冷鐓鋼10B21熱軋盤條開裂原因分析

陸繼歡

(蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽 蕪湖 241000)

冷墩鋼是利用金屬的塑性，采用冷墩成型加工工藝生產標準件的鋼鐵產品。它廣泛用于冷墩成形的螺栓、螺母、螺釘、鉚釘和銷軸等各類緊固件和零配件，也作為冷墩鋼絲的母材使用[1]。 冷鐓鋼最終產品要有足夠的抗拉強度, 良好的塑性和韌性, 即要具有較好的綜合力學性能。含B冷鐓鋼10B21廣泛用于制造8.8級、10.9級標準件的原材料。10B21盤條經過酸洗、磷化、皂化后拉拔成冷鐓鋼精線，再經過多工位冷鐓機冷鐓成螺釘、內外六角螺栓等緊固件產品。冷鐓鋼盤條要求具有良好的加工性能和力學性能，具有較高的表面質量和足夠的強度和良好的韌性及塑性，以減少在冷沖壓過程中的開裂現象[2-3]。盤條在冷加工過程中，

材料塑性變形速度快、變形量較大且變形不均勻，所以要求盤條具有較好的冷變形能力。冷鐓鋼冷鐓開裂是造成公司內部質量問題和客戶質量異議的主要原因，會造成批量廢品，增公司生產成本，同時把關不嚴流入市場還會造成下游用戶無法使用的情況。

針對這個現象，對部分生產過程中個別冷鐓開裂產品的開裂原因進行了分析并制定了整改措施。

1 生產工藝路線

高爐鐵水→轉爐→LF精煉→十機十流連鑄180 mm×180 mm方坯→鋼坯緩冷→高線加熱爐加熱→軋制→產品檢驗→發運。化學成分要求如表1所示。

表1 10B21鋼化學成分 %

2 裂紋缺陷原因分析

2020年3月份10B21、CrMo系列、K系列等冷鐓鋼生產檢驗中，發現含硼鋼10B21盤條冷頂鍛合格率較其他系列冷鐓鋼低，2020年3月份生產檢驗中檢驗情況如表2所示。

表2 冷鐓鋼合格率 %

針對含硼鋼10B21盤條冷頂鍛開裂率較其他鋼種高這一現象，4月份對該鋼種生產均進行跟蹤，主要是從坯料進入加熱爐開始跟蹤當批材料，發現過程軋件1#剪頭尾剪切試樣、成品盤條試樣存在裂紋缺陷，對此進行宏觀特征、金相檢測檢測分析。

2.1 軋件裂紋原因分析

2.1.1 軋件裂紋宏觀特征

軋制Φ20 mm盤條過程中，檢查1#飛剪所剪切的軋件料頭，發現軋件表面有裂紋缺陷，裂紋為間斷性裂紋，裂紋通常沿軋制方向的某個面不規則分布，如圖1所示。

圖1 軋件裂紋宏觀形貌

2.1.2 軋件裂紋顯微特征

截取軋件裂紋試樣5 mm，試樣經鑲嵌后進行橫截面研磨、拋光、腐蝕后，在顯微鏡下觀察，發現裂紋深度1 994.81μm，裂紋兩側組織為塊狀鐵素體+珠光體，裂紋周圍有明顯的脫碳現象，見圖2。

圖2 軋件裂紋試樣顯微組織(×50)

2.1.3 軋件裂紋原因分析

通過對軋件缺陷的顯微組織觀察，可以判斷10B21軋件裂紋的主要是由于鑄坯裂紋所致。由于完好無缺陷坯料在加熱爐內加熱后軋制，不足以使軋件裂紋附近產生脫碳，由此說明鑄坯表面即存在裂紋，經過加熱爐加熱氧化產生脫碳，經軋制無法消除，導致軋件裂紋。

2.2 成品盤條裂紋原因分析

2.2.1 宏觀特征

含B冷鐓鋼10B21盤條的1/3冷頂鍛開裂比例較其他冷鐓鋼要高，但是盤條表面裂紋均隱藏于氧化鐵皮下方而無法直接觀察到。針對該現象，將其對應Φ20 mm盤條一端截取400～500 mm進行酸洗檢測其表面質量，酸洗溫度70～75 ℃，酸洗時間8～12 min，并用清水將其表面沖洗干凈，發現頂鍛開裂試樣對應盤條表面均有沿軋制方向的裂紋缺陷，如圖3所示。

