棒材裂纹缺陷成因分析及整改措施研究

崔进忠，高天佐

(芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽芜湖 241000)

摘　要：裂纹是棒材产品中常见的缺陷，引起裂纹缺陷的原因很多，采用光学显微镜、SEM 扫描电镜及EDS 能谱仪等实验手段，对棒材产品中裂纹缺陷的成因进行分析研究。结果表明：引起棒材产品裂纹的原因分为四种：棒材基体内存在大量非金属夹杂物、表面脱碳、带状组织和硫化物夹杂。针对上述几种原因，通过优化炼钢、连铸工艺，电磁搅拌技术和脱硫工艺等措施，大大提高了棒材的成材率。

关键词：棒材；裂纹；夹杂物；带状组织；脱碳；硫化物夹杂

0　引言

近年来，随着国内装备制造业和加工业的飞速发展，对非标件的需求量日益提高，同时对结构用钢的加工性能也提出了更高的要求［1］。优质碳素结构钢大多应用在调质状态下，经调质处理后零件具备了优良的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，如连杆、齿轮、轴类及螺栓等。某厂生产的优质碳素结构钢Z近出现许多裂纹缺陷，前人对钢中裂纹缺陷进行了大量研究［2 － 4］。笔者针对此种裂纹现象，对优质碳素结构钢进行了质量检测分析研究，指出了裂纹产生的原因，并提出了相应的整改措施，为今后生产高质量的优质碳素结构钢提供了理论指导。

1　试样制备与分析方法

试验材料取自某厂的优质碳素结构钢( 如图1所示) ，棒材表面处用砂纸打磨后，很明显可以看到表面沿轧向的裂纹缺陷。在裂纹处切取小块检测试样，对切取的试样首先使用丙酮清洗，然后用超声波清洗器进行清洗。采用扫描电镜( SEM) 及能谱仪( EDS) 对裂纹缺陷处进行微观形貌观察及成分分析。对缺陷试样横截面进行粗、细砂纸研磨并抛光，用3%硝酸酒精腐蚀后在Axiovert200MAT 光学显微镜( OM) 上观察其显微组织。

2　典型裂纹缺陷的形成原因及整改措施

2.1 夹杂物引起的裂纹缺陷

钢中的夹杂物主要为非金属夹杂，其可分为脆性夹杂和塑性夹杂两类，脆性夹杂其形貌一般为局部聚集的颗粒状或尺寸不等的条链状; 而塑性夹杂一般为长条状或片层状［5］。夹杂物的来源、性质、形貌、分布位置以及含量等因素都会对钢材产品表面、内部质量及使用性能产生不同程度的影响。

图2为试样裂纹缺陷处的夹杂物形貌及能谱照片，由图2( a) 可知在裂纹缺陷处存在大型夹杂物，夹杂物呈颗粒状，由于夹杂物的存在，破坏了基体的均匀连续性，造成应力集中，因而夹杂物的所在之处往往易形成疲劳裂纹。由图2( b) 的成分分析可以看出，裂纹部位主要元素为Mg、Al、Ca、Na、K 和Si。其中Mg、Ca 两种元素为耐火材料中的典型元素，Al和Si 元素为硅铝酸盐夹杂物中的元素，Na 和K 为保护渣成分中的典型元素。故认为钢中存在中间包耐火材料、硅铝酸盐及结晶器保护渣等复合夹杂。

针对上述三种夹杂物应采取以下措施: 控制中间包内钢水过热度，优化吹氩工艺，保证钢液中的夹杂物聚集长大、上浮; 硅铝酸盐为脆性夹杂，可通过控制出钢时的脱氧操作防止钢包下渣，采用保护浇注防止二次氧化，采用炉外精炼技术、使用大容量中间包使夹杂物充分上浮等方法减少硅酸盐夹杂的来源; 防止中间包水口堵塞，减小结晶器液位的剧烈波动，以减小结晶器保护渣的卷入;严格执行浇铸制度，尽量避免敞浇，确保浇铸过程温度和拉速的稳定［6］。

2.2 脱碳引起的裂纹缺陷

脱碳分为部分脱碳和完全脱碳，钢中脱碳一般是由两种形式混合组成。钢中由脱碳引起的裂纹很容易发生在高碳及高锰钢中，热轧引起的脱碳带到后续工艺中很容易引起缺陷，奥氏体高碳高锰钢脱碳以后，表层组织变得不均匀。这不仅影响了钢的强度，而且影响其耐磨性，此外，不均匀变形造成裂纹缺陷，因此，必须注意防止钢表面脱碳现象的产生［7］。

棒材裂纹处表面脱碳的金相照片如图3 所示。由图3 可知，在金相显微镜下观察试样的横截面，可以清楚地看到一个小裂纹缺口，裂纹缺陷处试样表面脱碳较为严重，且组织出现不均匀现象，靠近裂纹缺陷处晶粒明显比正常位置的细小。?钢材表面出现脱碳以后，由于表层与心部的碳含量、组织及线膨胀系数均不相同，因此棒材淬火时所发生的不同组织转变及体积变化将引起很大的内应力，棒材表层经脱碳后强度下降，淬火过程中棒材表面易产生裂纹; 另外棒材表层脱碳降低了碳含量，淬火后近表面不能出现马氏体转变，经过回火工艺，不能得到回火马氏体组织，这样必?使棒材达不到所要求的硬度，大大降低了棒材表面的耐磨性。

棒材的脱碳受加热时间、加热温度、炉内气氛等多种因素的影响。工业生产时，尽可能地降低钢的加热温度以及在高温状态下停留的时间; 必要时在加热炉中添加保护气体，防止钢坯的氧化;在炉体内加木炭，降低炉内O2和H2O 的含量，减少脱碳; 在钢坯表面涂一层防氧化材料，可有效避免脱碳［8］。

