高碳低合金鋼NC6寬扁坯斷裂分析及工藝改進

于 紅，宮春林，王金國

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105）

1 引言

NC6 為波蘭標準牌號，相當于我國的T13CrV，屬于過共析高碳低合金鋼。該鋼碳含量較高（1.30%～1.45%），是在T13 碳工鋼的成分基礎上添加適量的鉻、礬等合金元素，合金元素的加入提高了過冷奧氏體的穩定性、鋼的淬透性；減少了淬火熱應力和組織應力，減弱了淬火變形及開裂傾向[1]。由于淬火后存在較多的碳化物，因而具有良好的耐磨性和高硬度，適于制造拉絲模、絲錐、板牙等承受負荷較大、變形較小的中、小型冷作模具。

NC6 寬扁鋼采用8t 扁錠經軋制開150×815mm 大扁坯，扁坯經緩冷退火后出現整爐斷裂，如圖1所示，造成了大量廢品，影響了合同的順利交付，增加了經濟成本。

圖1 現場軋坯斷裂形貌

2 試驗材料及方法

2.1 生產工藝流程

根據技術標準要求和工裝條件，設計工藝路線為：電爐+LF+VD→模鑄8t扁錠→高溫紅送→加熱、1,050軋機軋制150×815mm寬扁坯→緩冷、退火→加熱、二平二立可逆式軋機軋制8~60×810mm寬扁鋼→球化退火。

2.2 試驗主要儀器

在美國ARL-4460 直讀光譜儀進行化學成分檢驗；采用ZBC2452N-3 沖擊試驗機將試樣打斷形成斷口，在Axio Observer Z1M 金相顯微鏡下進行顯微組織檢驗，采用EVO18掃描電子顯微鏡及EDS能譜儀觀察缺陷的微觀形貌并測定局部位置的合金成分。

3 斷裂缺陷分析

3.1 樣品制造

NC6熔煉成分分析如表1所示。

表1 NC6鋼的化學成分 %

距斷裂面100mm處制取缺陷樣品，樣品橫截面尺寸為150×815mm 寬，長約30mm。樣品橫截面呈多發孔洞，其周圍缺陷宏觀形貌及沖擊斷口微觀形貌如圖2所示。

圖2 孔洞形貌

3.2 低倍分析

將所取樣品沿軋制方向橫向剖開，可見中心部位存在嚴重的孔洞和開裂（見圖2a）。使用1:1 鹽酸浸蝕觀察，在開裂四周有較為明顯的塑性變形（見圖2b）。

3.3 斷口形貌分析

將試樣在開裂孔洞位置剖開觀察開裂斷口形貌（見圖2c），斷口表面有氧化層存在較重氧化，可觀察到裂紋由內部向外部逐漸擴展。

3.4 高倍分析

如圖2a 中A、B、C 位置切取試樣進行組織分析，高倍組織及電鏡掃描如圖3 和圖4 所示，為鐵素體基體上分布片狀及球粒狀珠光體，二次滲碳體呈近乎封閉網狀分布；晶粒度較為粗大約4 級；經高倍檢驗未見明顯非金屬夾雜；孔洞及開裂邊界存在氧化現象，四周有高溫氧化物呈彌散狀分布。宏觀斷口主要為石狀沿晶斷裂和解理穿晶混合斷裂，其中沿晶斷裂為主，屬于沿晶滲碳體網解理脆性斷口。

圖3 NC6鋼顯微組織和晶粒度

圖4 孔洞的SEM形貌

根據以上組織形貌和鋼坯低倍形貌及氧化現象可判斷裂紋起源于心部，并始于開坯工序鋼錠加熱過程，在坯料軋后冷卻、退火過程迅速擴展，造成斷裂。

4 分析與討論

4.1 鋼種及鋼錠特性

NC6 屬于高碳低合金工模具鋼，碳質量分數在1.30%～1.45%，添加其他微量合金元素，屬于過共析鋼。加工過程中如果其加工終止溫度較高，而且終止變形后進入緩慢的冷卻，即在碳化物沿奧氏體粗大晶粒邊界容易析出的條件下，可能形成網狀碳化物[2]，網狀碳化物的析出惡化了材料性能。尤其大型鋼錠，鋼錠冶金質量差，不均勻結晶，成分和組織偏析嚴重，心部冷卻速度更慢，在最后結晶時的嚴重區域偏析，偏析區域碳含量較高，且低熔點雜質都比較多，造成邊部與心部的組織不均勻。

