15CrMo G鋼棒材裂紋成因分析

沈冬冬,袁澤喜

(武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

15CrMo G鋼棒材裂紋成因分析

沈冬冬,袁澤喜

(武漢科技大學材料與冶金學院,湖北武漢,430081)

針對某鋼廠生產的15CrMoG包晶鋼棒材表面易出現縱裂紋的現象,采用金相顯微鏡和掃描電鏡對裂紋試樣進行觀察和分析。結果表明,15CrMoG包晶鋼棒材表面縱裂紋的產生主要是由于Al和Si氧化物夾渣分布于鋼坯的表層下面,在軋制過程中由于應力沿A l和Si氧化物夾渣處集中而使試樣產生裂紋。

15CrMoG鋼;表面裂紋;保護渣

連鑄坯表面縱裂紋是一種常見的冶金缺陷,其產生機理到目前還沒有統一的定論[1],它的出現嚴重影響了鑄機的產量和鑄坯的質量,輕者須進行精整處理,嚴重的將導致漏鋼的發生或鑄坯報廢,從而影響鑄機作業率和金屬收得率,增加了生產的成本,同時也會干擾正常的生產計劃[2]。本文針對某鋼廠生產的15CrMo G鋼連鑄坯在連軋過程中表面出現大量裂紋且產品合格率低的現象,采用金相顯微鏡和掃描電鏡對裂紋試樣進行觀察和分析,以期為研究連鑄坯表面縱裂紋的產生機理提供依據。

1 試驗材料與檢測

試驗材料為某鋼廠生產的15CrMo G鋼。該鋼主要生產流程為鋼水電爐出鋼后,通過LF精煉,微調成分、溫度,再送往鋼包回轉臺,經連鑄機連鑄成鑄坯斷面為210 mm×240 mm的方坯。將鋼坯分別軋制成φ100 mm和φ75 mm的棒材,在兩種棒材上各截取長250 mm的試樣,分別標記為1#和2#試樣。

將1#試樣表面打磨處理光潔后進行液體滲透檢驗,發現明顯表面縱裂紋,將裂紋截斷取橫向檢驗試樣。由于2#試樣表面肉眼觀察不到裂紋,直接在先前探傷(鋼廠自檢)出的裂紋位置取樣。將兩種試樣經磨制拋光后,利用NANO SEM 400場發射掃描電鏡重點針對裂紋內部、尖端、周圍以及遠處的異物和夾渣進行能譜分析,判斷夾渣和夾雜物種類及形態。將試樣磨制拋光并用體積濃度為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后在NU 2型金相顯微鏡下觀察其顯微組織。

2 結果及分析

2.1 試樣橫截面裂紋SEM照片及EDS分析

1#試樣表面縱裂紋的SEM照片如圖1(a)所示。2#試樣裂紋部位的SEM照片如圖1(b)所示。

圖1 試樣裂紋的SEM照片Fig.1 SEM images of surface cracks in the test steel

圖2所示為1#試樣裂紋不同位置(見圖1 (a))的能譜圖。由圖2中能譜分析結果可知,1#試樣裂紋內部C含量很高,A l、Si和Ca的氧化物夾渣較多,還有少量M g的化合物;裂紋周圍不同部位(位置1和位置2)處分別有大量的硅鐵和硫化錳等夾雜物;試樣中遠離裂紋的部位也存在A l、Si的氧化物夾渣;在試樣裂紋尖端處未發現夾雜物存在。

圖2 1#試樣裂紋不同位置的能譜圖Fig.2 EDS patterns of the surface cracks in Sam ple 1

2#試樣裂紋處的SEM照片和能譜分析結果如圖3所示。由圖3中可知,2#試樣裂紋內部主要為A l、Si和Ca的氧化物夾渣并存在M g的化合物,C的含量較高;裂紋周邊部位存在硅鐵、M nS及A l、Si、Ca的氧化物等夾雜物。

圖3 2#試樣裂紋的SEM照片和能譜圖Fig.3 SEM image and EDS patterns of the surface cracks in Sam ple 2

2.2 試樣橫截面金相分析

兩種試樣的金相組織如圖4所示。從圖4中可以看出,1#試樣裂紋深度大約為0.3 mm,金相組織為珠光體和少量的魏氏體,試樣裂紋周圍及鋼材外表面無明顯脫碳;2#試樣裂紋深度大約為0.4 mm,金相組織為珠光體,裂紋周圍及鋼材外表面都有明顯脫碳。從圖4中還可以看出,兩種不同直徑的棒材裂紋均是穿晶形成的。

圖4 試樣的金相組織Fig.4 M icrostructures of the test steel

3 裂紋成因分析

綜合以上分析可知,1#試樣產生裂紋的主要原因是鋼坯中A l和Si氧化物夾渣分布于鋼坯表層下面,在此后的連軋過程中,隨著棒材直徑逐漸減小,A l和Si氧化物夾渣逐漸露頭,在A l和Si氧化物夾渣集中處產生裂紋。

