崔進忠，高天佐

(蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽蕪湖 241000)

摘　要：裂紋是棒材產品中常見的缺陷，引起裂紋缺陷的原因很多，采用光學顯微鏡、SEM 掃描電鏡及EDS 能譜儀等實驗手段，對棒材產品中裂紋缺陷的成因進行分析研究。結果表明：引起棒材產品裂紋的原因分為四種：棒材基體內存在大量非金屬夾雜物、表面脫碳、帶狀組織和硫化物夾雜。針對上述幾種原因，通過優化煉鋼、連鑄工藝，電磁攪拌技術和脫硫工藝等措施，大大提高了棒材的成材率。

關鍵詞：棒材；裂紋；夾雜物；帶狀組織；脫碳；硫化物夾雜

0　引言

近年來，隨著國內裝備制造業和加工業的飛速發展，對非標件的需求量日益提高，同時對結構用鋼的加工性能也提出了更高的要求［1］。優質碳素結構鋼大多應用在調質狀態下，經調質處理后零件具備了優良的綜合機械性能，廣泛應用于各種重要的結構零件，如連桿、齒輪、軸類及螺栓等。某廠生產的優質碳素結構鋼Z近出現許多裂紋缺陷，前人對鋼中裂紋缺陷進行了大量研究［2 － 4］。筆者針對此種裂紋現象，對優質碳素結構鋼進行了質量檢測分析研究，指出了裂紋產生的原因，并提出了相應的整改措施，為今后生產高質量的優質碳素結構鋼提供了理論指導。

1　試樣制備與分析方法

試驗材料取自某廠的優質碳素結構鋼( 如圖1所示) ，棒材表面處用砂紙打磨后，很明顯可以看到表面沿軋向的裂紋缺陷。在裂紋處切取小塊檢測試樣，對切取的試樣首先使用丙酮清洗，然后用超聲波清洗器進行清洗。采用掃描電鏡( SEM) 及能譜儀( EDS) 對裂紋缺陷處進行微觀形貌觀察及成分分析。對缺陷試樣橫截面進行粗、細砂紙研磨并拋光，用3%硝酸酒精腐蝕后在Axiovert200MAT 光學顯微鏡( OM) 上觀察其顯微組織。

2　典型裂紋缺陷的形成原因及整改措施

2.1 夾雜物引起的裂紋缺陷

鋼中的夾雜物主要為非金屬夾雜，其可分為脆性夾雜和塑性夾雜兩類，脆性夾雜其形貌一般為局部聚集的顆粒狀或尺寸不等的條鏈狀; 而塑性夾雜一般為長條狀或片層狀［5］。夾雜物的來源、性質、形貌、分布位置以及含量等因素都會對鋼材產品表面、內部質量及使用性能產生不同程度的影響。

圖2為試樣裂紋缺陷處的夾雜物形貌及能譜照片，由圖2( a) 可知在裂紋缺陷處存在大型夾雜物，夾雜物呈顆粒狀，由于夾雜物的存在，破壞了基體的均勻連續性，造成應力集中，因而夾雜物的所在之處往往易形成疲勞裂紋。由圖2( b) 的成分分析可以看出，裂紋部位主要元素為Mg、Al、Ca、Na、K 和Si。其中Mg、Ca 兩種元素為耐火材料中的典型元素，Al和Si 元素為硅鋁酸鹽夾雜物中的元素，Na 和K 為保護渣成分中的典型元素。故認為鋼中存在中間包耐火材料、硅鋁酸鹽及結晶器保護渣等復合夾雜。

針對上述三種夾雜物應采取以下措施: 控制中間包內鋼水過熱度，優化吹氬工藝，保證鋼液中的夾雜物聚集長大、上浮; 硅鋁酸鹽為脆性夾雜，可通過控制出鋼時的脫氧操作防止鋼包下渣，采用保護澆注防止二次氧化，采用爐外精煉技術、使用大容量中間包使夾雜物充分上浮等方法減少硅酸鹽夾雜的來源; 防止中間包水口堵塞，減小結晶器液位的劇烈波動，以減小結晶器保護渣的卷入;嚴格執行澆鑄制度，盡量避免敞澆，確保澆鑄過程溫度和拉速的穩定［6］。

