熱軋60Si2Mn彈簧扁鋼表面裂紋原因分析

易 贇

（1.方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2.中韻聯(lián)合集團(tuán)股份有限公司，江西 贛州 341000）

彈簧鋼60Si2Mn是硅錳系合金彈簧鋼用途最大的一種，主要適用于汽車、拖拉機(jī)、摩托車等減震性零部件。某公司軋鋼廠彈扁線車間60Si2Mn彈簧扁鋼軋制出現(xiàn)多個(gè)爐次的平面、圓弧等表面裂紋。熱軋彈簧鋼如果存在表面嚴(yán)重缺陷、損傷，經(jīng)后續(xù)熱處理加工，表面處理仍不能消除，將會(huì)導(dǎo)致彈簧鋼使用過程早期疲勞斷裂，降低彈簧鋼的使用壽命和安全性。本文對(duì)這批裂紋缺陷成因進(jìn)行檢測(cè)分析，提出生產(chǎn)過程相應(yīng)改進(jìn)控制措施建議。

1 彈簧鋼生產(chǎn)及缺陷宏觀形態(tài)

圖1 彈簧鋼60Si2Mn表面缺陷低倍形貌

熱軋彈簧扁鋼60Si2Mn生產(chǎn)工藝流程：復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉-LF爐精煉-連鑄-步進(jìn)式爐加熱-除鱗-粗軋-中軋-精軋-檢驗(yàn)-分級(jí)、包裝-入庫。彈簧鋼在生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)反饋連續(xù)多個(gè)爐號(hào)出現(xiàn)縱向斷續(xù)分布裂紋缺陷，較嚴(yán)重的缺陷長(zhǎng)度約35-50cm集中表現(xiàn)在圓弧邊緣部位，截取出現(xiàn)裂紋缺陷的兩個(gè)爐號(hào)12110169D1、12110170D1規(guī)格90×25的彈扁試樣，經(jīng)體積比1∶1鹽酸水溶液熱浸蝕，除去表面的氧化鐵皮。試樣經(jīng)酸洗后，兩個(gè)爐號(hào)均在一側(cè)圓弧面出現(xiàn)縱向分布的裂紋缺陷，見圖(a)、圖(c)所示。爐號(hào)12110169D1的圓弧裂紋缺陷靠近平面一側(cè)，爐號(hào)12110170D1的裂紋缺陷位于圓弧中部。兩爐試樣在平面處除了可見輕微的類似劃痕特征的缺陷外，未見其他特征的裂紋缺陷。

2 試驗(yàn)方法

對(duì)彈簧鋼表面進(jìn)行缺陷形貌的宏觀分類，將選取有代表性的裂紋部位分別用金相砂輪切割機(jī)從扁鋼邊緣缺陷部位截取，試樣經(jīng)研磨和拋光處理后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在Zeiss正置式光學(xué)顯微鏡上觀察。利用德國OBLF型光電直讀光譜儀對(duì)表面磨去脫碳層的彈扁試樣進(jìn)行成分分析。

3 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 成分檢測(cè)

對(duì)彈簧鋼缺陷試樣進(jìn)行成分分析，由表1分析結(jié)果，可以看出，兩個(gè)爐號(hào)彈扁元素C為含量中限，元素Mn、Cr接近中下限，元素P、S含量都較低，成分均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 金相分析

取裂紋缺陷位置試樣做顯微觀察分析。圖2(a)、(b)為爐號(hào)12110169D1試樣圓弧處裂紋顯微形貌，圖中(c)(d)、(e)(f)分別為爐號(hào)12110170D1的彈簧鋼1#樣、2#樣圓弧處裂紋缺陷顯微形貌。由金相高倍圖片，爐號(hào)12110169D1、爐號(hào)12110170D1的裂紋缺陷具有共同特征：裂紋附近未見擴(kuò)散特征夾雜物，顯微組織為：珠光體+少量的鐵素體，未見其他異常組織。裂紋缺陷內(nèi)部明顯可見存在填充物，經(jīng)暗場(chǎng)觀察，裂紋內(nèi)部填充物暗場(chǎng)不透明，邊緣有亮線，與氧化亞鐵的特征相符。裂紋缺陷邊緣存在不同程度的脫碳，裂紋局部邊緣有全脫碳。裂紋缺陷形態(tài)不規(guī)則，部分裂紋有明顯分支，出現(xiàn)二次裂紋特征或局部未貫通表面單個(gè)缺陷。所檢測(cè)試樣裂紋深度分別為：爐號(hào)12110169D1試樣深度0.76mm，爐號(hào)12110170D1的1#樣深度0.27mm，2#樣深度0.34mm。

