SAE1144易切削鋼八角棒表面裂紋缺陷分析

王高峰，鐘亮美，周 楠，張志明，付建勛*

（1.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室,上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點實驗室,上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200072；2.廣東韶鋼松山股份有限公司,廣東 韶關(guān) 512123）

0 引言

易切削鋼是指向鋼中添加一定含量的硫、鉛、錫、鈣及其他易切削鋼元素中的一種或多種元素而具有良好的切削加工性能的一類鋼[1-3]，主要應(yīng)用于汽車、精密儀器、自動化機械等領(lǐng)域的零件加工上[4-5]。其中硫系易切削鋼在我國機械制造和汽車工業(yè)等方面應(yīng)用廣泛[6-7]，總生產(chǎn)量占易切削鋼的90%[8]。SAE1144 屬于中碳硫系易切削鋼，該鋼材對應(yīng)的德國鋼牌號為44SMn28，該材料不僅要求具備良好的切削加工性能、較高的表面光潔度，在加工過程中，刀具磨損小、加工效率高等優(yōu)點[9-12]，還要求有較高的潔凈度，以確保較高的力學(xué)性能。相比1215 低碳易切削鋼,該鋼材具備較高的力學(xué)性能，可用作較為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)支撐件，廣泛應(yīng)用于汽車零部件的加工制造。

與國外同類高端產(chǎn)品相比，國內(nèi)的SAE1144 易切削鋼尚有較大的質(zhì)量提升空間，突出的表現(xiàn)為：鋼中的潔凈度不高，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低，進口車主機廠通常要求該鋼材的屈服強度：Rp0.2≥730 MPa，抗拉強度：950 MPa ≥Rm≥800 MPa；該鋼材中的硫化物形態(tài)必須嚴格控制，對于?24 mm 棒材，表面區(qū)域硫化物滿足德標(biāo)Sep1572 的1.2～2.1 控制水平；過渡區(qū)硫化物滿足1.1～3.3；核心區(qū)硫化物1.1～3.3 的控制水平。

SAE1144 潔凈度不高、硫化物形態(tài)控制較差，常導(dǎo)致各種產(chǎn)品缺陷。劉春林[13]研究1215MS 加工成品表面針孔缺陷分析及改進措施，發(fā)現(xiàn)氣泡或氣泡攜帶夾雜物脫落、軋鋼溫度偏低造成的微裂紋、用戶加工時異物壓入等是造成成品表面針孔缺陷的原因。曹磊[14]研究選分結(jié)晶對包晶鋼連鑄坯表面裂紋的影響發(fā)現(xiàn)，碳含量與鑄坯表面裂紋之間的關(guān)系是呈“M”形，也就是說先增加再減小至最低，而后再增加至一個最高點后降低。吳良平[15]研究Y1Cr13 不銹鋼開裂原因發(fā)現(xiàn)，該不銹鋼軋材存在大量長條狀硫化物，而過多的熱脆細長條狀硫化物和錳鐵硫化物是劈頭開裂的主要原因。

筆者采用光學(xué)顯微鏡、小樣電解、掃描電鏡及能譜、ImageJ 軟件等分析檢測方法，對某鋼廠生產(chǎn)的SAE1144 易切削線材在拉拔為八角棒過程中產(chǎn)生的表面裂紋進行原因分析，提出解決問題的思路，以降低SAE1144 易切削鋼產(chǎn)品的拉拔缺陷率。

1 生產(chǎn)工藝及成分

某鋼廠根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝設(shè)備開發(fā)SAE1144易切削鋼，采用電感耦合等離子體光譜儀（ICP）對SAE1144 易切削鋼的化學(xué)成分進行分析，該廠鋼材的目標(biāo)成分及實測化學(xué)成分如表1 所示。該廠采用的生產(chǎn)工藝流程為：120 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→120 t LF 爐精煉→方坯連鑄機連鑄（6 機6 流）→熱軋工藝，連鑄坯斷面尺寸為160 mm×160 mm，結(jié)晶器液面設(shè)定為自動控制和電磁攪拌。下游客戶加工的工藝為：盤圓?18 mm→噴砂→拉拔（八角棒）→分段?？蛻粼谟?8 mm 冷拉拔至15 mm 八角棒過程中，發(fā)現(xiàn)試樣表面有裂紋缺陷，如圖1 所示。裂紋沿軋制方向連續(xù)分布，裂紋深度為5～7.5 mm。

