20MnCr5鋼軋材表面縱裂紋成因分析

魏鑫燕，李崇建，趙 磊，李宏銳

（青島特殊鋼鐵有限公司煉鋼廠，山東 青島266000）

1 前 言

目前，國內外通常將碳含量在0.08%～0.18%范圍內鋼稱之為中碳鋼，亦稱裂紋敏感性鋼，由于這類鋼凝固過程中發生包晶反應，產生相變，導致熱裂紋形成，從而惡化鑄坯表面質量。20MnCr5鋼含碳量較低，為包晶反應類（0.20%C）裂紋敏感型鋼，且該鋼含Mn，以強化鐵素體基體，促使奧氏體晶粒長大。此外該鋼［N］（100×10-6）含量較高，因此該鋼的強度較高，塑性較低。

分析軋材表面裂紋成因，一定要分析連鑄坯的表面缺陷對軋材的影響。包晶反應類連鑄坯表面裂紋的形成是多種因素綜合作用的結果。其裂紋形成的基本條件是：初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產生局部應力集中；沿樹枝晶元素（C、Mn、S、P）的局部偏析、裂紋的開口和擴展總是在偏析嚴重之處。實際生產中，出現的軋材裂紋的形成原因是一個過程的積累的多個因素的共同作用的結果。分析軋材的表面缺陷的成因從以下幾方面進行分析：鋼坯的表面缺陷在熱加工過程中顯現，熱加工不當、冷卻制度或表面修磨不適當等原因造成的缺陷。依據分析結果，并提出相應的改進措施。

2 軋材表面裂紋的成因

2.1 鋼材的表面缺陷

對于熱軋棒材而言，其表面缺陷主要是以縱裂形式為主的缺陷。軋材的縱向裂紋見圖1，其表面的形貌見圖2。

圖1 20MnCr5 軋材縱裂

圖2 20MnCr5 軋材縱裂宏觀形貌Y

2.2 鋼坯的表面裂紋

假設鋼材縱裂是來自于鑄坯的表面缺陷所致的結果。對于鑄坯的縱裂而言，裂紋的形成是多種因素綜合作用的結果。其形成的基本條件是：1）初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產生局部應力集中；2）沿樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析，裂紋的開口和擴展總是在偏析嚴重之處。

文獻對連鑄坯產生縱裂的機理表述為：樹枝晶初次晶的位移→富集鋼水受到吸引→發生位移的樹枝晶間的偏析→發生δ相變，兩相之間殘留著偏析液膜→γ晶粒間產生偏析→沿偏析斷裂（縱向偏析）見圖3。鑄坯的縱向裂紋見圖4。

圖3 20MnCr5縱向偏析

圖4 20MnCr5連鑄坯角部縱向裂紋

對于鋼水碳的質量分數為0.1%～0.2%的亞共析鋼，鋼水結晶析出δ-（Fe）鐵素體和包晶反應在包晶線附近（約1 495 ℃）。在液相線下將析出δ-（Fe）鐵素體，鐵素體中（C）≤0.09%，Mn、Cr 等元素也由于選分結晶的作用，比鋼水的平均量少，冷到包晶線以下發生δ-（Fe）鐵素體+L→A的包晶反應，奧氏體相包圍著δ-（Fe）鐵素體。

由于急冷，碳和合金元素來不及擴散，包晶反應不徹底，δ-（Fe）鐵素體被奧氏體包著，但沒有轉變完，仍為低碳的δ-（Fe）鐵素體相，而碳則最終濃縮到奧氏體中，這樣在A4 和固相線以下則同時存在低碳的γ相，和高碳的奧氏體。

由于連鑄的一冷和二冷，急冷層包晶反應不徹底，δ-（Fe）鐵素體殘留下來，在宏觀應力作用下（矯直），可形成鋼坯角部裂紋，在中溫區發生δ→α，γ→α兩次相變重結晶，在原δ-（Fe）鐵素體晶粒范圍內形成α鐵素體晶粒團，包圍δ-（Fe）鐵素體相的奧氏體含碳量較高，在中溫區發生A→P 轉變為珠光體。鐵素體和珠光體在加熱爐的升溫過程中發生不等時相變和不均勻體積膨脹，產生相變應力，引發協作變形，并可能形成顯微裂紋，見圖5。

圖5 缺陷的掃描電鏡形貌

2.3 鋼坯的翻皮和氣泡(針孔)

翻皮、非金屬夾雜物與氣泡是共存的。鋼表面氧化膜卷入鋼液中，在高倍下觀察翻皮及附近有嚴重的氧化物或硅酸鹽類夾雜物。并且在縱向斷口上，有不同顏色的非結晶組織呈條紋狀，嚴重時呈層狀。低中碳的碳素結構鋼、合金結構鋼出現翻皮的幾率較高。

翻皮通常認為是由于連鑄過程中澆注溫度低、速度慢、液面波動太大造成的。氣泡則是連鑄和凝固過程中產生和放出的氣體等原因所造成的。氣體通常是由于原輔材料的干燥不良氣體進入鋼水，澆注溫度低或澆注速度快來不及上浮，以及在澆鑄及凝固過程中結晶器中保護渣與鋼接觸產生和放出的氣體等原因所造成的。

在實際現場檢查中，在連鑄坯的表面會發現密集的氣泡，其大小及深度決定著其等級。沿針孔處有產生內部破裂的可能。在二次加熱與軋制過程中，有翻皮和針孔存在的鑄坯會在軋制過程中使表面質量變壞。見圖6。

