中低碳高錳鋼塔形酸浸檢驗疑似發紋形成原因

(中天鋼鐵集團有限公司，常州 213011)

發紋是呈線狀分布的細小裂紋，屬于鋼材的一種宏觀缺陷，一般采用塔形車削試樣經酸浸或磁粉探傷進行檢驗。發紋缺陷的存在對產品性能具有一定危害性，尤其是對力學性能要求較高的工程機械用鋼影響尤其明顯，因此工程機械常用的中低碳高錳鋼對發紋的數量、長度、分布位置都有嚴格的檢驗要求。發紋缺陷的產生原因比較復雜，一般認為發紋是在鍛軋加工后鋼材內部存在的與軋制延伸方向平行的條狀宏觀非金屬夾雜物所致。

部分工程機械用中低碳高錳鋼按照GB/T 15711-2018《鋼中非金屬夾雜物的檢驗 塔形發紋酸浸法》進行塔形低倍酸浸檢驗時發現試樣經常存在疑似發紋現象，此類“發紋”出現的頻率較高，但大多只存在1～2條，其長度經常大于30 mm，部分試樣的疑似發紋甚至貫穿整個臺階(塔形試樣的一個臺階長度為50 mm)。這些疑似發紋有別于傳統意義上的發紋缺陷，給該類鋼種的正常生產及新品開發帶來了困擾。為此，筆者通過酸浸檢驗、磁粉探傷、金相檢驗等方法對疑似發紋問題進行了具體的研究分析，以便查找出其形成原因及解決方法。

1 試驗方案

周勇、馬建超等[1-2]研究認為某些發紋缺陷的產生可能與鋼中存在帶狀組織偏析線等因素有關。為了驗證該疑似發紋是否也與帶狀組織偏析線有關，選取35MnB，37Mn5，SA-210C鋼棒材進行驗證，試驗方案設計如下。

(1) 方案一：選取一批規格為φ68 mm的35MnB鋼塔形試樣，首先按照GB/T 10121-2008《鋼材塔形發紋磁粉檢驗方法》進行磁粉探傷，然后按照GB/T 15711-2018進行低倍酸浸檢驗，如有疑似發紋產生，則對疑似發紋處進行金相檢驗等分析。

(2) 方案二：取規格為φ50 mm的37Mn5鋼棒材，從中截取兩個試樣，一個直接加工成塔形試樣(編號為1)，另一個經調質處理(淬火+回火)后再加工成同樣的塔形試樣(編號為2)，然后對兩個塔形試樣同時進行低倍酸浸檢驗，根據酸浸情況對兩個試樣進行金相檢驗等分析。

(3) 方案三：從37Mn5，SA-210C，35MnB鋼棒材上截取試樣，對試樣縱剖面進行帶狀組織檢驗，再對帶狀組織較為明顯的試樣進行低倍酸浸檢驗。

2 試驗結果

2.1 方案一

35MnB鋼塔形試樣經磁粉探傷后，所有試樣臺階表面均沒有發現發紋缺陷，見圖1。對該批經磁粉探傷過的試樣再進行低倍酸浸檢驗，發現部分試樣第一臺階處表面有明顯的長條細線狀條紋(疑似發紋)，其中一個試樣的條紋貫穿整個臺階。使用體視顯微鏡及掃描電鏡(SEM)對貫穿條紋進行觀察，其內部無異常物質，底部清晰可見，說明該疑似發紋非常淺，見圖2和圖3。對該試樣再次進行磁粉探傷，仍沒有發現試樣表面存在發紋缺陷，說明酸浸檢驗發現的發紋達不到磁粉探傷所要求的深寬比，見圖4。截取試樣發紋處經磨拋后進行金相檢驗，發現該疑似發紋縱向存在一條明顯的珠光體條帶，且珠光體條帶內分布著細小的硫化物夾雜，見圖5。

圖1 磁粉探傷后35MnB鋼塔形試樣宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of tower sample of 35MnB steel after magnetic particle inspection