表1 SAE1144 的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of SAE1144%

圖1 試樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of samples

2 試樣的制備

首先將試樣放入50%的鹽酸溶液中浸泡2 min，目的是除去試樣表面的銹點，然后用酒精清洗試樣，目的是除去試樣表面的鹽酸溶液；用吹風(fēng)機將試樣吹干，將清洗好的試樣用無塵紙封裝保存，目的是防止試樣表面氧化。其次，采用精密切割機將直棒表面裂紋沿縱剖面切開進行取樣，取兩個厚度為12 mm 試樣，分別記為1#樣（觀察面1）和2#樣，1#樣主要用來觀察裂紋擴展區(qū)的末端；將2#樣繼續(xù)用精密線切割，將裂紋位置取出后，沿著裂紋線切割（觀察面2），試樣厚度為5 mm，用于觀察裂紋的截面；取樣示意圖如圖2 所示。采用單盤臺式磨拋機對1#樣進行精磨和拋光處理，然后使用蔡司金相顯微鏡(Zeiss)和Phenom-Word 臺式掃描電鏡以及能譜分析設(shè)備（SEM-EDS）分別對試樣進行觀察和分析。

圖2 取樣示意Fig.2 Schematic diagram of sampling

3 裂紋的檢測與分析

3.1 顯微組織觀察

將拋光后的1#樣放入光學(xué)顯微鏡（12.5 倍光鏡）下觀察分析，如圖3 所示。發(fā)現(xiàn)裂紋擴展到觀察面1 的三分之一處，深度約為5～7.5 mm；由邊部到內(nèi)部，其寬度逐漸變窄。裂紋兩邊組織是鐵素體+珠光體，還存在硫化物夾雜。取縱向觀察夾雜物形貌，在八角棒近表面至1/3 間檢出異常大尺寸硫化物類夾雜，如圖4 所示。

圖3 裂紋金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photos of cracks

圖4 八角棒近表面至1/3 間夾雜物Fig.4 Inclusions between sub-surface and 1/3 of octagonal bar

利用掃描電鏡（光鏡功能）對裂紋截面形貌進行觀察，如圖5 所示。由圖5 可以看出，與金相顯微鏡下觀察相同，裂紋擴展到觀察面1 的三分之一處，深度約為5～7.5 mm；隨著裂紋的延伸擴展，其寬度逐漸變窄；裂紋延伸至八角棒試樣的內(nèi)部且存在未斷裂的裂紋延伸處。因為試樣磨拋時裂紋內(nèi)部的拋光膏處理不徹底，會影響分析產(chǎn)生裂紋的原因，故選擇截面裂紋擴展區(qū)的末端進行分析。