圖6 鋼坯表面缺陷

2.4 軋制過程的應力

如果排除軋制過程本身導致的折疊、劃傷、過燒等缺陷的影響，那么軋材表面缺陷是由應力導致的因素主要來自兩個過程：一個是坯料的冷卻和加熱，二就是軋制后的冷卻。

對于20MnCr5類鋼而言，其軋后的冷卻速度對于裂紋的擴展有重要的影響。例如圖7為20MnCr5（Φ110 mm）熱軋棒材的低倍組織。其白色區域為貝氏體組織。黑的區域為珠光體+鐵素體組織。對于這類鋼，軋材的裂紋會有二次裂紋的出現。見圖8。

圖7 熱軋棒材低倍組織

圖8 二次裂紋

由圖1的低倍照片可見，低倍組織層次比較分明，但不對稱。裂紋出現在柱狀晶區較短的一側，說明裂紋確實發生在坯殼薄弱處，冷卻較弱的區域。如果鑄坯出現缺陷后，其隨后的軋制過程的應力可使缺陷進一步惡化。

3 軋材的裂紋的判定

3.1 冶煉原因

一般說來，由冶煉帶來的夾雜物，它隨金屬一起塑性變形，因此具有明顯的變形性；其化學成分也與冶煉有關。而由裂紋氧化而成的夾雜物，它是靠原子擴散與置換作用形成的，不可能顯示出變形特征，一般呈顆粒分布在裂紋的兩側，其夾雜物的化學成分與鋼的組成有關。折疊裂紋以及經過變形的裂紋，其偶合特征不明顯。連鑄坯的熱裂紋一般有龜裂的外形，裂紋沿原始晶界延伸，均有氧化和脫碳。裂紋的末端圓禿［1-2］。

將低倍試樣的裂紋區域進行高倍觀察，發現裂紋往往是沿著鐵素體條帶擴展，見圖9。這些條帶與樹枝晶的輪廓相對應，極有可能是由于γ晶粒間產生偏析所產生的。見圖10。

圖9 裂紋形貌 100×

圖10 鑄坯的微觀組織 100×

20MnCr5棒材掃描電鏡觀察顯示，裂紋兩側存在大量小顆粒夾雜物，裂紋已氧化。這表明該鐵素體帶應該是在連鑄鋼液凝固過程中選分結晶導致殘留在樹枝晶間的溶液在冷卻過程中析出夾雜物，并隨著溫度的進一步降低至相變點溫度時誘發了鐵素體的優先析出。對于連鑄坯而言：出現的（沿鐵素體條帶）夾雜物為內生夾雜物，主要是脫氧元素與溶解在鋼液［O］的反應產物，其特點為顆粒直徑?。ā?0 μm），數量多，均勻分布。這類夾雜物如果集中群體分布主要是影響鋼的韌性。尤其是集中分布于鐵素體條帶中，更加惡化鋼的韌性。當進行軋制時便會對沿此裂開并延伸。不過對于圖10熱軋材中含有大量夾雜物的情形，則可以理解為高溫氧化物。如果鋼坯表面的缺陷是由于保護渣等因素導致的話，那么至少在裂紋區域可以發現保護渣的痕跡。

3.2 軋制原因

當軋制工藝正常條件下，可能產生如下缺陷：

1）折疊產生表面裂紋（由于前一道次過充滿產生耳子在下一道次造成折疊；由于在前幾道次中出現劃傷，經軋制形成折疊。）

2）劃傷產生表面裂紋（由于軋件與導衛產生滑動磨察，導衛上易形成尖銳的毛刺，致使軋件表面產生劃傷；輥道與軋件之間摩擦產生劃傷。）

3）軋槽磨損，槽底拉溝或軋槽產生龜裂造成軋材表面裂紋（軋輥在使用過程中水冷不當或軋輥材質的選用不合理，或軋制過程中軋槽超噸位軋制造成軋槽磨損嚴重。）

4）帶狀發紋形成表面裂紋（坯料的某一側面或角部出現皮下氣泡、皮下夾雜、表面氣孔經過軋制形成；由于孔型設計不當、軋輥材質不耐磨或軋制過程中軋槽冷卻水冷卻不好而造成軋輥磨損嚴重而形成帶狀裂紋；軋件的高寬比過大，經過兩三道軋制形成方向性皺折，最后形成帶狀裂紋；合金鋼由于導熱性較差，導熱速度較慢，在加熱和冷卻過程中急冷急熱而導致應力裂紋。）

5）軋件的高寬比過大，經過軋制產生雙鼓形，在下一道次軋制其壓下量過大，經過反復軋制形成帶狀裂紋［2］。

4 結 語

軋材裂紋的形成是多種因素綜合作用的結果。其形成的基本條件可能是：1）初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處產生局部應力集中；2）沿樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析、裂紋的開口和擴展總是在偏析嚴重之處。樹枝晶初次晶的位移→富集鋼水受到吸引→發生位移的樹枝晶間的偏析→發生δ→相變，兩相之間殘留著偏析液膜→γ 晶粒間產生偏析→沿偏析斷裂（大縱向裂紋）；3）熱軋材出現的顯微夾雜物可能是樹枝晶間元素（C、Mn、S、P）的局部偏析且氧化，或保護渣不良導致的翻皮、針孔等缺陷經軋制過程產生的氧化；4）軋制的加熱與冷卻過程影響裂紋的形成；5）軋制產生的軋材表面機械損傷，不會出現內生氧化物夾雜，以縱向裂紋出現，不宜產生花紋狀裂紋。