2.2 脫碳引起的裂紋缺陷

脫碳分為部分脫碳和完全脫碳，鋼中脫碳一般是由兩種形式混合組成。鋼中由脫碳引起的裂紋很容易發生在高碳及高錳鋼中，熱軋引起的脫碳帶到后續工藝中很容易引起缺陷，奧氏體高碳高錳鋼脫碳以后，表層組織變得不均勻。這不僅影響了鋼的強度，而且影響其耐磨性，此外，不均勻變形造成裂紋缺陷，因此，必須注意防止鋼表面脫碳現象的產生［7］。

棒材裂紋處表面脫碳的金相照片如圖3 所示。由圖3 可知，在金相顯微鏡下觀察試樣的橫截面，可以清楚地看到一個小裂紋缺口，裂紋缺陷處試樣表面脫碳較為嚴重，且組織出現不均勻現象，靠近裂紋缺陷處晶粒明顯比正常位置的細小。?鋼材表面出現脫碳以后，由于表層與心部的碳含量、組織及線膨脹系數均不相同，因此棒材淬火時所發生的不同組織轉變及體積變化將引起很大的內應力，棒材表層經脫碳后強度下降，淬火過程中棒材表面易產生裂紋; 另外棒材表層脫碳降低了碳含量，淬火后近表面不能出現馬氏體轉變，經過回火工藝，不能得到回火馬氏體組織，這樣必?使棒材達不到所要求的硬度，大大降低了棒材表面的耐磨性。

棒材的脫碳受加熱時間、加熱溫度、爐內氣氛等多種因素的影響。工業生產時，盡可能地降低鋼的加熱溫度以及在高溫狀態下停留的時間; 必要時在加熱爐中添加保護氣體，防止鋼坯的氧化;在爐體內加木炭，降低爐內O2和H2O 的含量，減少脫碳; 在鋼坯表面涂一層防氧化材料，可有效避免脫碳［8］。

2.3 帶狀組織引起的裂紋缺陷

帶狀組織屬于鋼材內部缺陷［9］，常常在熱軋低碳鋼顯微組織中出現，沿軋制方向平行排列，一條鐵素體晶粒帶與珠光體晶粒帶相間分布。由于帶狀組織的出現造成鋼各向異性，降低了鋼的力學性能、切削性能、淬透性，鋼經過淬火后不能得到完全的馬氏體組織，出現混晶組織，大大降低了鋼的強韌性。因此，針對帶狀組織缺陷應提早采取措施，防止帶狀組織的出現。

由圖4 可知，試樣表面的顯微組織為鐵素體+珠光體，從圖4 可明顯看出，組織為帶狀組織，其帶狀組織按照GB /T13299—1991 評級為4．5 級，已經超出國家標準中要求的范圍。帶狀組織是由于鑄坯在凝固過程中合金元素發生偏析，形成合金元素貧化帶和富化帶，在奧氏體相變過程中，過飽和的C原子發生再分配現象，造成碳和合金元素的貧化帶及富化帶，經軋制緩冷后，在碳和合金元素的貧化帶首先形成先共析鐵素體，然后以鐵素體為主，在鐵素體帶兩側形成珠光體偏析帶，這樣鐵素體帶和珠光體帶交替形成了帶狀組織。馬氏體相變不均勻應變，造成晶界處局部應力集中，從而削弱晶界間結合，而帶狀組織會進一步惡化晶間結合力，淬火時產生裂紋。奧氏體組織轉變為馬氏體時，體積發生膨脹，導致馬氏體相變不均勻應變，造成晶界處局部應力集中，從而削弱晶界間結合力甚至出現微裂縫，在淬火時造成沿原奧氏體晶界擴展的沿晶斷裂。合金元素的偏析可以削弱晶界間結合力，帶狀組織的存在進一步惡化了晶界結合力，從而在淬火時產生裂紋。