圖2 酸浸后35MnB鋼塔形試樣形貌Fig.2 Morphology of tower sample of 35MnB steel after etching: a)macro morphology; b) magnified morphology of suspected hairline

圖3 35MnB鋼疑似發紋處的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of suspected hairline of 35MnB steel: a) at low magnification; b) at high magnification

圖4 二次磁粉探傷后35MnB鋼塔形試樣宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of tower sample of 35MnB steel after secondary magnetic particle inspection

圖5 35MnB鋼塔形試樣疑似發紋處顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology near suspected hairline of tower sample of 35MnB steel: a) at low magnification; b) at high magnification

2.2 方案二

37Mn5鋼1號試樣經酸浸后在第二臺階表面出現一條疑似發紋，長度約為30 mm，深度較淺，對發紋處進行金相檢驗發現沿試樣縱向存在一條非常明顯的珠光體條帶，見圖6和圖7。2號試樣經酸浸后在3個臺階表面均未發現疑似發紋，其宏觀形貌見圖8。對2號試樣進行金相檢驗發現其顯微組織為回火索氏體+少量網狀鐵素體，珠光體條帶組織已不明顯，見圖9。

圖6 酸浸后37Mn5鋼1號試樣形貌Fig.6 Morphology of sample 1 of 37Mn5 steel after etching: a)low multiple morphology; b) magnified morphology of suspected hairline

圖7 37Mn5鋼1號試樣疑似發紋處顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology near suspected hairline of sample 1 of 37Mn5 steel

圖8 酸浸后37Mn5鋼2號試樣宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of sample 2 of 37Mn5 steel after etching

圖9 37Mn5鋼2號試樣顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of sample 2 of 37Mn5 steel

2.3 方案三

帶狀組織檢驗發現37Mn5，SA-210C，35MnB鋼試樣的縱剖面均有明顯的珠光體條帶，并且在35MnB鋼的珠光體條帶中存在細小的硫化物夾雜。對這些存在明顯珠光體條帶的試樣進行低倍酸浸檢驗，可見其縱剖面上均存在大量線狀條紋即疑似發紋。然后將酸浸后的試樣縱剖面磨拋后進行金相檢驗，可見酸浸發現的線狀條紋基本都分布在珠光體條帶內，見圖10～15。

圖10 酸浸后37Mn5鋼表面形貌Fig.10 Morphology of 37Mn5 steel surface after etching: a)low multiple morphology; b) magnified morphology of suspected hairlines

圖11 37Mn5鋼顯微組織形貌Fig.11 Microstructure morphology of 37Mn5 steel: a) before etching; b) after etching

圖12 酸浸后SA-210C鋼表面形貌Fig.12 Morphology of SA-210C steel surface after etching: a) low multiple morphology; b) magnified morphology of suspected hairlines

圖13 SA-210C鋼顯微組織形貌Fig.13 Microstructure morphology of SA-210C steel: a) before etching; b) after etching

圖14 酸浸后35MnB鋼表面形貌Fig.14 Morphology of 35MnB steel surface after etching: a)low multiple morphology; b) magnified morphology of suspected hairlines

圖15 35MnB鋼顯微組織形貌Fig.15 Microstructure morphology of 35MnB steel: a) low multiple morphology before etching; b) high multiple morphology before etching; c) after etching

3 分析與討論

在方案一試驗中，35MnB鋼塔形試樣經磁粉探傷后未發現發紋缺陷，但對其進行低倍酸浸檢驗時，部分試樣表面出現了明顯的疑似發紋，說明磁粉探傷和酸浸法會出現不同的檢驗結果。對疑似發紋區域進一步放大，可觀察到其深度極淺，內部無異常物質存在，說明酸浸檢驗發現的“發紋”有別于傳統意義上具有一定深度近似于裂紋的發紋缺陷，可能是由于偏析線產生的線狀淺裂紋。金相檢驗發現沿疑似發紋方向存在一條非常明顯的珠光體條帶，且個別珠光體條帶內分布著細小的硫化物夾雜，證明酸浸發現的疑似發紋與珠光體條帶有關。

