E355鋼焊管裂紋失效分析及改進措施

張龍超

（西昌鋼釩有限公司 科技質量部，四川 西昌 615032）

某廠使用E355 鋼熱軋酸洗板生產焊管，用于汽車轉向軸，其生產工藝為： 冶煉→熱軋→酸洗→鋼卷包裝/運輸→鋼卷縱剪→焊管→平頸→880 ℃正火→酸洗/磷化/皂化→兩輥冷軋→脫脂/磷化→冷拔→矯直→渦流/超聲波探傷→切管→定尺倒角→清洗→包裝。 在探傷過程中發現探傷裂紋，增加了產品的市場風險，給客戶的生產造成困擾。焊管探傷報警原因眾多，本研究通過對缺陷部位取樣，采用金相檢驗及電鏡分析等手段對E355鋼焊管裂紋缺陷進行了分析和研究，并結合實際生產情況，優化冶煉工藝，降低裂紋報警率。

1 試驗分析

1.1 化學成分分析

E355 鋼主要化學成分見表1。

表1 E355 鋼的主要化學成分 %

1.2 宏觀形貌

開裂零件實物如圖1 所示。 由圖1 可見，裂紋為沿鋼管軸向裂紋，位于鋼管外壁母材處，裂紋深度為鋼管壁厚的2/3 以上； 裂紋斷口沿厚度方向色澤基本一致，初步判斷為沿厚度方向上的塑韌性不足導致的裂紋，為一次性開裂或很淺的微裂紋源在零件深加工中發生擴展導致的開裂。 采用4%HNO3+無水乙醇腐蝕鑲嵌后開裂零件，在距離開裂位置約5 mm 處，肉眼可見一處很淺微裂紋。

圖1 開裂零件實物及微觀照片

1.3 金相分析

對零件基體、裂紋位置進行微觀組織分析，分析結果如圖2 所示。 由圖2 可見，基體和裂紋位置顯微組織由F+P 組成，無脫碳現象，但基體的帶狀組織較嚴重； 除了存在較大的主裂紋外，在距離主裂紋約5 mm 處的外壁存在深約0.4 mm 的微裂紋，其金屬流線形貌與主裂紋一致，可認為二者屬同一類型的裂紋缺陷，且產生的原因及工序是相同的； 裂紋處有明顯的金屬加工流線，外壁金屬變形最嚴重，呈 “凹” 字形，越往內壁金屬變形越不明顯，這與焊縫金屬流線方向相反，故可排除在焊縫位置處開裂的可能。此外，基體的鋼質純凈度較高，僅有少量的0.5 級D 類非金屬夾雜物。

圖2 基體、裂紋區顯微組織形貌及基體非金屬夾雜物

1.4 電鏡及能譜分析

電鏡下裂紋斷口形貌如圖3 所示。 由圖3可見，裂紋的外壁位置為原始裂紋，該位置的光澤度較暗，且形貌呈 “鱗片” 狀 （見圖3 （b）），比較疏松，為鐵氧化物的微觀形貌； 擴展區斷口很干凈，沒有發現異常的雜質及異常斷口形貌。

裂紋電鏡分析結果如圖4 所示，能譜分析結果見表2 和表3。 由圖4、表2 和表3 可見，原始裂紋位置的 O、P 和 Zn 含量明顯高于裂紋擴展區域，擴展區主要以鋼質基體元素Si、Mn、Fe 為主，鋼的冶煉過程并不添加 P、Zn元素，可以認為原始裂紋中的P 和Zn 元素是由于鋼板在制管過程中的磷化工序滲入的，故原始裂紋處主要以鐵氧化物為主，且O 含量最高為14.42%，說明氧化程度較輕。

