熱軋圓鋼成簇裂紋機理研究

王成建（天津鋼鐵集團有限公司，天津300301）

0 引言

近年來，市場對棒材圓鋼表面質量要求的日益提高，對圓鋼表面質量的控制要求逐漸加強。天津鋼鐵集團有限公司（以下簡稱天鋼）棒材廠逐步優化產品結構，順應市場發展的形勢，使圓鋼品種鋼的生產比例提高到20%以上。隨著對圓鋼表面質量的認知程度迅速增長，在圓鋼生產過程中，尤其是品種圓鋼的開發過程中，發現圓鋼表面存在不同程度的成簇裂紋，造成下游客戶在穿管過程中出現翹皮、折疊、鍛打開裂等質量缺陷，影響了品種鋼的進一步開發拓展。

圓鋼表面成簇裂紋屬于一種黑皮狀態下難以發現的質量缺陷，需要在生產過程中持續跟進表面酸洗或者熱頂鍛才能有效檢測出來，因此在整個工藝流程的各個環節，進行了具有針對性的取樣化驗及對比分析，最終確定了天鋼棒材圓鋼表面成簇裂紋的形成原因，并進行了工藝優化，徹底消除了圓鋼表面成簇裂紋。

1 成簇裂紋的形貌

天鋼棒材生產圓鋼規格為Ф16～75 mm，主要產品結構包括普碳鋼、合金結構鋼、穿管用鋼、軸承鋼、彈簧鋼等[1]。在生產過程中，尤其是在開發品種鋼的檢驗過程中，發現部分爐次在表面酸洗和熱頂鍛后存在程度不等的裂紋。裂紋沿軋制方向縱向延伸貫穿整個試樣，呈現簇狀形貌，大部分缺陷對稱分布在圓鋼的兩側，少量為四簇或者一簇，如圖1所示。相同鋼種的情況下，規格越大，成簇裂紋的開裂程度越嚴重。鋼種的合金含量越高，成簇裂紋越明顯，一般普碳鋼較少發現或者開裂程度很輕，含Cr、Mo合金的鋼種開裂程度最為嚴重。因此，成簇裂紋具有一定的鋼種敏感性和規格敏感性。

圖1 35CrMo圓鋼表面成簇裂紋

圓鋼表面成簇裂紋對下游客戶在穿管、鍛打過程中會造成程度不同的開裂、折疊、翹皮等質量缺陷，尤其是品種圓鋼的使用要求非常嚴格，還會造成最終成品件的探傷不合格，是圓鋼開發中需要解決的一類非常重要的質量問題。為此，天鋼棒材根據成簇裂紋的特點進行了系統的機理研究和生產試驗，最終確定了成簇裂紋的成因機理，并從孔型設計和軋制噸位等入手，制定了工藝優化措施，徹底解決了圓鋼表面成簇裂紋的質量缺陷。

2 成簇裂紋成因機理分析

為了確認成簇裂紋的產生環節和成因分析，對典型的樣品進行了金相檢驗，并進行了生產軋卡試驗和跟蹤分析大數據對比，尤其是積累軋槽噸位的過鋼量分析，為制定合理的軋制噸位提供了可靠的參考價值。

2.1 金相組織檢驗

通過金相顯微鏡對典型試樣進行高倍分析，成簇裂紋具有一定的傾斜角度，深度為0.05～0.40 mm，少量深度達到0.60 mm。表面呈現多條開裂形貌比較粗糙不平，大部分裂紋根部圓滑，少量根部具有一定的分叉，存在少量氧化鐵皮，伴有很輕的脫碳，如圖2所示。

圖2 35CrMo成簇裂紋金相形貌

2.2 氧化鐵皮壓入對比試驗

經過金相組織檢驗成簇裂紋存在少量的氧化鐵皮，針對氧化鐵皮壓入分別進行了生產試驗對比。采取人為3支坯料,關閉水除鱗完全保留加熱氧化鐵皮進行軋制，將3支除鱗效果優良的坯料對比成品，以及粗軋半成品圓鋼表面成簇裂紋形貌。發現兩組試驗樣品均存在表面成簇裂紋，裂紋形貌和數量沒有根本性的差異。說明成簇裂紋不是圓鋼表面氧化鐵皮殘留造成，高倍檢驗裂紋處中少量氧化鐵皮屬于軋制過程中二次生成的氧化鐵皮。

2.3 方坯角部裂紋對比試驗

根據圓鋼具有四角對稱性的宏觀形貌，懷疑是由于方坯四個角缺陷造成。因此將2支12 m，20#鋼方坯分別打磨掉6 m長的四角，深度為5 mm，另外6 m予以保留，分別對照相應的圓鋼試驗驗證方坯四角對圓鋼裂紋的影響。針對試驗方坯，分別截取6架后坯料頭、坯料尾、圓鋼頭、圓鋼尾共8支試樣，分別做表面酸浸、熱頂鍛試驗。2支坯料均發現修磨與未修磨6架后頭尾、圓鋼頭尾沒有根本性差異，均發現成對稱性四簇裂紋。說明方鋼4個角不是圓鋼表面裂紋形成的原因，成簇裂紋的對稱特性是由軋制環節的對稱性造成的。

