45鋼熱軋板鋸切開裂原因分析

王曉晶

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300301）

0 前言

45 鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度較高、易切削加工等特點(diǎn)，調(diào)質(zhì)處理后綜合機(jī)械性能良好，被廣泛應(yīng)用工程、機(jī)械等領(lǐng)域[1]。近期某鋼鐵企業(yè)接到下游客戶的反饋，該企業(yè)生產(chǎn)銷售的45 鋼熱軋板在鋸切加工過程中出現(xiàn)了沿鋸切方向開裂的問題，給企業(yè)的產(chǎn)品聲譽(yù)帶來不良的影響。能夠造成45鋼熱軋板鋸切開裂的原因有許多方面，為了準(zhǔn)確查找引起此次45 鋼熱軋板鋸切開裂的原因，對鋸切開裂鋼板進(jìn)行了取樣檢測。采用直讀光譜儀對開裂鋼板的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測，同時采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡對開裂鋼板斷裂源的宏觀形貌、微觀形貌和金相組織進(jìn)行了檢測。

本文以該企業(yè)45 鋼熱軋板鋸切開裂問題為研究對象，利用開裂鋼板的化學(xué)成分、宏觀形貌、微觀形貌和金相組織的檢測結(jié)果，對45 鋼熱軋板鋸切過程開裂的原因進(jìn)行了分析，結(jié)合生產(chǎn)數(shù)據(jù)對檢測分析結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上提出了工藝改進(jìn)措施。

1 開裂鋼板的宏觀形貌

該企業(yè)此次鋸切開裂的45 鋼熱軋板的厚度為140mm，鋼板在沿展寬方向切割至約3/4 處時發(fā)生開裂。圖1為45 鋼熱軋板鋸切開裂形貌和斷口宏觀形貌。由圖1（b）可以看出，在鋼板厚度方向的1/2處，裂紋源斷裂紋理呈放射狀散開。

圖1 45鋼熱軋板鋸切開裂形貌和斷口宏觀形貌

2 開裂鋼板理化檢測

圖2為鋼板裂紋源處取樣示意圖。根據(jù)斷口宏觀形貌觀察，在裂紋源處取尺寸為30mm×30 mm的試樣1，進(jìn)行斷口化學(xué)成分、微觀形貌和金相組織分析；沿厚度方向取尺寸為30mm×140 mm 的試樣2，進(jìn)行硬度檢測。

圖2 鋼板裂紋源處取樣示意圖

2.1 化學(xué)成分分析

使用ARL-4460型直讀光譜儀對開裂鋼板進(jìn)行成分檢測，開裂鋼板試樣主要化學(xué)成分如表1所示。由表1可以看出，開裂鋼板試樣主要化學(xué)成分檢測結(jié)果符合工藝設(shè)計要求。

表1 開裂鋼板試樣主要化學(xué)成分

2.2 斷口微觀形貌分析

將斷口試樣置于酒精中利用超聲波反復(fù)清洗，烘干后放入掃描電鏡下對斷口裂紋源處進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果圖3所示。由圖3（a）可以看出，裂紋源處斷口平齊，為脆性解理斷裂，裂紋源存在原始缺陷。由圖3（b）可以看出，放大后觀察裂紋源處存在疑似自由凝固面，由于加工過程氧化較為嚴(yán)重，已經(jīng)不太清晰。沿著裂紋擴(kuò)展方向繼續(xù)觀察如圖3（c）所示，發(fā)現(xiàn)明顯的金屬凝固自由面。從解理面初步判斷試樣晶粒較大，如圖3（d）所示。

圖3 裂紋源處掃描電鏡觀察的微觀形貌

2.3 斷口金相組織分析

將斷口試樣磨制橫截面并進(jìn)行拋光制樣，使用光學(xué)顯微鏡觀察，裂紋源處金相組織如圖4所示。由圖4（a）可以看出，裂紋源附近可發(fā)現(xiàn)三角形裂，裂紋邊緣圓滑，試樣上有較多硫化物夾雜，靠近板厚心部位置最為集中，將試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，試樣整體晶粒粗大，斷裂源處無脫碳及氧化現(xiàn)象。由圖4（b）與圖4（c）對比可知，從鋼板表面向中心珠光體逐漸增多，板厚中心位置偏析明顯，組織表現(xiàn)為珠光體加成網(wǎng)分布的細(xì)鐵素體，珠光體團(tuán)粗大，其他位置晶粒同樣粗大，表現(xiàn)為鐵素體加珠光體，組織均勻性較差。