4.2 加熱溫度對斷裂的影響

利用SEM 及EDS 對斷口周圍組織及成分進行分析。同時，借助T13CrV 鋼Thermal-calc 熱力學軟件計算熱力學平衡相圖，如圖5所示。結果表明：高碳低合金T13CrV 鋼退火態的主要碳化物有M7C3、M23C6和MC，固相線溫度、M7C3、M23C6析出溫度依次約為1,320℃、978℃、830℃。理論上加熱溫度在1,000～1,200℃，而實際大型鋼錠存在較嚴重的偏析，固相線會更低，而且加熱溫度過高還會對組織產生惡劣影響，加熱溫度過低熱塑性降低，加工難度增大。生產現場鋼錠加熱實測料溫在1,160℃～1,190℃。

圖5 熱力學平衡計算（參考）

（1）如圖3a、圖3b所示，心部為片狀珠光體、球狀珠光體和微少量石墨，顆粒狀滲碳體數量少于正常T13 退火鋼，由于少量滲碳體發生分解析出游離石墨所致。加工后冷卻速度較慢，滲碳體不能完全球化。邊部相對心部軋后冷卻速度較快，網狀滲碳體為片狀珠光體+球狀珠光體，二次滲碳體呈網狀析出。其析出溫度范圍一般在700℃～900℃，大量析出碳化物的溫度在700℃～750℃，在軋后該溫度區間內快冷能減少碳化物析出。由于加熱溫度偏高，表現晶粒較為粗大（見圖3c），約4級左右。

（2）孔洞周圍如圖4所示。表2中圖譜1掃描電鏡分析結果可知：存在碳化物和氧化物；能譜2 可以得出：鋼錠偏析嚴重，加熱溫度偏高，材料中的C析出后形成了微小量石墨。使得鋼材，強度差、脆性大，降低了材料的強度、韌性和塑性[3]。

表2 孔洞處能譜分析結果 %

4.3 熱應力和組織應力對內部裂紋的影響

鋼錠加熱過程中時，鋼錠溫度的逐步升高，錠表和內部由于加熱溫度下擴散速度的不同導致溫度梯度差，形成外形上的不均勻膨脹而產生的附加內應力。鋼表迅速升溫，具有較高的溫度，首先產生較大的膨脹變形，內部相對錠表溫度較低，產生的變形較小，而在整體變形過程中，制約了各個部分的不均勻變形，產生附加應力。因此在變形較大的錠表形成附加壓應力，變形較小的心部形成附加拉應力。

由于室溫組織為片層狀和球狀珠光體，沿晶界析出的網狀滲碳體的比熱容不同，所占比例不同，以及鋼錠表面、內部及各組織轉變的不同時性，加劇了組織應力，使裂紋迅速擴展。

5 防止斷裂的改進措施及效果

根據對缺陷產生的原因分析，優化了以下工藝要點：

（1）減少鋼錠偏析，降低過熱度。

（2）鋼錠加熱上、下限溫度降低10℃~30℃，控制在1,150℃~1,160℃，終軋溫度控制在Acm以下，軋后快冷至400℃左右收集入坑，減少網狀滲碳體的析出。

（3）降低鋼錠加熱過程溫度梯度，避免大型鋼錠內外溫差過大，如圖6所示。

圖6 改進前、后NC6鋼錠實際加熱情況對比

通過以上改進措施，解決了坯料斷裂問題。后續試制生產，心部未發生斷裂缺陷，各項檢驗指標優良，效果良好。

6 結論

（1）根據鋼坯低倍形貌及氧化現象可判斷裂紋始于開坯工序鋼錠加熱過程，源于心部，在軋后工序擴展產生。

（2）大型鋼錠偏析程度較高，有效減少偏析程度，提高鋼錠冶金質量。

（3）避免裂紋源產生：控制鋼錠加熱溫度，避免心部過熱；降低熱應力和組織應力：降低加熱溫度梯度，緩解大型鋼錠在加熱過程中的內外溫差；控軋控冷，避免網狀滲碳體的析出。