2.4 軋制規格對比分析

對生產過程中出現的成簇裂紋，按照規格大小進行了數據統計，如表1所示。小于Ф40 mm以下規格，出現成簇裂紋的比例最少，開裂程度也最輕，僅存在成簇裂紋的痕跡。Ф42~55 mm規格，出現成簇裂紋的比例逐漸增加，開裂程度逐漸加重，單比較細小。Ф58~75 mm規格，出現成簇裂紋的比例最大，開裂程度也最嚴重。規格越小，表面質量越好，說明成簇裂紋在初軋階段產生，在隨后的軋制過程中不具備擴展特性，隨著軋制而延長，深度減小，最后予以消除。大規格壓縮量小，在初軋形成的缺陷難以完全消除，最終留下痕跡。

表1 成簇裂紋按照規格統計比例

2.5 軋制品種對比分析

通過分析總結普碳鋼20#，合金鋼20Cr、35Cr－Mo、40Mn2，穿管用鋼 12Cr1MoVG、15CrMoG 等鋼種的成簇裂紋開裂比例和開裂程度,可以發現，普碳鋼的開裂比例遠遠少于合金鋼。含有Cr、Mo等合金的鋼種，成簇裂紋的比例和開裂程度最為嚴重。說明成簇裂紋的形成對于鋼種具有敏感性，這與鋼種在軋制變形過程中的金屬流動特性有直接關系。

2.6 軋卡試驗

經過前期的生產試驗，可以斷定成簇裂紋的形成在粗軋階段產生。為進一步驗證成簇裂紋產生的架次，進行了軋卡試驗，即人為主動停機，使鋼件停留在軋機里面，可以最大程度地還原軋件在各個機架的表面形貌，以此確定是哪架軋槽產生的成簇裂紋。

通過各個機架后中間坯酸浸檢驗可以發現，1～3架軋機后中間坯沒有相關的表面缺陷；4-6架軋機后中間坯，在4架后中間坯形成可見的四簇對稱的裂紋；5～6架軋機后中間坯形成明顯的對稱的成簇裂紋，并且與4架中間坯有完全對應關系，具體形貌如圖3所示。可以判斷圓鋼成簇裂紋形成的工序就是在4～6架軋機，重點是在4架軋機。4架后中間坯設計孔型為105 mm圓形，但在中間坯形成寬度很大的耳子，耳子兩側存在兩條光亮帶，伴隨一定程度的凹陷，此處圓鋼的變形很不均勻，說明此處金屬流動并未圓滑過渡。可以分析得出，4架金屬變形不均勻是造成成簇裂紋的主要原因，3架的孔型設計存在缺陷，這種中間凹，兩邊尖的孔型設計造成料型在4架金屬流動障礙，形成成簇裂紋，而且對4架的軋槽磨損嚴重不均勻也是形成成簇裂紋的主要原因，如圖4所示。

圖3 四架中間坯表面成簇裂紋

圖4 四架軋槽磨損形貌

圖5 3架孔型優化

3 改進措施

3.1 3架孔型設計優化

3架來料的料型造成軋件在4架金屬發生流動障礙，最終形成成簇裂紋。3架孔型設計中R角的設定值為10°，有利于提高中間坯由二架箱型料型進入三架時的穩定性，減少倒鋼的危險，但會造成角部金屬流動障礙，尤其是對于高合金品種鋼表現更為明顯。因此需對3架孔型設計進行修改，增加金屬角部的圓滑過渡，增加R角的設定值為35°，很大程度地減少了金屬流動障礙，提高了中間坯變形的均勻性，并且緩解了4架軋槽的磨損不均勻。3架孔型設計優化如圖5所示[2]。

3.2 軋槽過鋼量優化

成簇裂紋的形成與軋槽的磨損程度，尤其是不均勻磨損有很大關系，軋制圓鋼單槽過鋼量的制定就顯得尤為重要，因此對粗軋軋制噸位進行了減量調整，如表2所示。

表2 粗軋軋槽噸位優化

4 結論

通過系統的機理研究和生產跟蹤數據分析，尤其是通過軋卡試驗，對比各機架中間軋件的表面質量情況，查找出天鋼棒材圓鋼表面成簇裂紋的形成機理。由于3架孔型設計角部R值為10°，造成金屬流動障礙形成應力集中，對4架軋槽磨損不均勻，在鋼件表面形成不均勻裂紋后，經軋制形成圓鋼表面成簇裂紋。通過重新設計3架孔型，將角部R值優化為35°，大幅提高了中間坯的金屬流動性，減少了應力集中，提高了軋槽磨損均勻性；通過重新修訂粗軋單槽過鋼量，從根本上解決了天鋼棒材熱軋圓鋼表面成簇裂紋問題，為天鋼棒材開發品種圓鋼提供了強有力質量保障。