新型貝氏體中空鋼生產過程缺陷分析與預防

程巨強

（西安工業大學材料與化工學院，陜西西安710032）

新型貝氏體中空鋼生產過程缺陷分析與預防

程巨強

（西安工業大學材料與化工學院，陜西西安710032）

對新型貝氏體中空鋼在生產過程中出現的熱軋棒料裂紋和斷裂，熱穿-熱軋中空鋼的內孔皺褶、表面重皮、內孔脫碳、組織粗大等缺陷的原因進行了分析，并提出防止缺陷產生的措施。結果表明：深入了解貝氏體鋼的組織和性能特點，制定合理的棒料熱軋工藝和中空鋼熱穿-熱軋工藝，可以避免貝氏體鋼棒料及其中空鋼制造過程的缺陷。

中空鋼；新型貝氏體；熱軋棒材；熱穿-熱軋；組織分析；內孔皺褶；重皮；脫碳

目前，中空鋼及其管材生產的主要方法有鋼坯熱穿-熱軋法、鋼坯鉆孔熱軋或鉆孔后帶芯棒熱軋法等［1-3］。新型貝氏體鋼組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，消除了典型貝氏體鋼組織中碳化物對鋼韌塑性的不利影響，在具有較高強度的同時具有良好的韌性，廣泛應用于礦山機械、工程機械、石油機械等方面的結構件制造［4-8］。在貝氏體中空鋼的生產過程中，容易出現一些質量問題，具體表現為棒料軋制過程中出現裂紋，矯直過程中棒料出現內裂紋及斷裂，熱穿-熱軋中空鋼制造過程中出現內孔皺褶、外表面重皮等，影響了貝氏體鋼管材的質量和使用壽命。為此，針對新型貝氏體鋼棒料熱軋、中空鋼熱穿-熱軋過程的特點，分析新型貝氏體中空鋼生產過程的特點，提出解決問題的方法，為其生產提供質量保證。

1 力學性能與組織

新型貝氏體中空鋼的生產流程為：電爐煉鋼→連續鑄造（200 mm×200 mm方鋼坯）→鋼坯加熱→熱軋成Ф65 mm棒料→棒料表面扒皮→棒料下料并定心→棒料感應加熱→二輥斜軋穿孔→三輥軋管減徑成中空鋼→冷床冷卻→精整。采用國內某鋼廠生產的貝氏體鋼棒料，通過上述生產流程生產的Ф45mm中空鋼經920℃正火+320℃回火熱處理后的力學性能見表1，從表1可以看出，新型貝氏體中空鋼具有較高的強度和韌性。

Ф45 mm新型貝氏體中空鋼的力學性能試樣取樣位置及其顯微組織如圖1所示。顯微組織是其經熱穿-熱軋+920℃正火+320℃回火熱處理后的組織。從圖1可以看出：新型貝氏體中空鋼熱處理后的組織為細片狀組織（圖1b），結合X射線衍射儀和透射電鏡觀察，正火+低溫回火狀態的組織為貝氏體鐵素體和奧氏體，奧氏體呈薄膜狀分布在貝氏體鐵素體板條之間（圖1c）。貝氏體鐵素體板條中穩定存在的奧氏體可以提高鋼的韌性和加工硬化效果，提高中空鋼產品的使用壽命。

2 棒料生產過程中出現的問題

2.1 熱軋裂紋

根據實際生產現場觀察，軋制過程中部分棒料表面出現裂紋。熱軋過程產生表面裂紋的原因：一方面為熱軋開始溫度偏低或鋼坯加熱溫度不均勻，造成軋制應力過大形成裂紋；另一方面在軋制過程中，冷卻軋輥的冷卻水量過大，過量的冷卻水直接冷卻軋件上表面，使連鑄坯料表面溫度過度降低而出現表面發黑的現象，溫度過低，軋制的變形抗力增加，出現裂紋。在這種情況下，適當提高軋制溫度，增加均熱保溫時間，棒料表面裂紋可得到改善。但在實際的生產中，提高開始軋制的溫度后，冷卻軋輥的冷卻水過大，對軋件冷卻作用過強，導致裂紋仍然存在；即使是碳鋼（如45鋼），由于在軋制過程中冷卻軋輥的冷卻水過量，軋件表面過分冷卻，同樣會出現表面裂紋。