圖4 裂紋源處金相組織

2.4 硬度檢測分析

根據(jù)GB/T 230.1-2018，使用洛氏硬度計沿著厚度方向從距離上表面20mm 開始每隔5mm 檢測兩點(diǎn)硬度取平均值，共計產(chǎn)生不同位置21 組硬度值。斷裂截面硬度變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，鋼板開裂區(qū)域平均硬度為176.1HRC，鋼板厚度方向上硬度分布不均勻，最大硬度為182 HRC，且出現(xiàn)在心部，最低的硬度為171 HRC，最大值與最小值相差9 HRC。

圖5 斷裂截面硬度變化曲線

3 分析與驗(yàn)證

3.1 分析與討論

結(jié)合鋼板鋸切現(xiàn)場情況分析，鋸切過程鋼板除受切割鋸較小的沖擊外，鋼板本身沒有其他方向的受力，因此，可以排除鋸切過程外力致使鋼板開裂的可能。

金相組織檢測結(jié)果表明，試樣心部存在珠光體偏析區(qū)域，心部珠光體比例明顯高于周圍區(qū)域，同時硬度測量結(jié)果也驗(yàn)證了偏析區(qū)域硬度高于周圍基體，這造成鋼板冷卻過程形成較大的組織應(yīng)力。掃描電鏡下觀察裂紋源處存在裂紋缺陷，裂紋缺陷內(nèi)部為金屬自由面，推斷此缺陷為鑄坯凝固過程形成的原始缺陷，而非軋制或者鋸切過程形成的裂紋缺陷。熱軋板冷卻過程組織應(yīng)力與空洞缺陷共同作用，在空洞周圍形成應(yīng)力集中，無法得到有效地釋放。

當(dāng)鋸切外力接觸到空洞邊緣時，應(yīng)力迅速釋放，周圍偏析區(qū)域由于珠光體比例高，硬度大、延展性性低，原始缺陷作為開裂源迅速向周圍延展。而此位置同時存在大量硫化物偏聚，破壞了基體的連續(xù)性，同時晶粒（珠光體團(tuán)）粗大，晶界處的晶體排列不規(guī)則性小，晶面犬牙交錯性差，降低了晶間咬合力，因而減弱了金屬間的結(jié)合力，加速了裂紋的擴(kuò)展，最終使鋼板在鋸切過程出現(xiàn)開裂情況。

3.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

上述分析明確了鑄坯存在較為嚴(yán)重的中心偏析和中心疏松是引起本次45 鋼熱軋板鋸切開裂的一項(xiàng)重要原因。為了進(jìn)一步查找45 鋼熱軋板鋸切開裂的原因，調(diào)取了問題鑄坯對應(yīng)爐次的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對鑄坯的質(zhì)量做了進(jìn)一步的分析。

3.2.1 連鑄坯低倍檢測結(jié)果分析

此次鋸切開裂熱軋板生產(chǎn)所用鑄坯為該企業(yè)6月份生產(chǎn)的250mm×2100mm 斷面的45 鋼坯。出現(xiàn)質(zhì)量問題爐次生產(chǎn)時連鑄機(jī)拉速為1.15 m/min，中包過熱度為20℃左右；同澆次質(zhì)量正常爐次連鑄機(jī)拉速為1.10 m/min，過熱度為21℃，鋼中S 元素含量為0.007%。對出現(xiàn)質(zhì)量問題爐次和同澆次質(zhì)量正常爐次取低倍樣進(jìn)行對比，低倍樣對比結(jié)果如圖6所示。通過工藝和成分對比可以看出，在S 元素含量、連鑄機(jī)拉速兩個關(guān)鍵因素上質(zhì)量正常爐次均優(yōu)于問題爐次。由圖6可以看出，問題爐次鑄坯同樣存在中心偏析和中心疏松，與正常爐次比存在明顯的差距，這也驗(yàn)證了上述分析結(jié)果。

圖6 出現(xiàn)質(zhì)量問題爐次和正常爐次鑄坯低倍

3.2.2 連鑄凝固末端動態(tài)輕壓下效果分析

對鑄坯凝固過程的中心偏析和中心疏松現(xiàn)象有多種理論解釋，每種理論均能很好地解釋某些特征，但卻不能完全解釋所有現(xiàn)象，目前對鑄坯中心偏析和中心疏松的理論解釋可以歸納為三類[2-3]。溶質(zhì)元素析出與富集理論認(rèn)為：凝固過程鋼中C、Mn、P、S 等元素選分結(jié)晶是偏析的根源；凝固橋理論認(rèn)為：凝固后期柱狀晶搭橋后鋼液無法得到補(bǔ)充是形成縮孔、疏松和偏析等鑄坯缺陷的主要原因；鑄坯芯部空穴抽吸理論認(rèn)為：由于凝固過程的體積收縮和鑄坯鼓肚形成空腔并產(chǎn)生負(fù)壓，富集溶質(zhì)元素的鋼液被吸入空穴并凝固形成中心偏析。

