45鋼熱軋圓鋼第一階梯面的發(fā)紋及其預防

馬建超 張洪才 林 鵬 翟萬里 許正周

(1.江蘇沙鋼集團淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223002； 2. 江蘇省軌道交通用特殊鋼新材料重點實驗室，江蘇 淮安 223002)

發(fā)紋缺陷是通過酸蝕或磁粉法檢測鋼材塔形車削試樣時，在試樣階梯面上顯示出來的呈縱向分布的細小溝紋[1- 4]。前人研究表明，發(fā)紋是由于連鑄過程中的夾雜物、皮下氣泡以及裂紋等缺陷在軋制后沿軋制方向的分布，通常認為，對鋼材的力學性能是有害的，因此制造重要構(gòu)件的鋼材，對發(fā)紋的數(shù)量、大小和分布狀態(tài)通常都有嚴格的限制[4- 6]。

某廠生產(chǎn)的φ65 mm的45鋼圓鋼，按照GB/T 15711—1995進行塔形切削檢驗時，在試樣第一階梯面(0.9D，D為直徑)發(fā)現(xiàn)有較多的發(fā)紋，造成鋼材因發(fā)紋而不合格并被判報廢。為提高鋼材發(fā)紋檢驗的合格率，本文對該45鋼圓鋼第一階梯面產(chǎn)生發(fā)紋的情況進行了調(diào)查分析，弄清了發(fā)紋的形成原因，并據(jù)此提出了相應的改進措施，基本消除了45鋼圓鋼第一階梯面的發(fā)紋缺陷。

1 45鋼圓鋼的生產(chǎn)工藝流程

45鋼圓鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→ BOF冶煉→LF精煉→RH真空脫氣→200 mm×200 mm方坯連鑄→軋制→φ65 mm圓鋼。

2 發(fā)紋特征

在對圓鋼進行發(fā)紋檢測時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其第一階梯面存在較長的發(fā)紋，而且發(fā)紋的尺寸和數(shù)量超標，而第二階梯面(0.75D)和第三階梯面(0.6D)則很少發(fā)現(xiàn)。為弄清第一階梯面發(fā)紋的形成原因，將圓鋼沿0.9D車削加工，將整個第一階梯面進行酸洗，結(jié)果在第一階梯面上發(fā)現(xiàn)較長的斷續(xù)發(fā)紋，最長的單條發(fā)紋近20 mm，如圖1所示。

圖1 圓鋼第一階梯面發(fā)紋(a)及其放大圖(b)Fig.1 (a) Hair cracks on the first step of the rod and (b) their close- up view

3 發(fā)紋的形成原因

將發(fā)紋處橫向切開，沿橫截面制備金相樣品(磨拋后采用過飽和苦味酸溶液腐蝕)，然后進行金相觀察。由發(fā)紋橫截面處的顯微組織(圖2)可以看出，發(fā)紋沿第一階梯面向內(nèi)呈一定角度延伸，最大的裂紋深度約3 mm。根據(jù)枝晶變形流線趨勢，發(fā)紋位于兩個生長方向約呈90°的枝晶交匯處。由于圓鋼是由方坯軋制而成，根據(jù)軋制過程中枝晶變形流線的演變特征，即發(fā)紋對應于方坯角部位置，可推測圓鋼發(fā)紋可能來源于連鑄方坯的角部裂紋。

為進一步確認發(fā)紋的形成原因，對同期生產(chǎn)的200 mm 45鋼連鑄方坯試樣進行酸洗和觀察，發(fā)現(xiàn)方坯角部存在輕微凹陷，凹陷皮下位置存在內(nèi)裂紋，裂紋沿柱狀晶間分布，幾乎與方坯表面垂直。進一步測量發(fā)現(xiàn)，裂紋分布于連鑄坯表面以下8～18 mm處，如圖3所示。將方坯角部內(nèi)裂紋區(qū)域進行EDS能譜分析，結(jié)果表明，裂紋內(nèi)部主要有錳和硫元素，為MnS夾雜物，如圖4和表1所示。