2.3 带状组织引起的裂纹缺陷

带状组织属于钢材内部缺陷［9］，常常在热轧低碳钢显微组织中出现，沿轧制方向平行排列，一条铁素体晶粒带与珠光体晶粒带相间分布。由于带状组织的出现造成钢各向异性，降低了钢的力学性能、切削性能、淬透性，钢经过淬火后不能得到完全的马氏体组织，出现混晶组织，大大降低了钢的强韧性。因此，针对带状组织缺陷应提早采取措施，防止带状组织的出现。

由图4 可知，试样表面的显微组织为铁素体+珠光体，从图4 可明显看出，组织为带状组织，其带状组织按照GB /T13299—1991 评级为4．5 级，已经超出国家标准中要求的范围。带状组织是由于铸坯在凝固过程中合金元素发生偏析，形成合金元素贫化带和富化带，在奥氏体相变过程中，过饱和的C原子发生再分配现象，造成碳和合金元素的贫化带及富化带，经轧制缓冷后，在碳和合金元素的贫化带首先形成先共析铁素体，然后以铁素体为主，在铁素体带两侧形成珠光体偏析带，这样铁素体带和珠光体带交替形成了带状组织。马氏体相变不均匀应变，造成晶界处局部应力集中，从而削弱晶界间结合，而带状组织会进一步恶化晶间结合力，淬火时产生裂纹。奥氏体组织转变为马氏体时，体积发生膨胀，导致马氏体相变不均匀应变，造成晶界处局部应力集中，从而削弱晶界间结合力甚至出现微裂缝，在淬火时造成沿原奥氏体晶界扩展的沿晶断裂。合金元素的偏析可以削弱晶界间结合力，带状组织的存在进一步恶化了晶界结合力，从而在淬火时产生裂纹。

为了消除带状组织，应从根源上采取措施: 优化炼钢、连铸工艺，避免铸坯内枝晶偏析的产生。在连铸过程中可通过控制钢水过热度，适当降低浇铸温度; 采用电磁搅拌打碎树枝晶，扩大等轴晶区; 控制二冷区水量，水量不易过大，减小柱状晶区宽度; 优化拉坯速度等措施，从坯料的源头避免带状组织的出现。

2.4 硫化物引起的裂纹缺陷

图5 为硫化物引起裂纹缺陷的金相组织及电镜分析。从图5( a) 可见，试样室温下金相组织由铁素体+ 珠光体组成，明显可以看到一条长条状的夹杂物，夹杂物呈现灰色。由图5( b) 电镜及图5( c) 能谱检测可知: 分布在缺陷处的夹杂物多数呈圆球状，尺寸一般都在10 μm 以上，夹杂物所含元素有: O、Si、S、Ca。

硫化物夹杂属于塑性夹杂，具有较高的延展性，在钢材轧制过程中，沿轧制方向伸长变形，由球状变成长条状。硫化物夹杂造成的裂纹缺陷受很多方面的影响，其中以硫化物的数量与尺寸影响为主，一般在裂纹缺陷处可以观察到数量较大，尺寸较长的硫化物，硫化物与基体是结合力相对较弱地机械结合，当硫化物周围产生应力疲劳时，硫化物与基体会在很短时间内分离，产生空洞，使得硫化物成为微裂纹的发源地。在轧制过程当中，塑性硫化物在轧制压力下会随之变形，产生与硫化物尺寸有关的细长状滑移带，由于滑移带上位错的阻塞，夹杂物会在应力集中的基体处更早的发生开裂现象，产生空洞，空洞相互汇合成微裂纹，同一平面内的微裂纹互相连通，造成了裂纹缺陷［10］。

解决此类裂纹缺陷的主要措施如下: 优化脱硫手段，在变质剂当中添加适量的钛和钙，使硫含量降低及硫化物尺寸减小; 优化连铸工艺，抑制硫偏析，使钢的性能更稳定; 炼钢过程当中，在不断搅拌的同时保证充足的吹氩时间，使得夹杂物上浮。

3　结论

1) 棒材的裂纹处夹杂物主要为中间包耐火材料、硅铝酸盐及结晶器保护渣等复合夹杂。通过控制中间包内钢水过热度，优化吹氩工艺; 采用保护浇注防止二次氧化、采用炉外精炼技术; 防止中间包水口堵塞，减小结晶器液位的剧烈波动; 严格保证浇铸制度，尽量避免敞浇，确保浇铸过程温度和拉速的稳定。

2) 棒材脱碳严重时引起表面裂纹，通过降低钢的加热温度以及在高温状态下停留的时间，必要时在加热炉中添加保护气体，防止钢坯的氧化; 在炉体内加木炭，降低炉内O2和H2O 的含量，减少脱碳;在钢坯表面涂一层防氧化材料，可有效避免脱碳。

3) 带状组织是由于合金元素的偏析形成的，通过优化炼钢、连铸工艺，避免铸坯内枝晶偏析的产生。在连铸过程中可通过控制钢水过热度，采用电磁搅拌技术，控制二冷区水量，优化拉坯速度等措施，从坯料的源头避免带状组织的出现。

4) 硫化物引起的裂纹缺陷，通常会在裂缝处观察到一些球状夹杂物，硫化物与钢基体结合力较弱，当出现应力集中时，容易与基体分离产生裂纹源。通过优化脱硫手段、优化连铸工艺、抑制硫偏析，炼钢过程中，在不断搅拌的同时保证充足的吹氩时间，使得夹杂物上浮。

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来源：《钢铁钒钛》 2016年第3期