為了消除帶狀組織，應從根源上采取措施: 優化煉鋼、連鑄工藝，避免鑄坯內枝晶偏析的產生。在連鑄過程中可通過控制鋼水過熱度，適當降低澆鑄溫度; 采用電磁攪拌打碎樹枝晶，擴大等軸晶區; 控制二冷區水量，水量不易過大，減小柱狀晶區寬度; 優化拉坯速度等措施，從坯料的源頭避免帶狀組織的出現。

2.4 硫化物引起的裂紋缺陷

圖5 為硫化物引起裂紋缺陷的金相組織及電鏡分析。從圖5( a) 可見，試樣室溫下金相組織由鐵素體+ 珠光體組成，明顯可以看到一條長條狀的夾雜物，夾雜物呈現灰色。由圖5( b) 電鏡及圖5( c) 能譜檢測可知: 分布在缺陷處的夾雜物多數呈圓球狀，尺寸一般都在10 μm 以上，夾雜物所含元素有: O、Si、S、Ca。

硫化物夾雜屬于塑性夾雜，具有較高的延展性，在鋼材軋制過程中，沿軋制方向伸長變形，由球狀變成長條狀。硫化物夾雜造成的裂紋缺陷受很多方面的影響，其中以硫化物的數量與尺寸影響為主，一般在裂紋缺陷處可以觀察到數量較大，尺寸較長的硫化物，硫化物與基體是結合力相對較弱地機械結合，當硫化物周圍產生應力疲勞時，硫化物與基體會在很短時間內分離，產生空洞，使得硫化物成為微裂紋的發源地。在軋制過程當中，塑性硫化物在軋制壓力下會隨之變形，產生與硫化物尺寸有關的細長狀滑移帶，由于滑移帶上位錯的阻塞，夾雜物會在應力集中的基體處更早的發生開裂現象，產生空洞，空洞相互匯合成微裂紋，同一平面內的微裂紋互相連通，造成了裂紋缺陷［10］。

解決此類裂紋缺陷的主要措施如下: 優化脫硫手段，在變質劑當中添加適量的鈦和鈣，使硫含量降低及硫化物尺寸減小; 優化連鑄工藝，抑制硫偏析，使鋼的性能更穩定; 煉鋼過程當中，在不斷攪拌的同時保證充足的吹氬時間，使得夾雜物上浮。

3　結論

1) 棒材的裂紋處夾雜物主要為中間包耐火材料、硅鋁酸鹽及結晶器保護渣等復合夾雜。通過控制中間包內鋼水過熱度，優化吹氬工藝; 采用保護澆注防止二次氧化、采用爐外精煉技術; 防止中間包水口堵塞，減小結晶器液位的劇烈波動; 嚴格保證澆鑄制度，盡量避免敞澆，確保澆鑄過程溫度和拉速的穩定。

2) 棒材脫碳嚴重時引起表面裂紋，通過降低鋼的加熱溫度以及在高溫狀態下停留的時間，必要時在加熱爐中添加保護氣體，防止鋼坯的氧化; 在爐體內加木炭，降低爐內O2和H2O 的含量，減少脫碳;在鋼坯表面涂一層防氧化材料，可有效避免脫碳。

3) 帶狀組織是由于合金元素的偏析形成的，通過優化煉鋼、連鑄工藝，避免鑄坯內枝晶偏析的產生。在連鑄過程中可通過控制鋼水過熱度，采用電磁攪拌技術，控制二冷區水量，優化拉坯速度等措施，從坯料的源頭避免帶狀組織的出現。

4) 硫化物引起的裂紋缺陷，通常會在裂縫處觀察到一些球狀夾雜物，硫化物與鋼基體結合力較弱，當出現應力集中時，容易與基體分離產生裂紋源。通過優化脫硫手段、優化連鑄工藝、抑制硫偏析，煉鋼過程中，在不斷攪拌的同時保證充足的吹氬時間，使得夾雜物上浮。