圖5 截面裂紋Fig.5 Crack cross section

為了分析裂紋產(chǎn)生的原因，利用SEM 對1#樣裂紋區(qū)域的末端進行分析，如圖6 所示。從圖6 可以看出：在裂紋擴展的過程中，存在大顆粒狀夾雜物（約8 μm）以及團簇狀夾雜物分布在裂紋兩側(cè)，在裂紋擴展末端結(jié)束區(qū)域發(fā)現(xiàn)大顆粒狀夾雜（約10 μm），裂紋沿夾雜物向試樣內(nèi)部延伸。為了確定圖中的團簇狀夾雜物、大顆粒狀夾雜物、細長條狀夾雜物以及裂紋末端延伸處的夾雜的成分組成，將試樣進行能譜分析，結(jié)果如表2 所示。從表2 中根據(jù)原子比可知主要為大顆粒狀、細長條狀夾雜物、團簇狀夾雜物為硫化錳夾雜以及少量FeO 夾雜；裂紋末端為FeO 夾雜。因為SAE1144 屬于高硫易切削鋼，鋼中錳元素和硫元素含量較高，鋼廠在生產(chǎn)過程中有可能因為冶煉工藝控制不好，造成SAE1144鋼中大顆粒狀的硫化錳夾雜、細長條狀硫化錳夾雜以及團簇狀硫化錳夾雜的生成，有可能產(chǎn)生裂紋。在后續(xù)的生產(chǎn)或者加工時，裂紋會沿著大顆粒狀、細長條狀硫化錳夾雜以及團簇狀硫化錳繼續(xù)延伸擴展形成表面裂紋，因此推測大顆粒狀硫化錳夾雜是裂紋擴展的主要原因，細長條狀硫化錳夾雜可能是裂紋擴展的原因之一；另外，裂紋末端夾雜為FeO夾雜，形成這種夾雜的原因可能是軋制時表面被氧化，經(jīng)過拉拔時氧化鐵皮被擠壓進裂紋處，或者是產(chǎn)生裂紋時，裂紋內(nèi)部高溫氧化形成FeO；還有可能是在火焰切割時由于高溫氧化形成FeO。

圖6 觀察面1 的能譜分析Fig.6 EDS analysis of observation surface 1

表2 圖6 中觀察面1 的能譜分析結(jié)果（原子分數(shù)）Table 2 EDS analysis results of observation surface 1 in Fig.6（atomic fraction）%

為了進一步確定裂紋產(chǎn)生的原因，將2#樣利用本課題組原創(chuàng)的原位電解法進行電解腐蝕。將電解后的試樣用酒精清洗后放入烘箱內(nèi)，設(shè)定溫度為120℃，時間為6 h。將電解腐蝕前后的試樣分別放入SEM 內(nèi)觀察裂紋內(nèi)壁形貌，如圖7、8 所示。從兩圖中可以看出：2#樣裂紋內(nèi)壁的整個開裂面形貌如木紋狀，沿軋制方向有大顆粒狀、大量細長條形團簇狀夾雜，疑是硫化錳夾雜物。

圖7 腐蝕前裂紋內(nèi)壁形貌Fig.7 Crack inner wall morphology before corrosion

為進一步確定圖8 中夾雜物的組成成分以及元素含量，利用EDS 對電解腐蝕后的觀察面2 進行分析，結(jié)果如圖9 所示。從EDS 能譜圖中可以看出：除了基體Fe 元素之外，其余為Mn 和S 元素，也就是說這些大顆粒狀、細長條形團簇狀夾雜物為MnS 夾雜。進一步證明了裂紋內(nèi)部存在大顆粒狀、細長條形團簇狀的MnS 夾雜物是裂紋擴展的主要原因。

圖8 腐蝕后裂紋內(nèi)壁形貌Fig.8 Crack inner wall morphology after corrosion

圖9 裂紋內(nèi)壁夾雜物及能譜Fig.9 Inclusion and its energy spectrum analysis in crack inner wall

為了驗證SAE1144 易切削鋼中MnS 夾雜的形態(tài)控制水平，將處理后的2#樣放入蔡司金相顯微鏡（100 倍光鏡）下觀察拍100 張照片。依據(jù)GB/T 10516-2005 附錄，采用最惡劣視場法對SAE1144易切削鋼中的硫化物進行評級分析。評級結(jié)果為粗系3.0 級，細系為3.0 級，說明鋼中有大顆粒狀MnS以及細長條狀MnS。按照德國高硫易切削鋼SEP172 評級圖譜對SAE1144 易切削100 倍下的金相照片（使用ImageJ 軟件黑白反轉(zhuǎn)處理后）進行評級分析，評級結(jié)果為4～2 級。圖10 為金相照片典型視場，可見鋼中有大顆粒狀硫化物（約200～400 μm），證明了SAE1144 易切削鋼中硫化物夾雜形態(tài)的控制水平不好。根據(jù)國標(biāo)最惡劣視場法評級結(jié)果和德標(biāo)圖譜法評級結(jié)果可以更好的說明SAE1144易切削鋼中硫化物夾雜形態(tài)的控制水平不好，進一步證明了裂紋內(nèi)部存在的大顆粒狀硫化錳夾雜物是裂紋擴展的主要原因。

