非調(diào)質(zhì)鋼38MnS6L表面缺陷分析及工藝改進(jìn)

周成宏，劉年富，鐘 凡，張 華

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院，湖北 武漢 430081； 2.寶武集團(tuán)廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān) 512123)

非調(diào)質(zhì)鋼38MnS6L用于制造某乘用車發(fā)動機(jī)曲軸，發(fā)動機(jī)曲軸受力條件相當(dāng)復(fù)雜，除了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力外，還承受周期性變化的氣體壓力和往復(fù)慣性力的共同作用，使曲軸承受彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷，對鋼材內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量都提出了更高的要求[1]。為進(jìn)一步拓展產(chǎn)品范圍，某鋼廠開發(fā)試制了非調(diào)質(zhì)鋼38MnS6L，試制過程中，發(fā)現(xiàn)坯料經(jīng)高壓水除鱗后表面經(jīng)常存在爐生氧化鐵皮除不凈的現(xiàn)象(見圖1)，軋制成型的圓鋼表面存在連續(xù)裂紋缺陷(見圖2)，圓鋼表面漏磁探傷初檢合格率只有44%，由于缺陷較深，修磨后仍無法挽救，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

鑒于此，采用金相顯微鏡、掃描電鏡等手段，對圓鋼產(chǎn)品表面缺陷試樣進(jìn)行成分、組織、夾雜物等分析，對引起坯料表面除鱗不凈的原因進(jìn)行深入的分析和研究。

圖1 中間坯表面除鱗不凈Fig.1 Descaling is not clean on surface of intermediate billet

圖2 圓鋼表面缺陷宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of surface defects of round steel

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本次實驗材料取自某鋼廠生產(chǎn)的φ100 mm規(guī)格圓鋼。38MnS6L一般采用二火成材方式，由連鑄坯320 mm×425 mm開坯成210 mm×210 mm中間坯，再由中間坯軋制成φ100 mm規(guī)格圓鋼。工藝流程為：高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐→LF 精煉→RH真空脫氣→連鑄→加熱→開坯→二次加熱→除鱗→軋制→精整→成品。其中210方中間坯的加熱溫度為1150～1200 ℃，除鱗壓力≥18 MPa，終軋溫度為900～950 ℃。在線取樣的2根材料通過熒光磁粉探傷確定缺陷位置和長度(見圖3)，分別編號為48#、22#；圓鋼表面缺陷處裂紋長度分別為53、563 mm。鋼的化學(xué)成分見表1。

表1 實驗材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(a)48#試樣；(b)22#試樣圖3 圓鋼表面缺陷熒光磁粉形貌(a)48# sample；(b)22# sampleFig.3 Morphology of fluorescent magnetic powder for surface defect of round steel

1.2 實驗方法

為觀察表面缺陷在基體內(nèi)的延伸情況，將試樣48#、22#在缺陷位置處橫向鋸開。將切開的試樣用標(biāo)準(zhǔn)方法研磨拋光，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，在Zess光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織，找出裂紋的起始和終止位置；然后將樣品經(jīng)超聲波清洗后利用Zess掃描電子顯微鏡(EVO18)觀察裂紋末端的微觀形貌，并結(jié)合X射線能譜分析儀(EDS)，進(jìn)行成分對比分析；同時用島津電子探針顯微分析儀(EPMA-1720H)對樣品進(jìn)行微區(qū)成分分析。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 顯微組織觀察與分析

從48#樣品顯微組織(圖4)看，缺陷呈折疊形貌，缺陷最深處距圓鋼表面0.61 mm，沿表面向內(nèi)部延伸，裂縫處夾有較厚的氧化鐵皮層，在裂紋底部形成三角形的空洞區(qū)域，內(nèi)部夾有顏色較深的物質(zhì)，具體成分有待能譜進(jìn)一步確認(rèn)。周圍組織存在細(xì)長的微裂紋，微裂紋附近基體組織有內(nèi)氧化現(xiàn)象。腐蝕后缺陷處有脫碳，未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒粗大現(xiàn)象，基體組織為鐵素體+珠光體。