參考文獻

［1］ Li Ｒong，Guo Jiang，Zhang Shengli． Ｒeason analysis of 40Cr bar crac［J］． Metallurgical Collections，2011，196( 6) : 12 － 15．( 李榮，郭江，張勝利． 40Cr 棒材裂紋的成因分析［J］． 冶金叢刊， 2011，196( 6) : 12 － 15． )

［2］ Guo Qiushi． Ｒesearch on quality of bloom and rod for gear steel at nansteel［D］． Chongqing : Chongqing University，2012．( 郭秋實． 南鋼齒輪鋼鑄坯及棒材質量控制研究［D］． 重慶: 重慶大學， 2012． )

［3］ Guo Dong，Zhang Jibing，Wu Yi，et al． Effects of sulfur content on surface longitudinal of CC slab of Q235B［J］． WISCO Technology，2012，50( 1) : 22 － 25．( 郭東，張繼斌，吳怡，等． 硫含量對Q235B 鋼連鑄坯表面縱裂紋的影響［J］． 武鋼技術， 2012，50( 1) : 22 － 25． )

［4］ Chen Yong，Yang Subo，Zhu Miaoyong． Control of transverse corner cracks on continuous casting slab for HSLA of Panzhihuasteel［J］． Iron Steel Vanadium Titanium，2008，29( 3) : 55 － 62．( 陳永，楊素波，朱苗勇． 攀鋼低合金鋼板坯角橫裂缺陷的控制技術［J］． 鋼鐵釩鈦， 2008，29( 3) : 55 － 62． )

［5］ Jiang Xishan． Non-metallic inclusion in steel［M］． Beijing: Metallurgical Industry Press，2011．( 姜錫山． 鋼中非金屬夾雜物［M］． 北京: 冶金工業出版社， 2011． )

［6］ Song Jinying，Dong Shuangpeng，Chen Yexiong，et． al． Steel edge cracking analysis and corrective measures［J］． Iron Steel VanadiumTitanium，2012，33( 2) : 87-92．( 宋進英，董雙鵬，陳業雄，等． 鋼板邊裂缺陷原因分析及整改措施研究［J］． 鋼鐵釩鈦， 2012，33( 2) : 87 － 92． )

［7］ Cao Jie，Xiang Changxiang，Chen Dong，et al． Oxidation and decarbonisation behavior of several high speed steel［J］． Journal ofUniversity of Science and Technology Beijing ， 2000，22( 1) : 16 － 19．( 曹杰，項長祥，陳東，等． 幾種高速鋼的氧化脫碳行為［J］． 北京科技大學學報， 2000，22( 1) : 16 － 19． )

［8］ Song Jinying，Qi Xiangyu，Chen Liansheng，et al． Analysis on fracture reason of 40Mn steel chain and process improvement［J］．Heat Treatment of Metals，2015，40( 9) : 209 － 214．( 宋進英，齊祥羽，陳連生，等． 40Mn 鋼鏈片斷裂原因分析及改進措施［J］． 金屬熱處理， 2015，40( 9) : 209 － 214． )

［9］ Liu Delu，Shao Weiran，Sun Xianwen，et al． Superficial banded structure and its effects on bending flaws of low carbon steel strips［J］． Journal of University of Science and Technology Beijing ， 2005，27( 1) : 40 － 44．( 劉得櫓，邵偉然，孫賢文，等． 鋼的表面帶狀組織及其引起的冷彎裂紋［J］． 北京科技大學學報， 2005，27( 1) : 40 － 44． )

［10］ Huo Xiangdong，Liu Delu，Wang Yuanli，et al． Nanometer sulfides in low carbon steel produced by CSP process［J］． Iron andSteel，2005( 8) : 60 － 64．( 霍向東，劉得櫓，王元立，等． CSP 工藝生產的低碳鋼中納米尺寸硫化物［J］． 鋼鐵， 2005( 8) : 60 － 64． )

來源：《鋼鐵釩鈦》 2016年第3期