C45Cr鋼軋材UT不合成因分析與措施

朱 葉，趙荒培

（石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧 營口 115000）

某廠生產(chǎn)的C45Cr棒材在無損探傷時出現(xiàn)較多的探傷不合，不得不降級改判或者判廢，不僅造成C45Cr探傷合格率偏低，而且影響了訂單交付周期，給生產(chǎn)控制帶來一定的難度。本文通過低倍、高倍及掃描電鏡觀察等理化檢驗，對引起C45Cr探傷不合的原因進行分析，為改善產(chǎn)品質(zhì)量提供參考。

1 C45Cr鋼軋材UT不合主要原因分析

1.1 C45Cr鋼生產(chǎn)工藝路線

棒材生產(chǎn)工藝：轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-VD-連鑄（Φ600 mm鑄坯）—加熱爐—開坯機—4架連軋（Φ300 mm軋材）—鋸切—緩冷—檢驗—包裝。

1.2 試樣檢驗與分析

某廠生產(chǎn)的棒材在軋制后有探傷不合的情況，在檢測時發(fā)現(xiàn)有顯微孔隙和偏析，而且多數(shù)集中在鋼材的中心位置，中心部位的碳、硫含量明顯高于其他部位[1]。鋼材中的碳、硫等元素的偏析往往會影響鋼材的性能，如疲勞極限降低、鋼材的超聲波探傷不合、沖擊韌性差等[2]。棒材探傷不合缺陷主要集中在中心位置，因此缺陷生產(chǎn)主要源于棒材內(nèi)部質(zhì)量不好。因此，針對探傷不合的鋼材內(nèi)部進行系統(tǒng)的對比分析。

試樣取自同一個爐號生產(chǎn)的棒材，一個UT合格試樣（1號試樣），另一支為UT不合格試樣（2號試樣），進行對比檢驗。試樣的化學(xué)成分見表1。

1.2.1 超聲波探傷波形對比

為了準(zhǔn)確地捕捉缺陷部位，利用超聲波無損檢測儀對鋼棒的缺陷進行準(zhǔn)確定位，并按要求取樣。對兩個試樣同時進行超聲波探傷（見圖1和圖2），從圖2可知，探傷缺陷波高度達到80%，缺陷的位置在厚度方向距探頭檢測面153 mm處，即鋼棒直徑Φ300 mm的一半位置。

表1 C45Cr的化學(xué)成分 %

圖1 1號合格試樣波形

圖2 2號缺陷試樣波形

從圖3和圖4中可知，當(dāng)顯示二次底波，可發(fā)現(xiàn)缺陷波衰減較強，無缺陷的試塊衰減系數(shù)為0.002 dB/mm，有缺陷的為0.008 dB/mm。衰減大的材料易出現(xiàn)組織異常反射。

圖3 1號合格試樣波形

圖4 2號缺陷試樣波形

1.2.2 宏觀觀察

采用50%HCl水溶液，常規(guī)顯示宏觀組織。從橫向低倍對比觀察，下頁圖6中顯現(xiàn)2號試樣中心偏析較為嚴重，上下弧方向柱狀晶比率差值小于合格試樣。從縱向低倍對比觀察，圖8中2號試樣的柱狀晶發(fā)達，縱剖試樣的柱狀晶比率大于1號試樣。為了凸顯偏析，特選用硫代硫酸鈉水溶液冷浸試樣，其宏觀組織與熱侵蝕得出結(jié)論一致。

圖5 —圖8熱侵蝕低倍片可以看出柱狀晶上下弧分布不對稱，進行測量后進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出表2。依據(jù)低倍照片中一般疏松情況作出圖形進行比對，可以直觀看出2號試樣柱狀晶區(qū)域較大，偏析線寬度和長度都大于1號試樣。

表2 測量數(shù)據(jù) mm

圖5 1號橫向低倍

圖7 1號縱向低倍

1.2.3 碳偏析

對1號、2號試樣不同部位采用C-S分析儀進行碳含量檢驗，得出結(jié)論見表3，1號、2號試樣中心和1/2R位置碳偏析極差為0.038%和0.058%。2號試樣的碳偏析極差大于1號試樣。

