45鋼熱軋板鋸切開裂原因分析

王曉晶

（天津鋼鐵集團有限公司，天津 300301）

0 前言

45 鋼為優質碳素結構鋼，具有強度較高、易切削加工等特點，調質處理后綜合機械性能良好，被廣泛應用工程、機械等領域[1]。近期某鋼鐵企業接到下游客戶的反饋，該企業生產銷售的45 鋼熱軋板在鋸切加工過程中出現了沿鋸切方向開裂的問題，給企業的產品聲譽帶來不良的影響。能夠造成45鋼熱軋板鋸切開裂的原因有許多方面，為了準確查找引起此次45 鋼熱軋板鋸切開裂的原因，對鋸切開裂鋼板進行了取樣檢測。采用直讀光譜儀對開裂鋼板的化學成分進行了檢測，同時采用光學顯微鏡、掃描電鏡對開裂鋼板斷裂源的宏觀形貌、微觀形貌和金相組織進行了檢測。

本文以該企業45 鋼熱軋板鋸切開裂問題為研究對象，利用開裂鋼板的化學成分、宏觀形貌、微觀形貌和金相組織的檢測結果，對45 鋼熱軋板鋸切過程開裂的原因進行了分析，結合生產數據對檢測分析結果進行對比驗證，并在此基礎上提出了工藝改進措施。

1 開裂鋼板的宏觀形貌

該企業此次鋸切開裂的45 鋼熱軋板的厚度為140mm，鋼板在沿展寬方向切割至約3/4 處時發生開裂。圖1為45 鋼熱軋板鋸切開裂形貌和斷口宏觀形貌。由圖1（b）可以看出，在鋼板厚度方向的1/2處，裂紋源斷裂紋理呈放射狀散開。

圖1 45鋼熱軋板鋸切開裂形貌和斷口宏觀形貌

2 開裂鋼板理化檢測

圖2為鋼板裂紋源處取樣示意圖。根據斷口宏觀形貌觀察，在裂紋源處取尺寸為30mm×30 mm的試樣1，進行斷口化學成分、微觀形貌和金相組織分析；沿厚度方向取尺寸為30mm×140 mm 的試樣2，進行硬度檢測。

圖2 鋼板裂紋源處取樣示意圖

2.1 化學成分分析

使用ARL-4460型直讀光譜儀對開裂鋼板進行成分檢測，開裂鋼板試樣主要化學成分如表1所示。由表1可以看出，開裂鋼板試樣主要化學成分檢測結果符合工藝設計要求。

表1 開裂鋼板試樣主要化學成分

2.2 斷口微觀形貌分析

將斷口試樣置于酒精中利用超聲波反復清洗，烘干后放入掃描電鏡下對斷口裂紋源處進行觀察，觀察結果圖3所示。由圖3（a）可以看出，裂紋源處斷口平齊，為脆性解理斷裂，裂紋源存在原始缺陷。由圖3（b）可以看出，放大后觀察裂紋源處存在疑似自由凝固面，由于加工過程氧化較為嚴重，已經不太清晰。沿著裂紋擴展方向繼續觀察如圖3（c）所示，發現明顯的金屬凝固自由面。從解理面初步判斷試樣晶粒較大，如圖3（d）所示。

圖3 裂紋源處掃描電鏡觀察的微觀形貌

2.3 斷口金相組織分析

將斷口試樣磨制橫截面并進行拋光制樣，使用光學顯微鏡觀察，裂紋源處金相組織如圖4所示。由圖4（a）可以看出，裂紋源附近可發現三角形裂，裂紋邊緣圓滑，試樣上有較多硫化物夾雜，靠近板厚心部位置最為集中，將試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察，試樣整體晶粒粗大，斷裂源處無脫碳及氧化現象。由圖4（b）與圖4（c）對比可知，從鋼板表面向中心珠光體逐漸增多，板厚中心位置偏析明顯，組織表現為珠光體加成網分布的細鐵素體，珠光體團粗大，其他位置晶粒同樣粗大，表現為鐵素體加珠光體，組織均勻性較差。

