熱軋60Si2Mn彈簧扁鋼表面裂紋原因分析

易 贇

（1.方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012；2.中韻聯合集團股份有限公司，江西 贛州 341000）

彈簧鋼60Si2Mn是硅錳系合金彈簧鋼用途最大的一種，主要適用于汽車、拖拉機、摩托車等減震性零部件。某公司軋鋼廠彈扁線車間60Si2Mn彈簧扁鋼軋制出現多個爐次的平面、圓弧等表面裂紋。熱軋彈簧鋼如果存在表面嚴重缺陷、損傷，經后續熱處理加工，表面處理仍不能消除，將會導致彈簧鋼使用過程早期疲勞斷裂，降低彈簧鋼的使用壽命和安全性。本文對這批裂紋缺陷成因進行檢測分析，提出生產過程相應改進控制措施建議。

1 彈簧鋼生產及缺陷宏觀形態

圖1 彈簧鋼60Si2Mn表面缺陷低倍形貌

熱軋彈簧扁鋼60Si2Mn生產工藝流程：復吹轉爐冶煉-LF爐精煉-連鑄-步進式爐加熱-除鱗-粗軋-中軋-精軋-檢驗-分級、包裝-入庫。彈簧鋼在生產過程中，現場反饋連續多個爐號出現縱向斷續分布裂紋缺陷，較嚴重的缺陷長度約35-50cm集中表現在圓弧邊緣部位，截取出現裂紋缺陷的兩個爐號12110169D1、12110170D1規格90×25的彈扁試樣，經體積比1∶1鹽酸水溶液熱浸蝕，除去表面的氧化鐵皮。試樣經酸洗后，兩個爐號均在一側圓弧面出現縱向分布的裂紋缺陷，見圖(a)、圖(c)所示。爐號12110169D1的圓弧裂紋缺陷靠近平面一側，爐號12110170D1的裂紋缺陷位于圓弧中部。兩爐試樣在平面處除了可見輕微的類似劃痕特征的缺陷外，未見其他特征的裂紋缺陷。

2 試驗方法

對彈簧鋼表面進行缺陷形貌的宏觀分類，將選取有代表性的裂紋部位分別用金相砂輪切割機從扁鋼邊緣缺陷部位截取，試樣經研磨和拋光處理后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在Zeiss正置式光學顯微鏡上觀察。利用德國OBLF型光電直讀光譜儀對表面磨去脫碳層的彈扁試樣進行成分分析。

3 檢驗結果與分析

3.1 成分檢測

對彈簧鋼缺陷試樣進行成分分析，由表1分析結果，可以看出，兩個爐號彈扁元素C為含量中限，元素Mn、Cr接近中下限，元素P、S含量都較低，成分均符合國家標準。

3.2 金相分析

取裂紋缺陷位置試樣做顯微觀察分析。圖2(a)、(b)為爐號12110169D1試樣圓弧處裂紋顯微形貌，圖中(c)(d)、(e)(f)分別為爐號12110170D1的彈簧鋼1#樣、2#樣圓弧處裂紋缺陷顯微形貌。由金相高倍圖片，爐號12110169D1、爐號12110170D1的裂紋缺陷具有共同特征：裂紋附近未見擴散特征夾雜物，顯微組織為：珠光體+少量的鐵素體，未見其他異常組織。裂紋缺陷內部明顯可見存在填充物，經暗場觀察，裂紋內部填充物暗場不透明，邊緣有亮線，與氧化亞鐵的特征相符。裂紋缺陷邊緣存在不同程度的脫碳，裂紋局部邊緣有全脫碳。裂紋缺陷形態不規則，部分裂紋有明顯分支，出現二次裂紋特征或局部未貫通表面單個缺陷。所檢測試樣裂紋深度分別為：爐號12110169D1試樣深度0.76mm，爐號12110170D1的1#樣深度0.27mm，2#樣深度0.34mm。

圖3給出了，兩爐試樣平面裂紋缺陷取樣分析后的顯微形貌，圖(a)為爐號12110169D1試樣，圖(b)為爐號12110170D1試樣，深度分別為0.15mm、0.10mm。由圖中的裂紋形貌可以看出，平面裂紋均表現為開口較寬底部近似圓鈍，圖(a)圓形底部特征稍明顯，裂紋沒有明顯二次分支或繼續擴展的跡象，與圓弧裂紋差別較大。另一方面，由平面處裂紋缺陷與圓弧處缺陷顯微組織對比可以明顯看出，組織為正常熱軋組織珠光體+少量的鐵素體，但裂紋邊緣脫碳程度沒有圓弧處嚴重，沒有出現全脫碳現象且裂紋內部沒有填充物，其中圖(a)裂紋有明顯脫碳痕跡，圖(b)缺陷處于原始表面脫碳層以內，同時該缺陷的宏觀形態有一定的規律性，而圖(a)缺陷表現為隨機分布。

表1 60Si2Mn裂紋缺陷樣成分(%)