圖3 盤條裂紋宏觀形貌

2.2.2 微觀特征

截取盤條裂紋試樣5 mm，試樣經鑲嵌后進行橫截面研磨、拋光，在顯微鏡下觀察，發現裂紋深度200.78 μm，見圖4(a)。裂紋腐蝕后觀察，裂紋兩側組織為塊狀鐵素體+珠光體，裂紋周圍有明顯的脫碳現象，見圖4(b)、圖4(c)。

圖4 裂紋微觀特征

2.2.3 形成機制探討

通過對成品盤條缺陷的顯微組織觀察，可以判斷10B21盤條開裂的主要是由于鑄坯裂紋所帶來。由于高速線材的軋制速度快、時間較短不足以使盤條裂紋附近產生脫碳，由此說明鑄坯表面即存在裂紋，經過加熱爐加熱氧化產生脫碳，經軋制無法消除，導致最終盤條表面裂紋。

據研究表明，連鑄坯表面裂紋產生的原因主要：一是化學成分中元素的影響，如w(Mn)/w(S)比低、(AlN)質點在晶界上沉積；二是鋼水過熱度太高；三是連鑄工藝不當，如二次冷卻強度不均勻、浸入式水口插入深度、液面波動等等；四是鑄機工況條件差等[4]。

解決含B冷鐓鋼鑄坯裂紋重點在于：①合理的化學成分設計，尤其是B、Ti、Al的設計至關重要；②連鑄過程合適的比水量、二冷水強度以及結晶器保護渣，同樣是解決鑄坯裂紋的關鍵。通過生產工藝分析，化學成分、w(Mn)/w(S)比、過熱度、比水量等均符合工藝設計要求，但過程出現長達3min的液面波動現象，其波動幅度超過10mm，不符合工藝要求的5mm波動幅度。因此，認為本次含B冷鐓鋼盤條開裂的主要為鑄坯表面裂紋所致。

3 整改措施

通過以上開裂相關原因分析，為解決10B21鑄坯表面裂紋缺陷，在保證化學成分、w(Mn)/w(S)比、過熱度、比水量、保護渣性能等工藝設計要求下，關鍵是解決結晶器產生液面波動異常情況,因此在接下來4月初生產該鋼種時，對連鑄生產工藝進行跟蹤，發現生產過程中出現1爐次3個流均出現液面異常波動現象(如圖5所示)，通過對澆注完畢的水口和塞棒進行觀察，發現浸入式水口內部存在輕微堵塞，經分析之所以水口堵塞是因為鋼水純凈度較差，因此得出了液面波動的主要原因為鋼水純凈度較差，在澆筑過程中輕微堵塞浸入式水口，進而造成結晶器液面波動，這類波動特點就是結晶器液位波動幅度變化較大，且周期不確定。

圖5 液面異常波動形貌

針對以上問題，制定了相應措施：

首先：前提保證，工藝條件必須符合設計要求，其中包括過熱度控制在25～40 ℃，全過程恒拉速澆鑄，冷卻按照弱冷所要求的的比水量0.6～0.7 L/kg，同時保證出拉矯機溫度在950 ℃以上。

其次：保證鋼水純凈度，其中精煉工序造渣、冶煉周期、軟吹時間等嚴格按照工藝要求執行，為連鑄工序提供優質鐵水，澆鑄過程氬氣保護不污染鋼水質量，保證水口不堵塞，液面波動才能得到控制。

通過接下來的2個月對以上措施的實施及后續生產的盤條質量進行跟蹤，生產10B21盤條約4 000 t，未再出現因鑄坯裂紋導致的含B冷鐓鋼開裂的問題，說明措施制定合理且措施實施有效。

4 結 論

(1)本次10B21盤條表面裂紋主要是由于鑄坯表面裂紋在軋制過程無法消除造成。

(2)液面波動的主要原因為鋼水純凈度較差，在澆筑過程中輕微堵塞浸入式水口，進而造成結晶器液面波動，這類波動特點就是結晶器液位波動幅度變化較大，且周期不確定。

(3)通過精煉工序、連鑄工序的工藝制度的措施的落實來保證鋼水純凈度，保證水口不堵塞，液面波動才能得到控制。通過措施的制定及落實跟蹤，后續生產的連鑄坯所軋制盤條均無裂紋。