圖10 金相照片典型視場Fig.10 Typical field of metallographic photograph

3.2 分析與討論

SAE144 八角直棒表面開裂裂紋貫穿整個表面長約160 mm，裂紋深至截面1/3 處。沿裂紋打開觀察開裂面形貌，整個開裂面形貌如木紋狀，邊緣未檢出氧化自由面或夾渣。在八角棒近表面至1/3 間檢出異常大顆粒狀硫化物夾雜，部分存在節(jié)狀碎裂現(xiàn)象。SAE1144 易切削鋼不僅強度較高，冷拉拔時應(yīng)力使異常大顆粒狀硫化物夾雜物碎裂，有條件產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致開裂。由于試樣未包括裂紋起始表面，不排除此段裂紋是拉拔過程中擴展產(chǎn)生的；而且該鋼變形量較大、拉拔變形應(yīng)力也較大，對易切削鋼的塑性及夾雜物控制要求較高；該材料潔凈度不好（大量的FeO 夾雜）、形態(tài)控制差（大顆粒狀硫化物以及細長條狀硫化物），導(dǎo)致大變形力作用下，材料沿微裂紋源分層開裂。根據(jù)Ashby[16]的空穴形成理論，夾雜物顆粒尺寸越大，在夾雜物與鋼基體界面處所產(chǎn)生的應(yīng)力越集中，界面越容易分離，裂紋形成能越低。同時，大顆粒夾雜物自身也容易發(fā)生斷裂，進一步降低裂紋形成能。鋼中氧含量是影響易切削鋼中硫化物形態(tài)的重要因素[17]，硫化錳的數(shù)量和長寬比會隨著氧含量的增加而減少，而硫化錳夾雜物的平均等效直徑和等效面積會隨著鋼中氧含量的增加而增大。所以建議鋼廠優(yōu)化煉鋼冶煉工藝，減少大顆粒狀硫化物的形成，改善MnS 形貌控制水平，從而降低SAE1144 易切削鋼產(chǎn)品的拉拔缺陷率。

4 結(jié)論

1）SAE1144 八角棒裂紋及擴展區(qū)（觀察面1）發(fā)現(xiàn)大塊的FeO 夾雜，F(xiàn)eO 夾雜是裂紋產(chǎn)生的微裂紋源。

2）SAE1144 八角棒裂紋擴展區(qū)（觀察面1）附著有大顆粒狀MnS，裂紋區(qū)（觀察面2）有大量密集的細長條形團簇狀、長條狀MnS，它們是裂紋擴展的主要原因。

3）從圓棒向八角棒拉拔的過程中，SAE1144 易切削鋼變形量較大、拉拔變形應(yīng)力也較大，對易切削鋼的塑性及夾雜物控制要求較高；由于該材料存在大量的FeO 夾雜導(dǎo)致潔凈度不好，同時，大顆粒狀硫化物的存在導(dǎo)致硫化物的形態(tài)控制較差，以至于在大變形力的作用下，材料沿微裂紋源分層開裂。

4）根據(jù)國標(biāo)和德標(biāo)對硫化物的評級結(jié)果來看，SAE1144 易切削鋼中硫化物形態(tài)控制水平較差，建議鋼廠優(yōu)化煉鋼冶煉工藝，減少大顆粒狀硫化物的形成，改善MnS 形貌控制水平，從而降低SAE1144易切削鋼產(chǎn)品的拉拔缺陷率。