2.2 矯直過程出現的裂紋與斷裂

在貝氏體鋼棒料定尺下料過程中出現的斷裂及其裂紋如圖2所示。棒料的斷口均為斜斷口（圖2a），肉眼觀察棒料表面并無缺陷，斷口組織較細致，存在一定的剪切唇（圖2b），無氧化色，應該不是熱軋所致，而是冷加工造成，與冷矯直過程中產生的內裂紋有關。從斷裂端面裂紋的走向觀察，斷裂過程都是從內部開始，說明內應力極大。據了解，在貝氏體鋼生產過程中，由于在中溫溫度范圍貝氏體鋼淬透性較高，在發生貝氏體轉變的溫度350～500℃范圍，組織中存在大量的奧氏體組織，軋制工藝要求熱軋之后進緩冷坑緩冷，吊運的吸盤由于材料組織中過多奧氏體的存在，吸不住坯料，造成緩冷困難，在軋制線冷床冷卻后棒料組織會得到新型貝氏體組織，使棒料的硬度偏高，冷卻到室溫矯直時，由于棒料的硬度較高，因此矯直困難。加之生產單位在沒有高溫回火處理的情況下便進行矯直，矯直過程因坯料硬度過高，抗力過大，產生矯直裂紋。在冷矯直過程中曾出現部分棒料端頭有裂紋和掉頭的情況，斷裂的形貌與圖2所示情況一樣；因此，貝氏體鋼下料過程中出現的斷裂與棒料熱軋態后緩冷效果差或沒有進行高溫回火，造成棒料硬度偏高，冷矯直產生內裂紋有關。

圖1 新型貝氏體中空鋼的力學性能試樣取樣位置及其顯微組織

用砂輪鋸截取斷裂附近的棒料，在砂輪切割時，發現內部的裂紋如圖2（c）所示。取Φ60 mm× 20 mm圓片試樣，一個端面磨削后存在裂紋，而另一個端面沒有裂紋，且裂紋隨時間不斷擴展（圖2c），這說明材料內部存在較大的內應力，冷矯直使貝氏體鋼棒料出現內裂紋，裂紋并不是貫通整個棒料，而是有一段長度，似乎與冷矯直時局部過度矯直情況相吻合。

圖2 棒料定尺下料過程中出現的斷裂及其裂紋

從組織方面考慮，由于貝氏體棒料熱軋后緩冷效果差，加之沒有進行高溫回火處理，熱態組織中存在較多的奧氏體，又沒有進行奧氏體穩定化處理，因此冷矯直時，在應力作用下會發生馬氏體轉變或冷加工硬化，硬度升高，造成較大的應力而產生內裂紋。為避免矯直發生裂紋及斷裂，生產廠家在貝氏體鋼生產過程中，如果沒有回火設備，熱軋后應采取措施進行有效緩冷；有回火熱處理設備，熱軋冷卻后應及時進行高溫回火熱處理，降低棒料的硬度，以利于后續矯直及其坯料的下料操作。

觀察棒料的低倍組織及其硬度檢測，斷裂的圓棒料經過砂輪鋸割取試樣，取厚20 mm圓片，酸洗后觀察低倍項目均滿足標準要求。熱軋斷裂低倍試片端面及其硬度測試結果如圖3所示，可以看出：圖3（a）所示組織存在明顯的腐蝕程度差異，肉眼和金相觀察沒有明顯缺陷，但暗色區（劃線區域）組織和其他區域相比，極為細化，硬度較高，為45～46 HRC，其余區域硬度為34～35 HRC。由于供貨狀態是熱軋緩冷后矯直，硬度不均說明局部產生了加工硬化，加工硬化與棒料冷矯直過程的局部變形有關。圖3（a）試樣在進行680℃下4 h回火后，暗色區域有所改善，雖然還存在（圖3b），但硬度降低，說明高溫回火能夠降低硬度，促使加工硬化消失。920℃正火處理，試樣表面的暗色區域消失（圖3c），組織腐蝕程度均勻，說明奧氏體化后空冷組織均轉變為新型貝氏體組織，試片的硬度提高且硬度分布均勻；因此，暗色區域應該不是宏觀成分偏析，因為宏觀偏析是無法用高溫回火和正火熱處理方法來消除的，用熱處理消除時只能用高溫長時間擴散退火。生產實踐證明：熱軋棒料經高溫回火之后再進行矯直，不會出現上述情況。

圖3 熱軋斷裂低倍試片端面及其硬度測試結果

3 熱穿-熱軋中空鋼生產過程中出現的問題

貝氏體中空鋼在熱穿-熱軋制造過程中出現的缺陷主要有表面裂紋、表面重皮、穿孔內孔皺褶、熱穿內孔脫碳、組織粗大等，如圖4所示。

圖4 貝氏體中空鋼熱穿-熱軋過程出現的主要缺陷

圖4 （a）所示為熱穿-熱軋前感應加熱過程形成的裂紋，結合棒料矯直過程中出現的裂紋，認為感應加熱形成裂紋是由于原棒料熱軋后緩冷效果不理想，矯直前沒有進行退火處理或高溫回火，導致棒料冷矯直時產生內裂，內裂紋造成穿孔毛管感應加熱過程中裂紋擴展而產生表面裂紋。

圖4（b）所示為同一批料熱穿-熱軋成六邊形截面中空鋼表面產生的裂紋，該裂紋的產生與棒料表面裂紋和內裂有關。為了驗證由于冷矯直產生內裂造成熱穿-熱軋中空鋼的裂紋和斷裂缺陷，用未經矯直的棒料直接熱穿-熱軋制造中空鋼和高溫回火后熱穿-熱軋中空鋼，結果發現中空鋼在熱穿-熱軋加熱過程中并未出現表面裂紋。

