄坯熱塑性，同時(shí)通過適當(dāng)?shù)墓に噧?yōu)化，可避免鋼坯裂紋的產(chǎn)生。