表3 不同部位碳含量（質(zhì)量分數(shù)） %

1.2.4 高倍分析

從圖9—下頁圖16中可以看出1號、2號試樣的心部、1/2R、皮下組織全部為鐵素體+珠光體，鋼中出現(xiàn)魏氏組織。2號試樣的中心與1/2R區(qū)域鐵素體較多，與其碳偏析含量相對應(yīng)。

圖9 1號心部組織（100×）

圖10 2號心部組織（100×）

圖11 1號1/2R處組織（100×）

圖12 2號1/2R處組織（100×）

圖13 1號皮下組織（100×）

圖14 2號皮下組織（100×）

對1號和2號試樣個別視場魏氏組織進行觀察，2號試樣的魏氏組織較發(fā)達，見圖15。

圖15 魏氏組織觀察（500×）

1.2.4 晶粒度

對1號和2號試樣進行奧氏體晶粒度觀察，由下頁圖17—圖22可見，2號試樣的晶粒混晶較為嚴重，且粗晶粒較多。

圖17 1號中心奧氏體晶粒度

圖18 2號中心奧氏體晶粒度

圖19 1號1/2R奧氏體晶粒度

圖20 2號1/2R奧氏體晶粒度

圖22 2號皮下奧氏體晶粒度

圖21 1號皮下奧氏體晶粒度

1.2.5 顯微孔隙觀察

對1號、2號試樣顯微鏡下進行25部觀察，均含有顯微孔隙，2號試樣心部顯微孔隙較為嚴重，見圖23-圖27。

圖23 1號心部顯微孔隙觀察（25×）

圖24 2號心部顯微孔隙觀察（25×）

圖25 1號皮下顯微孔隙觀察（25×）

圖26 2號皮下顯微孔隙觀察（25×）

2 討論

2.1 UT分析

UT定性為偏析組織反射缺陷波。軋制致使鋼錠內(nèi)部組織缺陷主要沿金屬流線方向延伸，因此軋材中的缺陷一般垂直于UT聲束，從而易于發(fā)現(xiàn)缺陷。但需要指出的是利用大背底法[3]，由于用力不均及表面補償?shù)纫蛩乜僧a(chǎn)生±3 dB的不確定度。

圖27 2號心部顯微孔隙（100×）

2.2 C45Cr鋼特點

碳結(jié)鋼45由于加入Cr、Mo等與碳化物相結(jié)合力強的元素，F(xiàn)e3C的穩(wěn)定性很差，抗非可逆氫能力較弱，高溫條件下易在探傷＞Φ3 mm區(qū)與氫發(fā)生的脫碳反應(yīng)：Fe3C+4H=CH4+3Fe。鋼中C含量增加，Tof（零強度溫度）和Toz（零塑性溫度）降低[4]，增加了固液界面裂紋敏感性。所以澆鑄的低碳鋼、低碳低合金鋼、中碳鋼當(dāng)中，45鋼的裂紋敏感性最強，出現(xiàn)偏析線的幾率也最大。因此，中碳碳素鋼最易導(dǎo)致心部＞Φ3 mm的中心疏松區(qū)，并伴有氫脆裂紋。

2.3 軋材內(nèi)部缺陷

2.3.1 宏觀缺陷

在鑄坯和軋材的低倍試片上出現(xiàn)一些線狀缺陷，形狀和裂紋相似，一直稱為內(nèi)部裂紋[5]。文獻根據(jù)其產(chǎn)生的原因不同，可分為三種：

1）水冷裂紋。由于冷卻制度，主要是二次冷卻制度不當(dāng)而引起；在鑄坯橫向低倍試片上，水冷裂紋集中在柱狀晶區(qū)，與柱狀晶走向一致，比較平直，在鑄坯的四邊均可能出現(xiàn)。