A l、Si元素的氧化物可能是由于澆注過程中結晶器保護渣的流動性惡化,結晶器內鋼水表面的波動大,鋼水的流動不合理,浸入式水口插入結晶器深度不夠或者傾角過小,將保護渣卷入到坯殼中形成夾渣[3]。由于弧形連鑄時內弧面鋼液凝固速度快,夾渣物聚集長大機會少,因而其尺寸較小,不易從鋼液中上浮而富集在鑄坯的表層下面。夾渣形成以后,在連軋過程中,夾渣物逐漸露出鋼材表面,在應力作用下沿夾渣集中處形成裂紋。為防止這種裂紋的產生,可重新設定浸入式水口插入深度,避免卷渣現象,同時也要防止插入過深引起結晶器流場變差,嚴格操作規范,避免浸入式水口不對中。

2#試樣的裂紋處存在的A l、Si元素的氧化物夾渣可能也是保護渣卷入到了坯殼中形成的。其裂紋處存在脫碳,說明軋制前鑄坯表面上已存在裂紋。鋼的氧化和脫碳是同時進行的,鋼材表面的裂紋中氧化及其周圍產生的脫碳是鋼坯在加熱過程中產生的[4],這是鋼材表面裂紋來源于鋼坯的判據。如果在軋制過程中產生裂紋,裂紋中只可能存在輕微氧化,不會產生脫碳和點狀氧化物,因為脫碳的形成要滿足兩個基本條件:①要有較高的溫度(700～800℃以上);②要有足夠的時間讓碳原子由內向外發生擴散,與空氣中的氧形成CO或CO2氣體,導致裂紋周圍脫碳。據此,由前面的能譜檢測結果可以斷定2#試樣的表面縱裂紋來源于連鑄坯。

此外,1#、2#試樣的裂紋中C的含量均很高,這可能有兩個原因:一是為了降低熔點,在結晶器保護渣中加入了石墨或炭黑[5],其隨保護渣被卷入到坯殼;二是因為中間包的耐火材料層在鋼液的浸蝕和反復沖刷下剝落到鋼液中[6]。而1#、2#試樣的裂紋周邊的硅鐵等夾雜物,可能是由于煉鋼過程中,鋼液進行脫氧時,加入的硅鐵過多,沒有完全與氧反應,因而在鋼液中生成一定數量的夾雜物。1#和2#試樣裂紋周邊的M nS是鋼中典型的非金屬夾雜物。

此外,1#和2#試樣表皮下遠離裂紋處存在的硅鐵、硫化錳及A l、Si、Ca的氧化物等夾雜物,可能在軋制過程中露頭,形成新的裂紋源,在應力的作用下擴展成新的裂紋。

4 結論

(1)15CrMoG鋼棒試樣表面裂紋產生的原因主要是由于A l和Si氧化物夾渣分布于鋼坯的表層下面,鋼管在軋制過程中由于應力作用,在A l和Si氧化物夾渣集中處產生裂紋。A l和Si氧化物夾渣主要是結晶器中的保護渣卷入鋼液中造成的。試樣中的C主要是隨結晶器保護渣和中間包耐火材料進入鋼液中的,而硅鐵等夾雜物是煉鋼過程中多余的脫氧劑在鋼液中生成。

(2)試樣表皮下的硅鐵、M nS及A l、Si、Ca的氧化物等夾雜物可能在軋制過程中形成新的裂紋源。

[1] 范鼎東,朱瑞田,焦興利.低合金結構鋼圓錠縱裂紋的控制[J].特殊鋼,2000,21(1):40-43.

[2] 修立策.連鑄坯表面縱裂紋原因分析及控制措施[J].煉鋼,2007,23(3):27-31.

[3] 王新華.鋼鐵冶金-煉鋼學[M].北京:高等教育出版社,2007:359.

[4] 王廣生.金屬熱處理缺陷分析及案例[M].北京:機械工業出版社,2000:150-154.

[5] 盧盛意.連鑄坯質量[M].北京:冶金工業出版社, 2005:194-198.

[6] 李楠.耐火材料與鋼鐵的反應及對鋼質量的影響[M].北京:冶金工業出版社,2005:26-29.

Causes of surface cracks in the 15CrMoG steel

Shen Dongdong,Yuan Zexi
(College of Materials Science and Metallurgical Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

The formation mechanism of the surface cracks in the 15CrMoG steel is analyzed in this article by using the op tical microscope and the scanning electron microscope.The results show that the reason leading to the surface cracks is the oxide of A l and Si w hich distribute under the surface.The cracks are found along the oxide of A l and Si during the rolling.

15CrMoG steel;surface cracks;mould pow der

TF704.7

A

1674-3644(2010)05-0478-04

[責任編輯 鄭淑芳]

2010-06-30

沈冬冬(1978-),男,武漢科技大學講師,博士.E-mail:shendd@w ust.edu.cn

作者介紹:沈冬冬,男,1978年出生。1998年畢業于武漢科技大學金屬材料及熱處理專業,獲工學學士學位,2008年獲武漢科技大學材料學專業工學博士學位。現為武漢科技大學材料與冶金學院講師。近年來發表論文5篇,其中被EI檢索2篇,被SCI檢索1篇。作為主要完成人獲2004年湖北省自然科學三等獎1項,2007年湖北省科技進步一等獎1項。2006年獲武漢科技大學教學優秀獎三等獎,2008年獲武漢科技大學教學成果獎二等獎。主要研究方向為材料強韌化。