非調(diào)質(zhì)鋼1E1106“黑心”問題研究

王 偉，田 剛，盧春光

（1.中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，陜西 西安 710201；2.陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

非調(diào)質(zhì)鋼是在傳統(tǒng)碳鋼的基礎(chǔ)上加入Nb、V 和Ti 等微合金化元素，采用控鍛（軋）控冷等強(qiáng)韌化方法，達(dá)到或接近調(diào)質(zhì)鋼力學(xué)性能的一類優(yōu)質(zhì)或特殊質(zhì)量的結(jié)構(gòu)鋼。隨著國內(nèi)汽車制造行業(yè)的快速發(fā)展，市場競爭日趨激烈。從降低成本的角度出發(fā)，越來越多的車企使用非調(diào)質(zhì)鋼替代常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼制造汽車曲軸、連桿和液壓桿等零部件，符合汽車輕量化的設(shè)計(jì)前沿理念[1]。據(jù)國際汽車制造商協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，我國2021年汽車年產(chǎn)量約2 608 萬輛，隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)對于非調(diào)質(zhì)鋼的需求量不斷增長。非調(diào)質(zhì)鋼1E1106 做為液壓缸材料，是挖掘機(jī)、叉車等主機(jī)的強(qiáng)度構(gòu)件。非調(diào)質(zhì)鋼1E1106 與調(diào)質(zhì)的42CrMo、40Cr 和45 鋼相比，機(jī)械性能更好，從心部到邊緣的硬度更均勻，疲勞壽命更長，且無需調(diào)質(zhì)處理及相關(guān)的矯直、運(yùn)輸，可大幅度降低制造成本。非調(diào)質(zhì)鋼1E1106 是響應(yīng)政府節(jié)能減排要求的新型產(chǎn)品，同時(shí)也符合發(fā)達(dá)國家的準(zhǔn)入制度，更容易得到政策支持，并能提高產(chǎn)品的國際市場競爭力。某鋼鐵企業(yè)在開發(fā)1E1106 鋼種時(shí)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足用戶要求。但是，軋材出現(xiàn)“黑心”超標(biāo)，摩擦焊將導(dǎo)致桿心部生成馬氏體，產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力，甚至造成心部開裂，最終產(chǎn)生廢品。本文對合格批次及不合格批次生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，查找其產(chǎn)生的原因。

1 生產(chǎn)工藝及分析方法

某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)非調(diào)質(zhì)鋼的工藝流程為：150 t電爐冶煉＋120 tLF 精煉＋VD 脫氣→連鑄機(jī)連鑄Φ500 mm 圓坯→緩冷→檢查、修磨→連軋產(chǎn)材→控冷（穿水）→冷床冷卻→入坑緩冷→矯直→表面清理→探傷→檢驗(yàn)、檢查→包裝、上交。

本試驗(yàn)采用生產(chǎn)Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm三個(gè)規(guī)格。對Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm 三個(gè)規(guī)格進(jìn)行低倍冷蝕檢驗(yàn)，不同程度出現(xiàn)了“黑心”超標(biāo)情況，且同一規(guī)格、同一爐號不同取樣位置所檢測的“黑心”直徑不同。

首先，將試樣浸入15%硝酸酒精溶液中進(jìn)行充分腐蝕，用棉球擦拭腐蝕面，使腐蝕均勻一致，時(shí)間為0.5～2 min。然后，將試樣放入鹽酸中，用質(zhì)地柔軟的棉球（棉布）擦拭，腐蝕時(shí)間為10～15 s，以達(dá)到腐蝕效果。樣品的表面顏色會(huì)變淺，特征腐蝕點(diǎn)的侵蝕顏色會(huì)變深。

采用游標(biāo)卡尺測量試樣中心黑色腐蝕點(diǎn)的最大長度，按照公式計(jì)算“黑心”直徑是否符合要求，“黑心”判定標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 鋼材“黑心”判定標(biāo)準(zhǔn)

