20MnCr5鋼軋材表面縱裂紋成因分析

魏鑫燕，李崇建，趙 磊，李宏銳

（青島特殊鋼鐵有限公司煉鋼廠，山東 青島266000）

1 前 言

目前，國內(nèi)外通常將碳含量在0.08%～0.18%范圍內(nèi)鋼稱之為中碳鋼，亦稱裂紋敏感性鋼，由于這類鋼凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)，產(chǎn)生相變，導(dǎo)致熱裂紋形成，從而惡化鑄坯表面質(zhì)量。20MnCr5鋼含碳量較低，為包晶反應(yīng)類（0.20%C）裂紋敏感型鋼，且該鋼含Mn，以強(qiáng)化鐵素體基體，促使奧氏體晶粒長大。此外該鋼［N］（100×10-6）含量較高，因此該鋼的強(qiáng)度較高，塑性較低。

分析軋材表面裂紋成因，一定要分析連鑄坯的表面缺陷對(duì)軋材的影響。包晶反應(yīng)類連鑄坯表面裂紋的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。其裂紋形成的基本條件是：初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；沿樹枝晶元素（C、Mn、S、P）的局部偏析、裂紋的開口和擴(kuò)展總是在偏析嚴(yán)重之處。實(shí)際生產(chǎn)中，出現(xiàn)的軋材裂紋的形成原因是一個(gè)過程的積累的多個(gè)因素的共同作用的結(jié)果。分析軋材的表面缺陷的成因從以下幾方面進(jìn)行分析：鋼坯的表面缺陷在熱加工過程中顯現(xiàn)，熱加工不當(dāng)、冷卻制度或表面修磨不適當(dāng)?shù)仍蛟斐傻娜毕荨Ｒ罁?jù)分析結(jié)果，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

2 軋材表面裂紋的成因

2.1 鋼材的表面缺陷

對(duì)于熱軋棒材而言，其表面缺陷主要是以縱裂形式為主的缺陷。軋材的縱向裂紋見圖1，其表面的形貌見圖2。

圖1 20MnCr5 軋材縱裂

圖2 20MnCr5 軋材縱裂宏觀形貌Y

2.2 鋼坯的表面裂紋

假設(shè)鋼材縱裂是來自于鑄坯的表面缺陷所致的結(jié)果。對(duì)于鑄坯的縱裂而言，裂紋的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。其形成的基本條件是：1）初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；2）沿樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析，裂紋的開口和擴(kuò)展總是在偏析嚴(yán)重之處。

文獻(xiàn)對(duì)連鑄坯產(chǎn)生縱裂的機(jī)理表述為：樹枝晶初次晶的位移→富集鋼水受到吸引→發(fā)生位移的樹枝晶間的偏析→發(fā)生δ相變，兩相之間殘留著偏析液膜→γ晶粒間產(chǎn)生偏析→沿偏析斷裂（縱向偏析）見圖3。鑄坯的縱向裂紋見圖4。

圖3 20MnCr5縱向偏析

圖4 20MnCr5連鑄坯角部縱向裂紋

對(duì)于鋼水碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%的亞共析鋼，鋼水結(jié)晶析出δ-（Fe）鐵素體和包晶反應(yīng)在包晶線附近（約1 495 ℃）。在液相線下將析出δ-（Fe）鐵素體，鐵素體中（C）≤0.09%，Mn、Cr 等元素也由于選分結(jié)晶的作用，比鋼水的平均量少，冷到包晶線以下發(fā)生δ-（Fe）鐵素體+L→A的包晶反應(yīng)，奧氏體相包圍著δ-（Fe）鐵素體。

由于急冷，碳和合金元素來不及擴(kuò)散，包晶反應(yīng)不徹底，δ-（Fe）鐵素體被奧氏體包著，但沒有轉(zhuǎn)變完，仍為低碳的δ-（Fe）鐵素體相，而碳則最終濃縮到奧氏體中，這樣在A4 和固相線以下則同時(shí)存在低碳的γ相，和高碳的奧氏體。