圖4 48#試樣缺陷處顯微組織Fig.4 Microstructure of 48# sample at defect

從22#樣品顯微組織(圖5)看，缺陷呈斜U型開口形貌，缺陷最深處距圓鋼表面0.44 mm，裂縫處夾有氧化物，缺陷底部存在細(xì)長的微裂紋深入基體，呈放射狀，微裂紋附近組織有內(nèi)氧化現(xiàn)象。腐蝕后缺陷處有明顯脫碳，未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒粗大現(xiàn)象，基體組織為鐵素體+珠光體。

2.2 掃描電鏡觀察與能譜分析

為進(jìn)一步確認(rèn)樣品缺陷處氧化物的成分，將缺陷樣品在掃描電鏡下高倍觀察，形貌如圖6所示，發(fā)現(xiàn)兩個樣品缺陷處氧化物都存在明顯兩種顏色不同的區(qū)域，一種顏色較深如圖6(b)中的位置②區(qū)域，一種顏色較淺如圖6(b)中的位置③和圖6(d)中的位置④區(qū)域，各標(biāo)注區(qū)域的能譜成分見表2。圖7為能譜分析儀(EDS)檢測的微區(qū)成分的譜圖，從譜圖可以看出，深色區(qū)域為含Si和Fe的氧化物，淺色區(qū)域主要是鐵的氧化物。在基體內(nèi)部還發(fā)現(xiàn)點狀的內(nèi)部氧化現(xiàn)象，從譜圖1可以看出，內(nèi)部氧化點也主要為Si和Fe的氧化物。

圖5 22#試樣缺陷處顯微組織Fig.5 Microstructure of 22# sample at defect

(a，b)48#試樣；(c，d)22#試樣 圖6 缺陷的掃描電鏡形貌(a，b)48# sample；(c，d)22# sampleFig.6 SEM images of defect

(a)位置①；(b)位置②；(c)位置③；(d)位置④圖7 能譜圖(a) location①；(b) location②；(c) location③；(d)location④Fig.7 Energy spectrum

表2 標(biāo)注區(qū)域元素成分( 原子百分比，%)

2.3 電子探針分析

為進(jìn)一步驗證樣品缺陷處深色氧化物的成分，用電子探針對缺陷樣品進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果如圖8所示，圖中黑點代表硅元素?？梢钥闯觯柙卦阡摶w中分布均勻，在缺陷位置及基體界面的接觸位置，硅元素有明顯富集現(xiàn)象。

(a，b)48#試樣；(c，d)22#試樣圖8 鋼中Si元素分布圖(a，b)48# sample；(c，d)22# sampleFig.8 Distribution map of Si elements in the steel

2.4 分析與討論

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[2-6]：含硅鋼在加熱爐加熱過程中，處于高溫條件下的Si、Mn等合金元素，極易在坯料界面上發(fā)生離子擴(kuò)散作用，在界面處發(fā)生富集。在硅的富集區(qū)，Si為選擇性氧化，在鋼坯表面氧化鐵皮和鋼基體界面上形成鐵橄欖石(Fe2SiO4)。Fe2SiO4的熔點為1173 ℃，當(dāng)鋼坯的加熱溫度高于1173 ℃時，F(xiàn)e2SiO4呈熔融狀態(tài)，能夠在疏松的氧化鐵皮層中流動，從而形成相互包裹，同時，隨著保溫時間的延長，液態(tài)的Fe2SiO4也易于浸入粗大的奧氏體晶界。待凝固后，在基體和氧化鐵皮之間形成一層錯綜復(fù)雜的鐵橄欖石層，鐵橄欖石層包裹著FeO，嵌入到基體中，故鐵橄欖石( Fe2SiO4) 層粘度極高，很難除去。

