C45Cr鋼軋材UT不合成因分析與措施

朱 葉，趙荒培

（石鋼京誠裝備技術有限公司，遼寧 營口 115000）

某廠生產的C45Cr棒材在無損探傷時出現較多的探傷不合，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，為改善產品質量提供參考。

1 C45Cr鋼軋材UT不合主要原因分析

1.1 C45Cr鋼生產工藝路線

棒材生產工藝：轉爐冶煉-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

某廠生產的棒材在軋制后有探傷不合的情況，在檢測時發現有顯微孔隙和偏析，而且多數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，因此缺陷生產主要源于棒材內部質量不好。因此，針對探傷不合的鋼材內部進行系統的對比分析。

試樣取自同一個爐號生產的棒材，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。試樣的化學成分見表1。

1.2.1 超聲波探傷波形對比

為了準確地捕捉缺陷部位，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，當顯示二次底波，可發現缺陷波衰減較強，無缺陷的試塊衰減系數為0.002 dB/mm，有缺陷的為0.008 dB/mm。衰減大的材料易出現組織異常反射。

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，常規顯示宏觀組織。從橫向低倍對比觀察，下頁圖6中顯現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，進行測量后進行數據統計，得出表2。依據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號試樣柱狀晶區域較大，偏析線寬度和長度都大于1號試樣。

表2 測量數據 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（質量分數） %

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，鋼中出現魏氏組織。2號試樣的中心與1/2R區域鐵素體較多，與其碳偏析含量相對應。

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，從而易于發現缺陷。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等因素可產生±3 dB的不確定度。

圖27 2號心部顯微孔隙（100×）

2.2 C45Cr鋼特點

碳結鋼45由于加入Cr、Mo等與碳化物相結合力強的元素，Fe3C的穩定性很差，抗非可逆氫能力較弱，高溫條件下易在探傷＞Φ3 mm區與氫發生的脫碳反應：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、中碳鋼當中，45鋼的裂紋敏感性最強，出現偏析線的幾率也最大。因此，中碳碳素鋼最易導致心部＞Φ3 mm的中心疏松區，并伴有氫脆裂紋。

2.3 軋材內部缺陷

2.3.1 宏觀缺陷

在鑄坯和軋材的低倍試片上出現一些線狀缺陷，形狀和裂紋相似，一直稱為內部裂紋[5]。文獻根據其產生的原因不同，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而引起；在鑄坯橫向低倍試片上，水冷裂紋集中在柱狀晶區，與柱狀晶走向一致，比較平直，在鑄坯的四邊均可能出現。

2）壓碎裂紋。由于拉輥壓力太大引起；壓碎裂紋在鑄坯中心，多數在等軸晶區內，裂紋和壓輥垂直，常較粗大。頂彎裂紋在外弧一側才存在，也在柱狀晶區內，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，屬內部裂紋。

3）頂彎裂紋。鑄機曲率半徑過小，使外弧一側變形太大所造成。

2.3.2 冶金化學成分偏析

鋼的化學成分導致的異常組織也可引起UT的不合格。對于出口的規格不小于Φ250 mm大圓材45鋼，w（S+Al）＞0.025%時，探傷合格率出現波動，尤其是w（Al）＞0.028%后，探傷合格率呈明顯下降的趨勢。因此，冶煉生產時對于有鋁規格要求和晶粒度要求的鋼種，鋁含量（質量分數）在規格要求的范圍內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，不會出現異常反射。

2.4 低倍分析

2.4.1 偏析

低倍結果表明，軋材的橫向低倍及縱向低倍，熱浸與冷浸的結果均為小裂紋等不連續缺陷。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暗線條，可能是鑄態疏松未全部軋合（與高倍顯微孔隙相對應），沿軋制方向拉長成溝槽，且在高溫區碳擴散聚集于此處形成偏析帶的結果。

2.4.2 柱狀晶/等軸晶比率

相對而言，合格樣品的柱狀晶區較為發達，尤其是下弧的柱狀晶區較長。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，發現合格與不合格軋材試樣均出現顯微孔隙。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。

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

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

此外，由UT也可發現，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。

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力和熱應力相互迭加，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（復合金屬夾雜物）反射缺陷。

3 結論

1）試樣存在魏氏組織、顯微孔隙、宏觀偏析線，均可產生偏析組織的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缺陷當量相對應。即可與UT缺陷波對應，導致UT不合。

2）同一爐號連鑄坯，經軋制之后產生合格與不合格兩類產品，說明鋼材的過程控制處于臨界合格條件下，過程不穩定。高倍結果表明，不合格軋材存在過熱，魏氏組織、混晶、粗晶較多。但中心區域珠光體組織體積分數大于半徑二分之一以外的珠光體含量，說明中心區域的組織轉變γ→α是在較低溫度區域進行的。即低溫快速冷卻轉變過程。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。對于疏松缺陷，產生在冶煉過程中，冶煉環節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、二冷等參數是相同的。但柱狀晶與等軸晶的分布卻不能與之對應。說明，此爐鋼的整體生產過程中存在著波動、或控制不穩定。合格試樣的柱狀晶區大于不合格試樣的相應區域，說明鑄坯在高溫區冷卻能力較強。

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℃，實現低溫快注。

2）拉速控制在1.30 m/min以內。

3）優化二次冷卻參數，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，適當提高爐渣堿度，以加強脫S的效果；在合金化時，適當加入Fe-Mn，提高Mn含量，讓析出物MnS以棒狀形態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，鑄坯經不同壓縮比軋制后其中心偏析和疏松缺陷的形態有對應關系。壓縮比達到一定數值時，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。