2 原因分析

對不同規(guī)格不同程度出現(xiàn)“黑心”超標(biāo)試樣進(jìn)行低倍、成分偏析、晶粒度和金相組織分析，結(jié)果表明，由于成分C、Mn 偏聚在鋼坯中心，造成心部大顆粒珠光體產(chǎn)生。因此，成分偏析是導(dǎo)致非調(diào)質(zhì)鋼1E1106 冷蝕“黑心”的主要原因。

2.1 低倍熱蝕

為驗(yàn)證“黑心”是否為中心疏松造成，選取在低倍冷蝕檢驗(yàn)過程中“黑心”直徑較大的低倍片做熱蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖1 所示。由此可見，中心疏松并非造成“黑心”的原因。

圖1 中心疏松0.5 級

2.2 成分偏析檢驗(yàn)

為驗(yàn)證“黑心”是否為中心成分偏析造成，選取在低倍冷蝕檢驗(yàn)過程中“黑心”直徑不同的低倍片做成分偏析試驗(yàn)。選取爐號X33200、X33201，黑心直徑為5 mm 和0 mm（合格成品）的低倍片為試驗(yàn)樣品，低倍檢驗(yàn)，進(jìn)行成分偏析試驗(yàn)。具體取樣方法見圖2。

圖2 取樣方法圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 的C 成分和Mn 成分偏析分布圖可看出，“黑心”直徑5 mm 的爐次偏析明顯嚴(yán)重。

圖3 C、Mn 成分偏析分布圖

2.3 組織分析

取中心存在“黑心”的試樣小塊觀察金相組織，用2%的硝酸酒精溶液腐蝕20 s，其宏觀形貌出現(xiàn)“黑心”，且“黑心”周圍存在環(huán)狀白亮區(qū)域。放大100 倍發(fā)現(xiàn)，“黑心”部位以粗大珠光體為主，而白亮區(qū)域出現(xiàn)大量細(xì)小鐵素體，如圖4 所示。

圖4 鋼材黑心部位組織圖

取Φ125 mm 鋼材的邊緣、1/2R 處和中心處三種不同位置組織，放大200 倍后，發(fā)現(xiàn)鋼材不同位置存在明顯的組織差異，具體結(jié)果如圖5 所示。

圖5 規(guī)格Φ125 mm 鋼材不同位置組織圖

2.4 晶粒度分析

分別從三種鋼材Φ110 mm、Φ125 mm 和Φ140 mm的表面、1/2R 處和中心處取樣，采用面積法，測定晶粒度級別，具體結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，鋼材從表面至心部晶粒度存在極差，不同規(guī)格晶粒度不同。

表2 不同規(guī)格鋼材晶粒度

3 結(jié)語

非調(diào)質(zhì)鋼因其省略調(diào)質(zhì)熱處理工序，對鋼的化學(xué)成分及成分偏析控制有很高的要求。通過分析可知，由于成分C、Mn 偏聚在鋼坯中心，造成心部大顆粒珠光體產(chǎn)生。“黑心”處存在較嚴(yán)重C、Mn 成分偏析，摩擦焊將導(dǎo)致桿心部生成馬氏體，產(chǎn)生很大的組織應(yīng)力，造成心部開裂，最終產(chǎn)生廢品。因此可知，造成非調(diào)質(zhì)鋼1E1106 冷蝕“黑心”的原因應(yīng)為成分偏析。通過控制過熱度，調(diào)整拉速，使電磁攪拌與拉速最佳配合，減輕鑄坯芯部偏析，產(chǎn)品在摩擦焊接后心部就不出現(xiàn)馬氏體組織。高溫大壓下對鋼坯進(jìn)行粗軋，使鋼坯心部充分焊合，枝晶充分破碎細(xì)化，精軋前進(jìn)行控溫，精軋后快速冷卻，對控軋控冷技術(shù)的精確掌握，可大幅度降低“黑心”廢品。