由于連鑄的一冷和二冷，急冷層包晶反應(yīng)不徹底，δ-（Fe）鐵素體殘留下來，在宏觀應(yīng)力作用下（矯直），可形成鋼坯角部裂紋，在中溫區(qū)發(fā)生δ→α，γ→α兩次相變重結(jié)晶，在原δ-（Fe）鐵素體晶粒范圍內(nèi)形成α鐵素體晶粒團(tuán)，包圍δ-（Fe）鐵素體相的奧氏體含碳量較高，在中溫區(qū)發(fā)生A→P 轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。鐵素體和珠光體在加熱爐的升溫過程中發(fā)生不等時(shí)相變和不均勻體積膨脹，產(chǎn)生相變應(yīng)力，引發(fā)協(xié)作變形，并可能形成顯微裂紋，見圖5。

圖5 缺陷的掃描電鏡形貌

2.3 鋼坯的翻皮和氣泡(針孔)

翻皮、非金屬夾雜物與氣泡是共存的。鋼表面氧化膜卷入鋼液中，在高倍下觀察翻皮及附近有嚴(yán)重的氧化物或硅酸鹽類夾雜物。并且在縱向斷口上，有不同顏色的非結(jié)晶組織呈條紋狀，嚴(yán)重時(shí)呈層狀。低中碳的碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼出現(xiàn)翻皮的幾率較高。

翻皮通常認(rèn)為是由于連鑄過程中澆注溫度低、速度慢、液面波動(dòng)太大造成的。氣泡則是連鑄和凝固過程中產(chǎn)生和放出的氣體等原因所造成的。氣體通常是由于原輔材料的干燥不良?xì)怏w進(jìn)入鋼水，澆注溫度低或澆注速度快來不及上浮，以及在澆鑄及凝固過程中結(jié)晶器中保護(hù)渣與鋼接觸產(chǎn)生和放出的氣體等原因所造成的。

在實(shí)際現(xiàn)場檢查中，在連鑄坯的表面會(huì)發(fā)現(xiàn)密集的氣泡，其大小及深度決定著其等級(jí)。沿針孔處有產(chǎn)生內(nèi)部破裂的可能。在二次加熱與軋制過程中，有翻皮和針孔存在的鑄坯會(huì)在軋制過程中使表面質(zhì)量變壞。見圖6。

圖6 鋼坯表面缺陷

2.4 軋制過程的應(yīng)力

如果排除軋制過程本身導(dǎo)致的折疊、劃傷、過燒等缺陷的影響，那么軋材表面缺陷是由應(yīng)力導(dǎo)致的因素主要來自兩個(gè)過程：一個(gè)是坯料的冷卻和加熱，二就是軋制后的冷卻。

對(duì)于20MnCr5類鋼而言，其軋后的冷卻速度對(duì)于裂紋的擴(kuò)展有重要的影響。例如圖7為20MnCr5（Φ110 mm）熱軋棒材的低倍組織。其白色區(qū)域?yàn)樨愂象w組織。黑的區(qū)域?yàn)橹楣怏w+鐵素體組織。對(duì)于這類鋼，軋材的裂紋會(huì)有二次裂紋的出現(xiàn)。見圖8。

圖7 熱軋棒材低倍組織

圖8 二次裂紋

由圖1的低倍照片可見，低倍組織層次比較分明，但不對(duì)稱。裂紋出現(xiàn)在柱狀晶區(qū)較短的一側(cè)，說明裂紋確實(shí)發(fā)生在坯殼薄弱處，冷卻較弱的區(qū)域。如果鑄坯出現(xiàn)缺陷后，其隨后的軋制過程的應(yīng)力可使缺陷進(jìn)一步惡化。

3 軋材的裂紋的判定

3.1 冶煉原因

一般說來，由冶煉帶來的夾雜物，它隨金屬一起塑性變形，因此具有明顯的變形性；其化學(xué)成分也與冶煉有關(guān)。而由裂紋氧化而成的夾雜物，它是靠原子擴(kuò)散與置換作用形成的，不可能顯示出變形特征，一般呈顆粒分布在裂紋的兩側(cè)，其夾雜物的化學(xué)成分與鋼的組成有關(guān)。折疊裂紋以及經(jīng)過變形的裂紋，其偶合特征不明顯。連鑄坯的熱裂紋一般有龜裂的外形，裂紋沿原始晶界延伸，均有氧化和脫碳。裂紋的末端圓禿［1-2］。

將低倍試樣的裂紋區(qū)域進(jìn)行高倍觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋往往是沿著鐵素體條帶擴(kuò)展，見圖9。這些條帶與樹枝晶的輪廓相對(duì)應(yīng)，極有可能是由于γ晶粒間產(chǎn)生偏析所產(chǎn)生的。見圖10。