圖3給出了，兩爐試樣平面裂紋缺陷取樣分析后的顯微形貌，圖(a)為爐號(hào)12110169D1試樣，圖(b)為爐號(hào)12110170D1試樣，深度分別為0.15mm、0.10mm。由圖中的裂紋形貌可以看出，平面裂紋均表現(xiàn)為開口較寬底部近似圓鈍，圖(a)圓形底部特征稍明顯，裂紋沒有明顯二次分支或繼續(xù)擴(kuò)展的跡象，與圓弧裂紋差別較大。另一方面，由平面處裂紋缺陷與圓弧處缺陷顯微組織對(duì)比可以明顯看出，組織為正常熱軋組織珠光體+少量的鐵素體，但裂紋邊緣脫碳程度沒有圓弧處嚴(yán)重，沒有出現(xiàn)全脫碳現(xiàn)象且裂紋內(nèi)部沒有填充物，其中圖(a)裂紋有明顯脫碳痕跡，圖(b)缺陷處于原始表面脫碳層以內(nèi)，同時(shí)該缺陷的宏觀形態(tài)有一定的規(guī)律性，而圖(a)缺陷表現(xiàn)為隨機(jī)分布。

表1 60Si2Mn裂紋缺陷樣成分(%)

圖2 彈簧鋼圓弧裂紋缺陷組織形貌

圖3 彈簧鋼平面裂紋缺陷組織形貌

結(jié)合成分分析，顯微組織觀察缺陷處組織除脫碳外，未見晶粒和組織異常，表明不是由于鑄坯“過燒或過熱”引起。對(duì)圓弧裂彈扁爐次的坯料加熱時(shí)間和軋制工藝參數(shù)進(jìn)行分析檢查，也未發(fā)現(xiàn)不按規(guī)程操作的現(xiàn)象。推測(cè)該批彈簧鋼表面質(zhì)量問題中較嚴(yán)重圓弧裂紋及部分分布不規(guī)則的平面裂紋缺陷是由鋼坯原始缺陷并經(jīng)軋制前加熱和過程余熱及形變應(yīng)力下形成的，而部分深度較淺的則為軋制過程毛刺、導(dǎo)位或過鋼通道某部位加工不良等原因?qū)е碌膭潅＿@是由于鑄坯缺陷如：表面氣孔、表面裂紋、皮下氣泡在加熱爐中被氧化，再經(jīng)軋制被暴露和擴(kuò)展形成，而裂紋周圍聚集分布的內(nèi)部夾雜等內(nèi)部缺陷促進(jìn)了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)張。另一方面，在鑄坯裂紋、卷渣及皮下氣泡缺陷經(jīng)可與外界連通后，在經(jīng)加熱爐被進(jìn)一步氧化并擴(kuò)展形成，所以裂紋中就形成了氧化鐵為主的填充物。而裂紋周圍聚集分布的內(nèi)部缺陷，部分與主裂紋貫通促進(jìn)了其在軋制過程中擴(kuò)張，再經(jīng)多道次的軋制，多條裂紋連在一起，形成側(cè)圓弧邊裂、不規(guī)則形態(tài)裂紋。對(duì)于軋制工藝及設(shè)備穩(wěn)定情況下，軋制缺陷表現(xiàn)為明顯較淺、規(guī)律性。圓弧側(cè)裂紋缺陷深度，爐號(hào)12110169D1深度0.76mm，爐號(hào)12110170D1深度0.34mm，已超出標(biāo)準(zhǔn)要求，表面平面裂紋較淺的一般可以采用修磨方式進(jìn)行處理，類似圓弧處深度很深的裂紋，只能判廢。為了進(jìn)一步證實(shí)推測(cè)，取與該軋批相關(guān)的爐號(hào)余下的彈簧鋼坯料進(jìn)行追蹤分析。