圖4 裂紋源處金相組織

2.4 硬度檢測分析

根據GB/T 230.1-2018，使用洛氏硬度計沿著厚度方向從距離上表面20mm 開始每隔5mm 檢測兩點硬度取平均值，共計產生不同位置21 組硬度值。斷裂截面硬度變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，鋼板開裂區域平均硬度為176.1HRC，鋼板厚度方向上硬度分布不均勻，最大硬度為182 HRC，且出現在心部，最低的硬度為171 HRC，最大值與最小值相差9 HRC。

圖5 斷裂截面硬度變化曲線

3 分析與驗證

3.1 分析與討論

結合鋼板鋸切現場情況分析，鋸切過程鋼板除受切割鋸較小的沖擊外，鋼板本身沒有其他方向的受力，因此，可以排除鋸切過程外力致使鋼板開裂的可能。

金相組織檢測結果表明，試樣心部存在珠光體偏析區域，心部珠光體比例明顯高于周圍區域，同時硬度測量結果也驗證了偏析區域硬度高于周圍基體，這造成鋼板冷卻過程形成較大的組織應力。掃描電鏡下觀察裂紋源處存在裂紋缺陷，裂紋缺陷內部為金屬自由面，推斷此缺陷為鑄坯凝固過程形成的原始缺陷，而非軋制或者鋸切過程形成的裂紋缺陷。熱軋板冷卻過程組織應力與空洞缺陷共同作用，在空洞周圍形成應力集中，無法得到有效地釋放。

當鋸切外力接觸到空洞邊緣時，應力迅速釋放，周圍偏析區域由于珠光體比例高，硬度大、延展性性低，原始缺陷作為開裂源迅速向周圍延展。而此位置同時存在大量硫化物偏聚，破壞了基體的連續性，同時晶粒（珠光體團）粗大，晶界處的晶體排列不規則性小，晶面犬牙交錯性差，降低了晶間咬合力，因而減弱了金屬間的結合力，加速了裂紋的擴展，最終使鋼板在鋸切過程出現開裂情況。

3.2 生產數據分析

上述分析明確了鑄坯存在較為嚴重的中心偏析和中心疏松是引起本次45 鋼熱軋板鋸切開裂的一項重要原因。為了進一步查找45 鋼熱軋板鋸切開裂的原因，調取了問題鑄坯對應爐次的生產數據，對鑄坯的質量做了進一步的分析。

3.2.1 連鑄坯低倍檢測結果分析

此次鋸切開裂熱軋板生產所用鑄坯為該企業6月份生產的250mm×2100mm 斷面的45 鋼坯。出現質量問題爐次生產時連鑄機拉速為1.15 m/min，中包過熱度為20℃左右；同澆次質量正常爐次連鑄機拉速為1.10 m/min，過熱度為21℃，鋼中S 元素含量為0.007%。對出現質量問題爐次和同澆次質量正常爐次取低倍樣進行對比，低倍樣對比結果如圖6所示。通過工藝和成分對比可以看出，在S 元素含量、連鑄機拉速兩個關鍵因素上質量正常爐次均優于問題爐次。由圖6可以看出，問題爐次鑄坯同樣存在中心偏析和中心疏松，與正常爐次比存在明顯的差距，這也驗證了上述分析結果。

圖6 出現質量問題爐次和正常爐次鑄坯低倍

3.2.2 連鑄凝固末端動態輕壓下效果分析

對鑄坯凝固過程的中心偏析和中心疏松現象有多種理論解釋，每種理論均能很好地解釋某些特征，但卻不能完全解釋所有現象，目前對鑄坯中心偏析和中心疏松的理論解釋可以歸納為三類[2-3]。溶質元素析出與富集理論認為：凝固過程鋼中C、Mn、P、S 等元素選分結晶是偏析的根源；凝固橋理論認為：凝固后期柱狀晶搭橋后鋼液無法得到補充是形成縮孔、疏松和偏析等鑄坯缺陷的主要原因；鑄坯芯部空穴抽吸理論認為：由于凝固過程的體積收縮和鑄坯鼓肚形成空腔并產生負壓，富集溶質元素的鋼液被吸入空穴并凝固形成中心偏析。