從表2能譜分析結(jié)果可以看出，位置②深色氧化物的Fe、Si元素原子比接近2:1，由于實驗材料38MnS6L硅含量高(0.50%～0.70%)，從電子探針的分析結(jié)果可以判斷本次材料缺陷處深色氧化物為富硅的鐵橄欖石( Fe2SiO4)，淺色氧化物為氧化鐵皮。通過跟蹤現(xiàn)場實際生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)38MnS6L的出鋼溫度為1150～1200 ℃，剛好處于鐵橄欖石的形成溫度范圍，出爐后經(jīng)輥道運輸至除鱗機(jī)前，坯料表面溫度降至1100～1150 ℃左右，此時坯料界面處的Fe2SiO4由液態(tài)凝固成固態(tài)，F(xiàn)e2SiO4包裹的氧化鐵皮與基體金屬的黏附力增強(qiáng)，導(dǎo)致剝離性差，故除鱗很難將其全部除去，在后續(xù)的軋制過程中，殘留的一次氧化鐵皮大部分剝落，但仍有部分隨金屬流動壓入基體內(nèi)部，導(dǎo)致成品圓鋼表面存在連續(xù)裂紋缺陷。

3 工藝優(yōu)化實踐

通過以上的分析可見，本次試制的非調(diào)質(zhì)鋼38MnS6L鋼坯表面裂紋缺陷主要與坯料除鱗不凈有關(guān)，而除鱗不凈又主要是與含硅鋼高溫下的氧化特性有關(guān)。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)關(guān)于改善含硅鋼除鱗效果的措施，目前主要存在兩方面觀點，王暢等[7-8]研究認(rèn)為：為避免形成固態(tài)鐵橄欖石層釘扎氧化鐵皮，采用提高出爐溫度的方法，出爐溫度控制1200～1250 ℃左右，確保粗軋除鱗前溫度在Fe2SiO4熔點1173 ℃以上，保證粗軋除鱗效果；而于洋等[9-10]研究認(rèn)為：目前軋鋼生產(chǎn)線除鱗前坯料溫度難以保持在1173 ℃以上，一味的提高出爐溫度，又會導(dǎo)致能耗增加，提出控制出爐溫度在Fe2SiO4的熔點溫度1173 ℃以下，減少Fe2SiO4的形成，在保證現(xiàn)有除鱗壓力情況下，有利于減少爐生氧化鐵皮的殘留。

針對文獻(xiàn)中提到的改善措施，結(jié)合本鋼種的加熱和除鱗工藝，從同一爐生產(chǎn)的坯料中挑選10支坯料進(jìn)行加熱除鱗試驗，方案1按高溫的工藝路線，方案2按低溫的工藝路線，具體試驗方案見表3。在除鱗壓力一定的情況下，方案1以1230 ℃為出爐目標(biāo)溫度，出鋼節(jié)奏按4.5 min/支控制，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼坯表面仍存在較明顯的爐生鐵皮殘留，如圖9(a)所示；方案2以1130 ℃為出爐目標(biāo)溫度，出鋼節(jié)奏按4.5 min/支控制，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼坯表面除鱗干凈，如圖9(b)所示。通過在線測溫系統(tǒng)跟蹤發(fā)現(xiàn)，由于坯料斷面小，出爐后溫降較快，方案1以1230 ℃出爐的坯料在進(jìn)入除鱗機(jī)前坯料表面溫度已經(jīng)降至1173 ℃以下，此時坯料界面處的Fe2SiO4由液態(tài)凝固成固態(tài)，所以造成方案1除鱗效果不理想。由以上對比可見：針對本鋼種，以現(xiàn)場的工藝條件為參考，一味地追求高溫出鋼，并不能達(dá)到理想的除鱗效果，而是需要走低溫控制路線，控制好出爐溫度和出鋼節(jié)奏，減少Fe2SiO4的產(chǎn)生。

表3 工業(yè)試驗方案

(a)方案1；(b)方案2圖9 除鱗試驗效果(a)program 1；(b) program 2Fig.9 Effect of descaling test

4 結(jié)語

通過將加熱爐出鋼溫度由1150～1200 ℃調(diào)整為1100～1150 ℃，出鋼節(jié)奏由6 min/支調(diào)整為4.5 min/支，目前已經(jīng)生產(chǎn)了約5000噸38MnS6L材料，從坯料除鱗效果看，坯料表面氧化鐵皮去除干凈。成品圓鋼表面經(jīng)漏磁100%探傷檢查，初檢合格率由44%提升到97%以上，鋼材表面質(zhì)量得到大幅改善。