3.3 連鑄坯檢測(cè)分析

據(jù)軋鋼現(xiàn)場(chǎng)反饋，爐號(hào)12110170D1彈扁坯料已軋完，所以取爐號(hào)12110169D1彈扁坯料5個(gè)流號(hào)進(jìn)行分析，分別編號(hào)01#、02#、03#、04#、05#，經(jīng)過鋸床切割、磨床磨制端面成常規(guī)低倍試樣進(jìn)行鹽酸熱浸酸蝕。低倍組織評(píng)級(jí)縮孔0.5級(jí)，中心疏松1.0級(jí)，皮下氣泡0.5級(jí)，并發(fā)現(xiàn)02#、04#試樣鑄坯表面有明顯的縱向裂紋，見圖4(a)，圖(c)、(d)為04#樣鑄坯缺陷的顯微形貌，其余三個(gè)流號(hào)未見類似裂紋，鑄坯外側(cè)表面可見多個(gè)小氣孔，見圖4(b)。鑄坯裂紋缺陷顯微分析，可見裂紋邊緣組織脫碳嚴(yán)重，深度0.68mm。說明彈簧鋼連鑄坯坯料上存在間斷性淺表縱裂紋、表面氣孔等缺陷。從鋼材裂紋的分布部位、形態(tài)特征來看，與鋼坯裂紋分布特征相吻合，并軋制過程明顯的二次擴(kuò)展，而原始?xì)馀蓊惾毕蒈堉茢U(kuò)展現(xiàn)象不明顯。

圖4 連鑄坯低倍及鑄坯缺陷處顯微形貌

4 結(jié)論與建議

彈簧扁鋼材上圓弧裂紋分布及高倍分析，裂紋的原始缺陷為連鑄坯縱向分布的表面裂紋缺陷，并在軋制過程中不均勻變形使得裂紋擴(kuò)展，而平面裂紋則有可能為軋制劃傷或者是連鑄坯殘存的表面氣孔等缺陷軋制過程中暴露，一般軋制鋼板時(shí)產(chǎn)生的裂紋，其裂紋中只能產(chǎn)生輕微氧化，不能產(chǎn)生嚴(yán)重脫碳和點(diǎn)狀氧化物[1]。連鑄坯裂紋的形成是傳熱、傳質(zhì)和應(yīng)力相互作用的結(jié)果[2]。

鋼水過熱度過高或者過低都會(huì)容易導(dǎo)致縱裂紋產(chǎn)生，溫度過低會(huì)使渣膜導(dǎo)熱的不均勻?qū)⒓又嘏鳉どL(zhǎng)不均勻程度，過熱度高鋼水凝固推遲，鋼的整體溫度向第I脆性區(qū)移動(dòng)，結(jié)晶器彎月面的熱流均勻性差，液面波動(dòng)、二冷區(qū)冷卻水量控制等均會(huì)直接誘發(fā)鑄坯縱裂紋形成。

另一方面，熱軋鋼邊部裂紋是熱軋板生產(chǎn)中較易出現(xiàn)的一種缺陷，因?yàn)檐埣A弧邊部在展寬時(shí)，受附加的拉應(yīng)力，而中間部分，受附加的壓應(yīng)力，金屬的展寬越大，這種應(yīng)力也愈大。如果軋件組織狀態(tài)和加熱軋制條件正常，則這些應(yīng)力并不能影響軋件邊緣的完整性。

否則，尤其存在原始鑄坯缺陷時(shí)，軋件邊冷卻過程中溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力變化容易產(chǎn)生新裂紋和沿原缺陷繼續(xù)開裂。鋼坯表面氣孔出現(xiàn)，中間包的烘烤效果不佳是重要的原因，由于涂抹層過厚或烘烤時(shí)間不夠，容易造成涂抹層內(nèi)部過多的水分不能及時(shí)排出，連鑄時(shí)進(jìn)入鋼水內(nèi)部，鑄坯形成皮下氣泡、表面氣孔，軋制后形成斷續(xù)不規(guī)則分布直線裂紋。

由裂紋產(chǎn)生的原因分析判斷，建議采取一些控制措施：

（1）加強(qiáng)對(duì)結(jié)晶器保護(hù)渣檢驗(yàn)，提高結(jié)晶器冷卻效果，結(jié)晶器按定額拉坯，控制好拉速，控制鋼水的過熱度。

（2）加強(qiáng)對(duì)鑄坯四個(gè)面質(zhì)量及二冷區(qū)噴嘴的檢查，防止因冷卻不均勻坯料產(chǎn)生外形不正。

（3）在對(duì)連鑄坯低倍組織及表面質(zhì)量增加針對(duì)性物檢，煉鋼工藝及時(shí)調(diào)節(jié)。

（4）提高設(shè)備安裝水平，確保兩立輥槽孔中心在同一水平線上。

（5）加強(qiáng)對(duì)精軋機(jī)組立輥軋機(jī)的檢查，保持軋制過程中恒張力，微套量控制。采取改進(jìn)控制措施后，彈簧鋼熱軋后出現(xiàn)表面縱向嚴(yán)重圓弧裂紋的現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)，平面裂紋也大幅降低。