圖3 裂紋斷口形貌

圖4 裂紋電鏡分析結果

表2 裂紋擴展區能譜分析結果

表3 裂紋源能譜分析結果

2 分析討論

由上述分析可知，鋼管成品為經 “880 ℃正火” 處理的狀態，鋼管基體、裂紋位置顯微組織由F+P 組成，無脫碳現象，但基體的帶狀組織較嚴重，這與鋼板原始組織有較大關系。 帶狀組織較嚴重，使材料塑韌性急劇下降，會導致材料的止裂性能變差，在材料存在細小微裂紋源的情況下，微裂紋源在后續的 “冷拔”、“矯直” 及“車削/磨削” 變形過程中會加速擴展，最終形成斷裂失效。 再者，焊管生產流程長，生產過程中導致輕微劃傷的環節多，輕微劃傷導致裂紋源產生，完全消除這種情況的難度極大，因此，控制材料基體帶狀組織是降低E355 鋼焊管裂紋的技術方向。

鋼板中的帶狀組織主要來源于連鑄坯的中心偏析，所以控制連鑄坯的中心偏析是控制酸洗板珠光體帶狀組織的有效方法。 連鑄坯中心偏析形成有兩種理論，一是 “凝固橋” 理論，即鑄坯凝固過程中凝固橋的形成阻止了液相的補縮，導致中心偏析； 二是 “鼓肚” 理論，鑄坯凝固過程中坯殼鼓脹，造成枝晶間富集溶質液體的流動，或者凝固末期鑄坯收縮使凝固末端富集溶質液體流動導致中心偏析。

控制連鑄坯中心偏析的主要措施： ①增加連鑄坯等軸晶率，如采用低過熱度澆注，采用電磁攪拌等； ②減少C、P、S 等易偏析元素的含量；③減輕凝固末端鋼液的流動，例如增大二次冷卻強度、連鑄機流道良好的對弧及控制輥縫精度、使用凝固末端輕壓下及低速澆注等。 拉坯速度與焊管缺陷率的關系如圖5 所示，根據該生產數據統計結果，隨著拉坯速度的增加，焊管裂紋缺陷率呈上升趨勢。

圖5 拉坯速度與焊管缺陷率的關系

3 裂紋缺陷控制措施及效果

3.1 技術措施

結合工廠現有裝備條件，采取了下述技術措施：

（1） 優化鋼的化學成分。 在保證材料性能要求的前提下，將鋼的w （C） 由0.25%降至0.22%。

（2） 采用低拉坯速度及低過熱度恒速澆注。拉坯速度保持 0.8～1.0 m/min，過熱度≤15 ℃，拉坯速度不允許調整，并提高連鑄機的輥縫控制精度，要求輥縫精度偏差±1 mm，避免調整拉速引起凝固末端液相流動。

（3） 優化二冷工藝。 增大二次冷卻強度，將二次冷卻強度在原基礎上提高15%左右。

3.2 實施效果

在改進前后的鋼板上隨機取樣，采用GB/T 13299 《鋼的顯微組織評定方法》 進行帶狀組織評級，結果見表 4。 由表 4 可見，改進后帶狀組織評級全部≤2.0 級，并且更為穩定。 改進后的鋼卷在制成鋼管后探傷裂紋報警率由改進前的2.17%穩定控制在0.2%以下，改善效果明顯。

表4 改進前后鋼板帶狀組織評級對比

4 結 論

（1） 帶狀組織嚴重會引起材料止裂性能差、塑韌性急劇下降，在材料存在細小的微裂紋源情況下，微裂紋源在后續的 “冷拔”、“矯直” 及“車削/磨削” 變形過程中會加速裂紋的擴展，形成斷裂失效。

（2） 控制材料基體帶狀組織是解決焊管裂紋問題的主要技術方向，并在生產實踐中實施優化鋼的成分及二冷制度，采用低過熱度、低速恒速澆注及嚴格連鑄機輥縫管理等措施，使鋼板帶狀組織評價全部≤2.0 級，并且更為穩定，改進后的鋼卷在制成鋼管后探傷裂紋報警率由改進前的2.17%穩定控制在0.2%以下，改善效果明顯。