目前該企業(yè)板坯連鑄機(jī)采用了鑄坯凝固末端動態(tài)輕壓下技術(shù)。一方面可以阻礙富含偏析元素的鋼液向鑄坯中心流動，并與后方鋼液形成對流，實(shí)現(xiàn)了溶質(zhì)元素的再分配，從而消除中心偏析；另一方面能夠補(bǔ)償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松[4-5]。為了驗(yàn)證輕壓下效果，本文利用奧鋼聯(lián)連鑄機(jī)軟件包中DYNAGAP Simulation System 對拉速在1.15 m/min，中包過熱度在20℃條件下，250mm×2100mm 斷面45 鋼鑄坯凝固過程進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖7所示。鑄機(jī)輕壓下位置在9、10、11段，凝固末端在11 段，為了對比分析，調(diào)取了該批45鋼生產(chǎn)結(jié)束后下一日輥縫測量結(jié)果，輥縫精度測量數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 45鋼凝固過程坯殼厚度、芯部溫度、表面溫度以及輕壓下區(qū)間模擬結(jié)果

45鋼作為中高碳鋼鑄坯兩相區(qū)較長，連鑄扇形段7～11 段的輥縫精度在對于鑄坯心部質(zhì)量影響較為明顯。由圖8可以看出，在生產(chǎn)問題鑄坯時，扇形段輥縫精度偏差超過±0.5mm（紅色虛線所標(biāo)記的范圍）工藝要求的情況普遍存在。而且扇形段8～11 段內(nèi)輥縫偏差值呈拱形，扇形段7、8、10 段水平方向同樣存在偏差，同時不同扇形段與扇形段的接弧精度也存在較大偏差。這使得鑄坯凝固前沿脆性區(qū)域受力不均且反復(fù)受到壓-拉應(yīng)力的變化，增加了裂紋和夾雜物偏聚的傾向。

圖8 輥縫精度測量數(shù)據(jù)

經(jīng)測算在拉速1.15 m/min 時，動態(tài)輕壓下的壓下扇形段的9、10、11 段輥縫精度不理想，使得實(shí)際壓下量與工藝要求存在了偏差。由于扇形段10 段輥縫值與前后的9段和11段總體呈倒梯形，將在10段的壓下區(qū)域破壞凝固前沿富含溶質(zhì)元素的鋼液回流效果，影響溶質(zhì)元素的二次分配，無法有效改善偏析和疏松，甚至加劇裂紋產(chǎn)生傾向。

輥縫精度直接影響凝固末端和輕壓下狀態(tài)，這與鑄坯芯部空穴抽吸理論形成中心偏析的理論相吻合。經(jīng)過試驗(yàn)檢測、理論分析以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，基本可以斷定本次鑄坯失效缺陷是由于鑄機(jī)輥縫精度不達(dá)標(biāo)引起的。

4 結(jié)論

采用直讀光譜儀、光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對開裂鋼板的化學(xué)成分、斷裂源的微觀形貌和金相組織進(jìn)行了檢測，利用檢測結(jié)果對45 鋼熱軋板鋸切過程開裂的原因進(jìn)行了分析。為了準(zhǔn)確查找45鋼熱軋板鋸切開裂的原因，調(diào)取了問題鑄坯的連鑄生產(chǎn)數(shù)據(jù)對檢測分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論和建議。

（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，在鑄坯凝固末端輕壓下過程中，扇形段的9、10、11 段輥縫精度不達(dá)標(biāo)，造成鑄坯嚴(yán)重的中心偏析和疏松是此次成品45 鋼熱軋板鋸切開裂的主要原因。

（2）而中心缺陷處聚集的硫化物夾雜和粗大的珠光體團(tuán)加劇了開裂的趨勢，為次要原因。

（3）為減少此類質(zhì)量事故的發(fā)生，應(yīng)將連鑄機(jī)扇形段的輥縫精度偏差調(diào)整至±0.5 mm 范圍內(nèi)，保證輕壓下效果。