2）壓碎裂紋。由于拉輥壓力太大引起；壓碎裂紋在鑄坯中心，多數(shù)在等軸晶區(qū)內(nèi)，裂紋和壓輥垂直，常較粗大。頂彎裂紋在外弧一側(cè)才存在，也在柱狀晶區(qū)內(nèi)，在橫向低倍試片上常呈鋸齒狀；在縱向低倍試片上，則是一些彼此大致平行的暗黑色線條，這三種裂紋均不穿過表面激冷層，屬內(nèi)部裂紋。

3）頂彎裂紋。鑄機曲率半徑過小，使外弧一側(cè)變形太大所造成。

2.3.2 冶金化學(xué)成分偏析

鋼的化學(xué)成分導(dǎo)致的異常組織也可引起UT的不合格。對于出口的規(guī)格不小于Φ250 mm大圓材45鋼，w（S+Al）＞0.025%時，探傷合格率出現(xiàn)波動，尤其是w（Al）＞0.028%后，探傷合格率呈明顯下降的趨勢。因此，冶煉生產(chǎn)時對于有鋁規(guī)格要求和晶粒度要求的鋼種，鋁含量（質(zhì)量分數(shù)）在規(guī)格要求的范圍內(nèi)和晶粒度合格的前提下，控制在不大于0.028%[6]。

2.3.3 組織異常反射波

衰減大的材料易出現(xiàn)組織異常反射。一般而言，晶粒的大小小于半波長時穿透性好，不會出現(xiàn)異常反射。

2.4 低倍分析

2.4.1 偏析

低倍結(jié)果表明，軋材的橫向低倍及縱向低倍，熱浸與冷浸的結(jié)果均為小裂紋等不連續(xù)缺陷。其合格與不合格試樣的差別為不合格試樣的縱向帶狀偏析較重。一些沿軋制方向走向的發(fā)暗線條，可能是鑄態(tài)疏松未全部軋合（與高倍顯微孔隙相對應(yīng)），沿軋制方向拉長成溝槽，且在高溫區(qū)碳擴散聚集于此處形成偏析帶的結(jié)果。

2.4.2 柱狀晶/等軸晶比率

相對而言，合格樣品的柱狀晶區(qū)較為發(fā)達，尤其是下弧的柱狀晶區(qū)較長。而不合格樣品的上下弧差異較大。

2.5 碳偏析

相對于冶煉成分而言，不合格與合格試樣橫截面的1/2R處的C成分達到峰值，皮下成分最低。

2.6 顯微孔隙

高倍觀察，發(fā)現(xiàn)合格與不合格軋材試樣均出現(xiàn)顯微孔隙。顯微孔隙的形成：對于亞共析鋼而言，枝晶間隙沒沒有被液態(tài)金屬填滿，在凝固及隨后的冷卻過程中，雖有大量的氣體從金屬中逸出，但還是有些被保留在疏松等缺陷之中；在軋鋼過程中有些疏松被軋合了；有些只是部分地沿軋制方向軋合；還有些由于聚集的氣體壓力較高沒有軋合而沿軋制方向拉長成孔隙。若鋼中氣體較少，則主要是由于連鑄坯的晶間疏松未焊合，而沿著軋制方向拉長而形成的。

中心疏松可產(chǎn)生探傷缺陷超標(biāo)，而顯微孔隙本身則不會產(chǎn)生宏觀的探傷缺陷超標(biāo)的。然而，由于其顯微孔隙可誘發(fā)珠光體的偏聚而形成沿著軋制方向分布的條帶組織。則會產(chǎn)生所謂的偏析異常組織反射。可以導(dǎo)致探傷不合。

相對而言，不合格試樣的顯微孔隙的數(shù)目較大，形狀各異，孔隙也較為粗大。且多集中在心部。

此外，由UT也可發(fā)現(xiàn)，不合格試樣的聲波衰減較為嚴重，也可證明其組織異常-顯微孔隙效應(yīng)。

由于鋼中存在先天的顯微孔隙，在軋后冷卻過程中，因冷卻和相變及其它原因形成的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力相互迭加，極大地超過鋼材的斷裂強度極限，就以顯微孔隙為起始位置，開裂長大成不連續(xù)缺陷及偏析組織，逐漸擴展到肉眼可見的宏觀尺寸，如中心區(qū)域的偏析線。