在方案二試驗中，37Mn5鋼1號試樣在第二臺階表面存在一條疑似發紋，且沿發紋方向存在一條非常明顯的珠光體條帶；調質處理后的2號試樣酸浸后未發現疑似發紋，其組織為回火索氏體+少量網狀鐵素體，珠光體條帶組織已不明顯。這說明熱軋態37Mn5鋼酸浸發現的疑似發紋與珠光體條帶組織有關，而經過調質處理后的鋼中不存在珠光體條帶，則不容易出現此類疑似發紋。

在方案三試驗中，存在明顯珠光體條帶的37Mn5，SA-210C，35MnB鋼試樣酸浸后出現大量疑似發紋的線狀淺裂紋，該裂紋基本都分布在珠光體條帶內。這也可以說明珠光體條帶(帶狀組織)經過酸浸是會產生疑似發紋的。

綜上所述，部分中低碳高錳鋼出現疑似發紋缺陷的原因為：對于一些存在嚴重帶狀組織的中低碳高錳鋼，如35MnB，40Mn2，15B36Cr，SCr440B，37Mn5，SA-210C等，在試樣車削加工后部分珠光體條帶暴露在塔形臺階表面，這些珠光體條帶不耐腐蝕，酸浸時會產生淺的線條狀腐蝕坑，肉眼觀察就很容易誤認為是發紋缺陷。珠光體組織并非單一相，而是鐵素體層和滲碳體層交替疊壓的復相，酸浸條件下不同相之間形成微電池反應，相對于單一的鐵素體相更不耐腐蝕。如果珠光體條帶中含有細小硫化物等夾雜物，在酸浸過程中還會形成另一種微電池反應，進一步加劇珠光體條帶的腐蝕速率和程度，使“發紋”更加明顯或嚴重[3-5]。所以部分中低碳高錳鋼在酸浸時發現的疑似發紋實則為珠光體條帶在酸浸條件下產生的線條狀腐蝕痕跡(即帶狀組織偏析線)，其有別于“發紋缺陷為鋼中宏觀夾雜物在加工變形過程中沿鍛軋方向延伸所形成的冶金缺陷”的傳統定義，而珠光體條帶中含有的細小硫化物等夾雜也為微觀意義上的夾雜物，并非發紋定義中肉眼可見的“鋼中宏觀夾雜物”。

在GB/T 15711-2018中對發紋一詞的定義為“鋼中宏觀夾雜物在加工變形過程中沿鍛軋方向被延伸所形成的條紋”，而GB/T 10121-2008中未對該詞進行定義。通俗地說，發紋應理解為一種具有一定深度的由宏觀非金屬夾雜物導致的細小裂紋。鋼材加工表面的發紋有兩種存在形式：一是開口發紋，用肉眼可以觀察到，其具有一定的深度，長度為幾毫米至十幾毫米；二是非開口發紋，肉眼難以分辨和發現。當對鋼材加工表面進行酸蝕后，開口發紋會加寬，非開口發紋也會顯露出來，但同時酸蝕也會將較為嚴重的偏析線，如帶狀組織等顯現出來，這時對于酸蝕顯現的線狀缺陷的判定尤為重要。而在GB/T 15711-2018中僅有“發紋是非金屬夾雜物條紋，要與酸浸后的偏析線或疏松條帶區分開”的表述，但具體怎么區分卻沒有明確規定，各企業掌握的尺度不同，非常容易將偏析線判定為發紋缺陷從而造成誤判。當通過磁粉探傷儀對鋼材加工表面進行探測時，開口發紋與非開口發紋均可以觀察到磁粉集聚現象，而偏析線類缺陷則不會出現磁粉集聚現象。所以目前航空工業等對發紋缺陷檢驗要求較高的行業，均采用磁粉探傷來檢測發紋缺陷。

4 結論

部分中低碳高錳鋼酸浸檢驗發現的疑似發紋實為鋼材中存在的帶狀組織(珠光體條帶)在酸浸條件下產生的線條狀腐蝕痕跡，并非真正意義上的發紋缺陷。采用磁粉探傷來進行檢測可有效防止誤判。