目前該企業板坯連鑄機采用了鑄坯凝固末端動態輕壓下技術。一方面可以阻礙富含偏析元素的鋼液向鑄坯中心流動，并與后方鋼液形成對流，實現了溶質元素的再分配，從而消除中心偏析；另一方面能夠補償連鑄坯的凝固收縮量以消除中心疏松[4-5]。為了驗證輕壓下效果，本文利用奧鋼聯連鑄機軟件包中DYNAGAP Simulation System 對拉速在1.15 m/min，中包過熱度在20℃條件下，250mm×2100mm 斷面45 鋼鑄坯凝固過程進行模擬分析，模擬結果如圖7所示。鑄機輕壓下位置在9、10、11段，凝固末端在11 段，為了對比分析，調取了該批45鋼生產結束后下一日輥縫測量結果，輥縫精度測量數據如圖8所示。

圖7 45鋼凝固過程坯殼厚度、芯部溫度、表面溫度以及輕壓下區間模擬結果

45鋼作為中高碳鋼鑄坯兩相區較長，連鑄扇形段7～11 段的輥縫精度在對于鑄坯心部質量影響較為明顯。由圖8可以看出，在生產問題鑄坯時，扇形段輥縫精度偏差超過±0.5mm（紅色虛線所標記的范圍）工藝要求的情況普遍存在。而且扇形段8～11 段內輥縫偏差值呈拱形，扇形段7、8、10 段水平方向同樣存在偏差，同時不同扇形段與扇形段的接弧精度也存在較大偏差。這使得鑄坯凝固前沿脆性區域受力不均且反復受到壓-拉應力的變化，增加了裂紋和夾雜物偏聚的傾向。

圖8 輥縫精度測量數據

經測算在拉速1.15 m/min 時，動態輕壓下的壓下扇形段的9、10、11 段輥縫精度不理想，使得實際壓下量與工藝要求存在了偏差。由于扇形段10 段輥縫值與前后的9段和11段總體呈倒梯形，將在10段的壓下區域破壞凝固前沿富含溶質元素的鋼液回流效果，影響溶質元素的二次分配，無法有效改善偏析和疏松，甚至加劇裂紋產生傾向。

輥縫精度直接影響凝固末端和輕壓下狀態，這與鑄坯芯部空穴抽吸理論形成中心偏析的理論相吻合。經過試驗檢測、理論分析以及生產數據驗證，基本可以斷定本次鑄坯失效缺陷是由于鑄機輥縫精度不達標引起的。

4 結論

采用直讀光譜儀、光學顯微鏡和掃描電鏡對開裂鋼板的化學成分、斷裂源的微觀形貌和金相組織進行了檢測，利用檢測結果對45 鋼熱軋板鋸切過程開裂的原因進行了分析。為了準確查找45鋼熱軋板鋸切開裂的原因，調取了問題鑄坯的連鑄生產數據對檢測分析結果進行驗證，得出如下結論和建議。

（1）生產數據表明，在鑄坯凝固末端輕壓下過程中，扇形段的9、10、11 段輥縫精度不達標，造成鑄坯嚴重的中心偏析和疏松是此次成品45 鋼熱軋板鋸切開裂的主要原因。

（2）而中心缺陷處聚集的硫化物夾雜和粗大的珠光體團加劇了開裂的趨勢，為次要原因。

（3）為減少此類質量事故的發生，應將連鑄機扇形段的輥縫精度偏差調整至±0.5 mm 范圍內，保證輕壓下效果。