由于含有顯微孔隙的偏析線的面積遠大于聲束的截面，但其回波當(dāng)量有非常小，即Φ2 mm～Φ4 mm左右，與無缺陷處比較，底波無多大變化，即可判為異常組織（復(fù)合金屬夾雜物）反射缺陷。

3 結(jié)論

1）試樣存在魏氏組織、顯微孔隙、宏觀偏析線，均可產(chǎn)生偏析組織的UT反射波。但唯有不合格試樣的偏析線，其偏析線的形狀與UT缺陷當(dāng)量相對應(yīng)。即可與UT缺陷波對應(yīng)，導(dǎo)致UT不合。

2）同一爐號連鑄坯，經(jīng)軋制之后產(chǎn)生合格與不合格兩類產(chǎn)品，說明鋼材的過程控制處于臨界合格條件下，過程不穩(wěn)定。高倍結(jié)果表明，不合格軋材存在過熱，魏氏組織、混晶、粗晶較多。但中心區(qū)域珠光體組織體積分數(shù)大于半徑二分之一以外的珠光體含量，說明中心區(qū)域的組織轉(zhuǎn)變γ→α是在較低溫度區(qū)域進行的。即低溫快速冷卻轉(zhuǎn)變過程。該過程形成較為嚴重的偽共析帶狀組織[7]。

3）偏析可能與澆注溫度，鋼坯高溫保溫時間等因素相關(guān)。對于疏松缺陷，產(chǎn)生在冶煉過程中，冶煉環(huán)節(jié)主要通過提高鋼水純凈度，改進絕熱板，控制過熱度及注速等措施。

4 改進措施

本次試驗的合格與不合格試樣均取自同一爐號，鋼中硫、鋁等成分含量較低。冶煉成分沒有問題。但建議增加鋁、鈦含量，控制其晶粒長大傾向。

雖然連鑄的拉速、二冷等參數(shù)是相同的。但柱狀晶與等軸晶的分布卻不能與之對應(yīng)。說明，此爐鋼的整體生產(chǎn)過程中存在著波動、或控制不穩(wěn)定。合格試樣的柱狀晶區(qū)大于不合格試樣的相應(yīng)區(qū)域，說明鑄坯在高溫區(qū)冷卻能力較強。

4.1 減少偏析線的措施

1）將中間包澆注45鋼鋼水過熱度控制在5～30℃，最好控制在5～15℃，實現(xiàn)低溫快注。

2）拉速控制在1.30 m/min以內(nèi)。

3）優(yōu)化二次冷卻參數(shù)，讓鑄坯從足輥至三段進行逐步緩冷，有利于提高鑄坯液芯的熱量向外傳遞的速度[8]，確保窄面從中心到外表的溫度梯度不大于200℃/m，拉坯方向的溫度梯度不大于100℃/m。

4）控制45鋼鋼水成分，要求m（Mn）/m（S）＞40[9]。在冶煉后期注意槍位，適當(dāng)提高爐渣堿度，以加強脫S的效果；在合金化時，適當(dāng)加入Fe-Mn，提高Mn含量，讓析出物MnS以棒狀形態(tài)分散在奧氏體基體中。

4.2 軋制過程可減少偏析

1）文獻[10]報道，鋼錠或連鑄坯在加熱爐中，于1 250～1 300℃，多加熱3～5 h即可達到消除枝晶偏析的目的。

2）增加軋制壓縮比可消除顯微孔隙，鑄坯經(jīng)不同壓縮比軋制后其中心偏析和疏松缺陷的形態(tài)有對應(yīng)關(guān)系。壓縮比達到一定數(shù)值時，鋼材的中心疏松缺陷才會得以軋合，其中心偏析缺陷也會適度減輕。