美標SAE1215圓鋼表面開裂原因分析

黃鑄銘，周成宏，廖子東，葉德新，劉年富

(寶武杰富意特殊鋼有限公司，廣東 韶關 512123)

易切削鋼是在鋼中添加易切削元素，以改善切削性能，降低刀具損耗[1]。按添加易切削元素可分為硫系、鉛系、鈣系、碲系、硒系、鈦系及復合易切削鋼等，其中硫系易切削鋼占比90%以上，是目前使用量最大的系列[2]。美標SAE1215鋼屬于低碳高硫易切削鋼，以其良好的易加工性和環保性，廣泛應用于汽車、通用機械等行業[3]。現某鋼廠美標SAE1215棒材的生產工藝流程為120t BOF→LF→320 mm×425 mm大方坯→加熱→除鱗→軋制→矯直→探傷→包裝→成品入庫。2021年7月份在某鋼廠大棒線生產時發現SAE1215成品圓鋼表面存在大量通條開裂現象(見圖1)，經表面漏磁探傷檢測(標準≤0.2 mm)合格率為零(見表1)，造成批量報廢，造成較大經濟損失。為查明原因并防止此類問題再次發生, 對存在圓鋼開裂的樣品取樣進行分析研究，并提出改善措施。

表1 化學成分分析結果(質量分數，%)

圖1 圓鋼表面宏觀形貌

表1 SAE1215圓鋼探傷合格率統計表(%)

1 檢測過程及結果

1.1 宏觀形貌觀察

從SAE1215圓鋼表面探傷不合格位置截取一段長度300 mm試樣，酸洗后觀察試樣表面宏觀形貌，如圖1所示。圓鋼表面存在多條裂紋，長短不一，部分裂紋分叉形成三角形溝槽。

1.2 化學成分分析

采用OBLFQSN750-Ⅱ直讀光譜儀對開裂的試樣進行光譜成分分析，化學成分分析結果見表 2。SAE1215圓鋼化學成分符合協議標準的技術要求。

1.3 顯微組織觀察

將試樣沿開裂位置橫向剖開，用標準方法研磨拋光后采用Zess光學顯微鏡觀察，試樣橫向顯微組織如圖2所示。由圖2可知，裂紋深度接近2 mm，由試樣表面呈斜V型角向基體內部延伸，整體呈現兩頭粗中間細的形態；裂縫中有大量灰色物質，附近有明顯內氧化質點，周圍基體組織中分布大量細小的點狀夾雜物。經4%硝酸酒精腐蝕后，觀察裂紋附近脫碳不明顯，基體組織為鐵素體+極少量珠光體。

圖2 開裂處橫向顯微組織

為進一步確認裂縫中灰色物質的成分，試樣經超聲波清洗后采用Zess 掃描電子顯微鏡(EVO18)進行觀察，并結合能譜分析儀(EDS)對微區成分進行分析，結果如圖3所示。由圖3可知，裂縫中灰色物質主要含O、Fe元素，是氧化鐵的成分，未發現其他異常物質；周圍基體組織中分布的點狀夾雜物為MnS。由于SAE1215鋼屬于低碳高硫易切削鋼，硫含量高，硫化物主要以MnS 形式存在于鋼中，硫化物呈球狀或紡錘狀均勻分布，有利于改善切削加工性能[4]。

圖3 試樣SEM形貌及EDS能譜圖

1.4 連鑄坯表面觀察與分析

為進一步驗證開裂爐次的連鑄坯表面質量情況，對庫存該爐次剩余連鑄坯截取兩段長度400 mm的試樣，參考標準GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》采用冷酸浸蝕法對連鑄坯表面進行酸洗，以達到去除表面氧化鐵皮的目的。發現連鑄坯表面存在密集氣孔，經測量深度在4 mm以上，如圖4所示。根據SAE1215棒材的生產工藝，連鑄坯在軋制前還要經過加熱爐高溫加熱和除鱗工序，加熱溫度為1180～1200 ℃，加熱時間為240～300 min，除鱗水壓力≥23 MPa，高溫長時間加熱會在連鑄坯表面形成一層厚的氧化鐵皮，并經高壓水除鱗后除去。但該連鑄坯表面氣孔是否在加熱過程中被氧化燒損后除去，還需要進一步驗證。

圖4 連鑄坯酸洗后表面宏觀形貌

1.5 軋制試驗

為進一步驗證加熱和除鱗能否把連鑄坯表面氣孔除去，在某鋼廠大棒線開展軋制試驗。開裂爐次的剩余連鑄坯經加熱爐加熱和高壓水除鱗后，在連軋機組前剔除，待冷卻至室溫后，檢查連鑄坯表面，發現表面氣孔未消除，如圖5所示。隨后再次將該剔除的連鑄坯重新入爐加熱軋制成圓鋼，圓鋼表面探傷合格率為零，存在肉眼可見的開放性裂紋。將裂紋試樣沿橫向切開，采用金相顯微鏡觀察裂紋深度接近2 mm，裂縫中有大量灰色物質，附近有明顯內氧化質點，與前述1.3中的裂紋分析結果一致，如圖6所示。

圖5 連鑄坯加熱除鱗后宏觀形貌

圖6 圓鋼表面裂紋形貌

2 原因分析與討論

化學成分分析結果表明，該SAE1215圓鋼的化學成分符合標準要求，化學成分無異常。

顯微組織觀察和能譜分析結果表明，裂紋深度接近2 mm，組織為鐵素體+極少量珠光體；裂縫兩側未見明顯脫碳和異常組織，裂縫內灰色物質為氧化鐵，裂紋兩側組織有明顯內氧化質點，內氧化質點是高溫下缺陷中氧化鐵前沿氧擴散析出的結果[5]。文獻研究表明：SAE1215鋼屬低碳高硫易切削鋼，由于其高氧、高硫、高磷的成分特性，鋼水表面張力低、鋼渣難分離，易引起連鑄坯表面產生皮下氣泡、夾渣、深振痕等缺陷[6]。連鑄坯缺陷經加熱爐高溫長時間加熱后，缺陷附近組織經高溫氧化后會產生氧化質點，說明圓鋼裂紋可能來源于連鑄坯上的原始缺陷。通過對開裂爐次剩余連鑄坯表面酸洗分析，發現該爐次連鑄坯表面存在密集氣孔，深度在4 mm以上，未發現夾渣、深振痕等表面缺陷。通過軋制試驗研究發現高壓水除鱗后連鑄坯表面氣孔無法消除，在軋制成圓鋼后，表面探傷合格率為零，存在肉眼可見的開放性裂紋，說明連鑄坯表面氣孔是引起軋制后圓鋼表面開裂的主要原因。

3 改進措施

1)控制精煉過程氧含量，減少鋼水中氣泡的產生；

2)采用低碳高硫易切削鋼專用保護渣，提高透氣性，有利于氣體的排出，降低表面缺陷風險；

3)控制結晶器電磁攪拌電流，保持結晶器內鋼水攪拌強度，促進C和O結合反應產生氣泡并及時上浮去除;

通過以上改進措施，特別是對鋼水中氧含量的控制，連鑄坯表面氣孔明顯減少，成品圓鋼表面探傷合格率達到93%～97%。