熱穿-熱軋過程中表面重皮的出現是與棒料表面存在裂紋和缺陷有關，裂紋和缺陷在熱穿-熱軋過程中造成材料組織不連續，軋制過程中易分層形成重皮（圖4c）。通過嚴格檢查熱穿坯料的表面質量，對熱穿前的棒料進行扒皮處理，可預防熱穿-熱軋表面重皮的出現。

熱穿-熱軋過程出現內孔皺褶（圖4d），首先與坯料熱穿過程中穿孔頂頭輾軋段表面產生龜縮、起皺凸出有關，其在熱穿管內壁產生凹痕，該凹痕在隨后的減徑過程中容易形成皺褶；其次，內孔皺褶與熱穿孔后減徑比過大有關，減徑比過大時，中空鋼外徑大幅度壓縮，內孔緊縮，內表面在減徑變形過程中產生收攏、壓縮、堆擠變形，容易產生皺褶和凸起［9-11］。預防皺褶產生的措施有：熱穿孔頂頭表面質量變差時及時更換頂頭；選擇合適的減徑比；增加減徑過程中內孔變形的均勻性，采取帶芯棒軋制等。分析帶有皺褶中空鋼的截面，發現皺褶只是中空鋼內表面表層的加工缺陷，缺陷尖端圓鈍（圖4e）并非裂紋缺陷，該缺陷在內表面存在，影響內表面光潔度，對于中空釬具產品，由于工作時承受較大的沖擊、扭轉和彎曲變形，嚴重的內孔皺褶（圖4f）容易形成疲勞裂紋源，降低釬具的疲勞強度，影響釬具的使用壽命，應引起足夠的重視。

熱穿-熱軋過程中出現的內孔脫碳主要與軋制工藝有關，如棒料熱穿時加熱溫度過高，穿孔后造成內孔碳的燒損，出現內孔脫碳（圖4g）；另外，更重要的還與棒料穿孔時的頂頭形狀和表面質量有關，頂頭形狀變差或表面質量不佳時，在熱穿孔過程與棒料孔壁會產生較大的摩擦熱，過高的摩擦熱造成內孔溫度升高，出現過熱，增加脫碳傾向。可見，嚴格控制棒料的加熱溫度，改善頂頭表面的質量，預防內孔表面出現過熱，可以減少脫碳傾向。過量的內孔脫碳，在隨后熱處理過程中會因里外層體積變化而容易產生內孔表面裂紋，降低材料的疲勞強度，生產過程中應嚴加控制。

熱穿-熱軋中空鋼組織中出現粗大組織，甚至穿晶組織（圖4h），與穿孔過程中坯料加熱溫度過高，或穿孔頂頭的摩擦熱過大有關，坯料熱穿時溫度過高，組織會過度長大，形成粗大的板條；另外還與熱穿前加熱溫度的均勻性、變形的不均勻性有關。提高棒料的加熱質量和增加變形的均勻性，控制軋制溫度，以及穿孔頂頭具有良好的表面質量，才可以避免中空鋼粗晶組織的出現。

4 結論

（1）新型貝氏體鋼材料熱軋后空冷及熱處理態的組織由貝氏體鐵素體和奧氏體組成，具有良好的強韌性配合。

（2）熱軋棒料過程中出現的裂紋與軋制過程的坯料溫度有關，適當的軋制溫度和保持坯料軋制較高的溫度有利于防止軋制裂紋；下料過程中出現的裂紋與冷矯直前坯料的硬度過高有關，熱軋后有效的緩冷或高溫回火處理可預防矯直裂紋的產生。

（3）貝氏體中空鋼在熱穿-熱軋過程中出現的缺陷與熱穿時坯料的溫度、熱軋時的減徑比、坯料表面質量、穿孔頂頭表面質量有關，通過采取合適的加熱溫度和減徑比、保證頂頭熱穿過程的表面質量等措施能夠預防熱穿-熱軋中空鋼過程產生缺陷。

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Analysis and Prevention of In-process Defects of New Type Bainitic Hollow Steel

CHENG Juqiang
（College of Materials Science and Chemical Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

Analyzed in the paper are the causes for all the major defects as occurring during the manufacturing process of the new type bainitic hollow steel，including crack and fracture of the hot-rolled bar，and defects of the hot-pierced-rolled hollow steel such as inner surface fold，outer surface double skin，inner surface decarburization and coarse-grained microstructure.Accordingly，preventive actions against such defects are proposed.It is concluded that the above mentioned in-process defects as staying with the bainitic steel bar and hollow steel can be prevented by means of establishing proper steel bar hot-rolling process and hollow steel hot-piercing/hot-rolling process based on an in-depth understanding of the microstructure and performance characteristics of the bainitic steel.

hollow steel；new type bainitic；hot-rolled steel bar；hot-piercing/hot-rolling；analysis of microstructure；inner surface fold；double skin；decarburization

TG335.7

B

1001-2311（2014）06-0048-05

2014-01-08；修定日期：2014-07-10）

程巨強（1963-），男，博士，教授，主要從事高強度鋼鐵材料及非鐵合金的研究、開發與應用工作。