圖9 裂紋形貌 100×

圖10 鑄坯的微觀組織 100×

20MnCr5棒材掃描電鏡觀察顯示，裂紋兩側(cè)存在大量小顆粒夾雜物，裂紋已氧化。這表明該鐵素體帶應(yīng)該是在連鑄鋼液凝固過程中選分結(jié)晶導(dǎo)致殘留在樹枝晶間的溶液在冷卻過程中析出夾雜物，并隨著溫度的進(jìn)一步降低至相變點(diǎn)溫度時(shí)誘發(fā)了鐵素體的優(yōu)先析出。對(duì)于連鑄坯而言：出現(xiàn)的（沿鐵素體條帶）夾雜物為內(nèi)生夾雜物，主要是脫氧元素與溶解在鋼液［O］的反應(yīng)產(chǎn)物，其特點(diǎn)為顆粒直徑?。ā?0 μm），數(shù)量多，均勻分布。這類夾雜物如果集中群體分布主要是影響鋼的韌性。尤其是集中分布于鐵素體條帶中，更加惡化鋼的韌性。當(dāng)進(jìn)行軋制時(shí)便會(huì)對(duì)沿此裂開并延伸。不過對(duì)于圖10熱軋材中含有大量夾雜物的情形，則可以理解為高溫氧化物。如果鋼坯表面的缺陷是由于保護(hù)渣等因素導(dǎo)致的話，那么至少在裂紋區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)保護(hù)渣的痕跡。

3.2 軋制原因

當(dāng)軋制工藝正常條件下，可能產(chǎn)生如下缺陷：

1）折疊產(chǎn)生表面裂紋（由于前一道次過充滿產(chǎn)生耳子在下一道次造成折疊；由于在前幾道次中出現(xiàn)劃傷，經(jīng)軋制形成折疊。）

2）劃傷產(chǎn)生表面裂紋（由于軋件與導(dǎo)衛(wèi)產(chǎn)生滑動(dòng)磨察，導(dǎo)衛(wèi)上易形成尖銳的毛刺，致使軋件表面產(chǎn)生劃傷；輥道與軋件之間摩擦產(chǎn)生劃傷。）

3）軋槽磨損，槽底拉溝或軋槽產(chǎn)生龜裂造成軋材表面裂紋（軋輥在使用過程中水冷不當(dāng)或軋輥材質(zhì)的選用不合理，或軋制過程中軋槽超噸位軋制造成軋槽磨損嚴(yán)重。）

4）帶狀發(fā)紋形成表面裂紋（坯料的某一側(cè)面或角部出現(xiàn)皮下氣泡、皮下夾雜、表面氣孔經(jīng)過軋制形成；由于孔型設(shè)計(jì)不當(dāng)、軋輥材質(zhì)不耐磨或軋制過程中軋槽冷卻水冷卻不好而造成軋輥磨損嚴(yán)重而形成帶狀裂紋；軋件的高寬比過大，經(jīng)過兩三道軋制形成方向性皺折，最后形成帶狀裂紋；合金鋼由于導(dǎo)熱性較差，導(dǎo)熱速度較慢，在加熱和冷卻過程中急冷急熱而導(dǎo)致應(yīng)力裂紋。）

5）軋件的高寬比過大，經(jīng)過軋制產(chǎn)生雙鼓形，在下一道次軋制其壓下量過大，經(jīng)過反復(fù)軋制形成帶狀裂紋［2］。

4 結(jié) 語

軋材裂紋的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果。其形成的基本條件可能是：1）初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產(chǎn)生局部應(yīng)力集中；2）沿樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析、裂紋的開口和擴(kuò)展總是在偏析嚴(yán)重之處。樹枝晶初次晶的位移→富集鋼水受到吸引→發(fā)生位移的樹枝晶間的偏析→發(fā)生δ→相變，兩相之間殘留著偏析液膜→γ 晶粒間產(chǎn)生偏析→沿偏析斷裂（大縱向裂紋）；3）熱軋材出現(xiàn)的顯微夾雜物可能是樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析且氧化，或保護(hù)渣不良導(dǎo)致的翻皮、針孔等缺陷經(jīng)軋制過程產(chǎn)生的氧化；4）軋制的加熱與冷卻過程影響裂紋的形成；5）軋制產(chǎn)生的軋材表面機(jī)械損傷，不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)生氧化物夾雜，以縱向裂紋出現(xiàn)，不宜產(chǎn)生花紋狀裂紋。