圖2 彈簧鋼圓弧裂紋缺陷組織形貌

圖3 彈簧鋼平面裂紋缺陷組織形貌

結合成分分析，顯微組織觀察缺陷處組織除脫碳外，未見晶粒和組織異常，表明不是由于鑄坯“過燒或過熱”引起。對圓弧裂彈扁爐次的坯料加熱時間和軋制工藝參數進行分析檢查，也未發現不按規程操作的現象。推測該批彈簧鋼表面質量問題中較嚴重圓弧裂紋及部分分布不規則的平面裂紋缺陷是由鋼坯原始缺陷并經軋制前加熱和過程余熱及形變應力下形成的，而部分深度較淺的則為軋制過程毛刺、導位或過鋼通道某部位加工不良等原因導致的劃傷。這是由于鑄坯缺陷如：表面氣孔、表面裂紋、皮下氣泡在加熱爐中被氧化，再經軋制被暴露和擴展形成，而裂紋周圍聚集分布的內部夾雜等內部缺陷促進了裂紋的進一步擴張。另一方面，在鑄坯裂紋、卷渣及皮下氣泡缺陷經可與外界連通后，在經加熱爐被進一步氧化并擴展形成，所以裂紋中就形成了氧化鐵為主的填充物。而裂紋周圍聚集分布的內部缺陷，部分與主裂紋貫通促進了其在軋制過程中擴張，再經多道次的軋制，多條裂紋連在一起，形成側圓弧邊裂、不規則形態裂紋。對于軋制工藝及設備穩定情況下，軋制缺陷表現為明顯較淺、規律性。圓弧側裂紋缺陷深度，爐號12110169D1深度0.76mm，爐號12110170D1深度0.34mm，已超出標準要求，表面平面裂紋較淺的一般可以采用修磨方式進行處理，類似圓弧處深度很深的裂紋，只能判廢。為了進一步證實推測，取與該軋批相關的爐號余下的彈簧鋼坯料進行追蹤分析。

3.3 連鑄坯檢測分析

據軋鋼現場反饋，爐號12110170D1彈扁坯料已軋完，所以取爐號12110169D1彈扁坯料5個流號進行分析，分別編號01#、02#、03#、04#、05#，經過鋸床切割、磨床磨制端面成常規低倍試樣進行鹽酸熱浸酸蝕。低倍組織評級縮孔0.5級，中心疏松1.0級，皮下氣泡0.5級，并發現02#、04#試樣鑄坯表面有明顯的縱向裂紋，見圖4(a)，圖(c)、(d)為04#樣鑄坯缺陷的顯微形貌，其余三個流號未見類似裂紋，鑄坯外側表面可見多個小氣孔，見圖4(b)。鑄坯裂紋缺陷顯微分析，可見裂紋邊緣組織脫碳嚴重，深度0.68mm。說明彈簧鋼連鑄坯坯料上存在間斷性淺表縱裂紋、表面氣孔等缺陷。從鋼材裂紋的分布部位、形態特征來看，與鋼坯裂紋分布特征相吻合，并軋制過程明顯的二次擴展，而原始氣泡類缺陷軋制擴展現象不明顯。

圖4 連鑄坯低倍及鑄坯缺陷處顯微形貌

4 結論與建議

彈簧扁鋼材上圓弧裂紋分布及高倍分析，裂紋的原始缺陷為連鑄坯縱向分布的表面裂紋缺陷，并在軋制過程中不均勻變形使得裂紋擴展，而平面裂紋則有可能為軋制劃傷或者是連鑄坯殘存的表面氣孔等缺陷軋制過程中暴露，一般軋制鋼板時產生的裂紋，其裂紋中只能產生輕微氧化，不能產生嚴重脫碳和點狀氧化物[1]。連鑄坯裂紋的形成是傳熱、傳質和應力相互作用的結果[2]。

鋼水過熱度過高或者過低都會容易導致縱裂紋產生，溫度過低會使渣膜導熱的不均勻將加重坯殼生長不均勻程度，過熱度高鋼水凝固推遲，鋼的整體溫度向第I脆性區移動，結晶器彎月面的熱流均勻性差，液面波動、二冷區冷卻水量控制等均會直接誘發鑄坯縱裂紋形成。

另一方面，熱軋鋼邊部裂紋是熱軋板生產中較易出現的一種缺陷，因為軋件圓弧邊部在展寬時，受附加的拉應力，而中間部分，受附加的壓應力，金屬的展寬越大，這種應力也愈大。如果軋件組織狀態和加熱軋制條件正常，則這些應力并不能影響軋件邊緣的完整性。

否則，尤其存在原始鑄坯缺陷時，軋件邊冷卻過程中溫度應力和組織應力變化容易產生新裂紋和沿原缺陷繼續開裂。鋼坯表面氣孔出現，中間包的烘烤效果不佳是重要的原因，由于涂抹層過厚或烘烤時間不夠，容易造成涂抹層內部過多的水分不能及時排出，連鑄時進入鋼水內部，鑄坯形成皮下氣泡、表面氣孔，軋制后形成斷續不規則分布直線裂紋。

由裂紋產生的原因分析判斷，建議采取一些控制措施：

（1）加強對結晶器保護渣檢驗，提高結晶器冷卻效果，結晶器按定額拉坯，控制好拉速，控制鋼水的過熱度。

（2）加強對鑄坯四個面質量及二冷區噴嘴的檢查，防止因冷卻不均勻坯料產生外形不正。

（3）在對連鑄坯低倍組織及表面質量增加針對性物檢，煉鋼工藝及時調節。

（4）提高設備安裝水平，確保兩立輥槽孔中心在同一水平線上。

（5）加強對精軋機組立輥軋機的檢查，保持軋制過程中恒張力，微套量控制。采取改進控制措施后，彈簧鋼熱軋后出現表面縱向嚴重圓弧裂紋的現象沒有再出現，平面裂紋也大幅降低。