圖2 發(fā)紋橫截面組織形貌Fig.2 Microstructure in cross- section of the hair crack region

圖3 45鋼方坯角部截面酸洗(a)和磨拋(b)后的低倍形貌Fig.3 Macrographs of the corner of 45 steel billet after (a) pickling and (b) polishing

圖4 方坯角部內(nèi)裂紋處的EDS分析Fig.4 EDS analysis of inner crack positions in the billet corner

表1 圖4所示部位的EDS分析結(jié)果(原子分數(shù))Table 1 EDS results of the positions showed in Fig.4 (atom fraction) %

根據(jù)圖3中方坯角部內(nèi)裂紋的位置特征，即裂紋距方坯表面8～18 mm，沿柱狀晶間分布，可以判斷裂紋為凝固裂紋。這種裂紋通常是當鋼中硼、硫、磷等易偏析元素或雜質(zhì)元素含量增多時，隨著凝固的進行，凝固樹枝晶間液膜會使鋼的凝固點降低，形成枝晶間的脆性區(qū)。當連鑄坯殼因冷卻較慢且不均勻時，會出現(xiàn)脫方、菱變等變形，初凝坯殼上存在較大的應力；另一方面，足輥不對中也會導致凝固坯殼中形成較大的應力。當凝固前沿枝晶間的拉應力大于臨界應力時，富集雜質(zhì)元素的枝晶間就會形成凝固裂紋[7- 8]。根據(jù)凝固模型，200 mm 45鋼方坯結(jié)晶器出口凝固坯殼厚度約為15 mm，根據(jù)裂紋位置特征，近角部皮下裂紋應該發(fā)生在結(jié)晶器出口附近。

4 發(fā)紋的預防

綜合以上分析結(jié)果可知，45鋼圓鋼第一階梯面的發(fā)紋來源于連鑄坯角部枝晶間裂紋缺陷。一方面，當鋼中硫、磷等元素含量較高時，會增大凝固前沿枝晶間裂紋敏感性；另一方面，結(jié)晶器冷卻不均勻、出結(jié)晶器凝固坯殼較薄以及足輥對中不良、噴嘴噴淋不均勻等均會在凝固前沿造成較大的應力。當凝固前沿拉應力大于臨界應力時，枝晶間薄弱區(qū)域就會產(chǎn)生內(nèi)裂紋。因此，為消除方坯近角部處的內(nèi)裂紋，生產(chǎn)前加強設備檢查與維護，確保設備運行良好，保證足輥段水嘴噴水良好，保證結(jié)晶器銅管與足輥段對弧精度；將銅管R角半徑由10 mm增加至12 mm，圓鋼的拉速由1.4 m/min降低至1.3 m/min；足輥段水量由50 L/min提高至60 L/min，控制過熱度20～35 ℃；將鋼水硫含量控制要求由≤0.015%調(diào)整至≤0.005%，磷含量要求由≤0.025%調(diào)整至≤0.015%，提高鋼水潔凈度。通過以上措施，消除了45鋼連鑄坯角部內(nèi)裂紋，圓鋼發(fā)紋檢測未發(fā)現(xiàn)第一階梯面有明顯的發(fā)紋。

5 結(jié)論

(1)φ65 mm的45鋼圓鋼第一階梯面出現(xiàn)的發(fā)紋來源于連鑄方坯近角部皮下裂紋。

(2)鋼中磷、硫元素含量高，結(jié)晶器內(nèi)冷卻不均勻及足輥冷卻效果不良和設備對中不良是導致方坯近角部產(chǎn)生皮下裂紋的主要原因。

(3)通過控制鋼中有害元素含量、優(yōu)化結(jié)晶器銅管R角半徑及優(yōu)化足輥設備和冷卻等措施，已消除了45鋼圓鋼第一階梯面的發(fā)紋。