非調質鋼1E1106“黑心”問題研究

王 偉，田 剛，盧春光

（1.中鋼集團西安重機有限公司，陜西 西安 710201；2.陜鋼集團產業創新研究院有限公司，陜西 漢中 723000）

0 引言

非調質鋼是在傳統碳鋼的基礎上加入Nb、V 和Ti 等微合金化元素，采用控鍛（軋）控冷等強韌化方法，達到或接近調質鋼力學性能的一類優質或特殊質量的結構鋼。隨著國內汽車制造行業的快速發展，市場競爭日趨激烈。從降低成本的角度出發，越來越多的車企使用非調質鋼替代常規調質鋼制造汽車曲軸、連桿和液壓桿等零部件，符合汽車輕量化的設計前沿理念[1]。據國際汽車制造商協會數據顯示，我國2021年汽車年產量約2 608 萬輛，隨著我國汽車工業的迅速發展，國內對于非調質鋼的需求量不斷增長。非調質鋼1E1106 做為液壓缸材料，是挖掘機、叉車等主機的強度構件。非調質鋼1E1106 與調質的42CrMo、40Cr 和45 鋼相比，機械性能更好，從心部到邊緣的硬度更均勻，疲勞壽命更長，且無需調質處理及相關的矯直、運輸，可大幅度降低制造成本。非調質鋼1E1106 是響應政府節能減排要求的新型產品，同時也符合發達國家的準入制度，更容易得到政策支持，并能提高產品的國際市場競爭力。某鋼鐵企業在開發1E1106 鋼種時，各項性能指標均滿足用戶要求。但是，軋材出現“黑心”超標，摩擦焊將導致桿心部生成馬氏體，產生很大的組織應力，甚至造成心部開裂，最終產生廢品。本文對合格批次及不合格批次生產過程、檢驗結果進行對比分析，查找其產生的原因。

1 生產工藝及分析方法

某鋼鐵企業生產非調質鋼的工藝流程為：150 t電爐冶煉＋120 tLF 精煉＋VD 脫氣→連鑄機連鑄Φ500 mm 圓坯→緩冷→檢查、修磨→連軋產材→控冷（穿水）→冷床冷卻→入坑緩冷→矯直→表面清理→探傷→檢驗、檢查→包裝、上交。

本試驗采用生產Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm三個規格。對Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm 三個規格進行低倍冷蝕檢驗，不同程度出現了“黑心”超標情況，且同一規格、同一爐號不同取樣位置所檢測的“黑心”直徑不同。

首先，將試樣浸入15%硝酸酒精溶液中進行充分腐蝕，用棉球擦拭腐蝕面，使腐蝕均勻一致，時間為0.5～2 min。然后，將試樣放入鹽酸中，用質地柔軟的棉球（棉布）擦拭，腐蝕時間為10～15 s，以達到腐蝕效果。樣品的表面顏色會變淺，特征腐蝕點的侵蝕顏色會變深。

采用游標卡尺測量試樣中心黑色腐蝕點的最大長度，按照公式計算“黑心”直徑是否符合要求，“黑心”判定標準如表1 所示。

表1 鋼材“黑心”判定標準

2 原因分析

對不同規格不同程度出現“黑心”超標試樣進行低倍、成分偏析、晶粒度和金相組織分析，結果表明，由于成分C、Mn 偏聚在鋼坯中心，造成心部大顆粒珠光體產生。因此，成分偏析是導致非調質鋼1E1106 冷蝕“黑心”的主要原因。

2.1 低倍熱蝕

為驗證“黑心”是否為中心疏松造成，選取在低倍冷蝕檢驗過程中“黑心”直徑較大的低倍片做熱蝕試驗，結果如圖1 所示。由此可見，中心疏松并非造成“黑心”的原因。

圖1 中心疏松0.5 級

2.2 成分偏析檢驗

為驗證“黑心”是否為中心成分偏析造成，選取在低倍冷蝕檢驗過程中“黑心”直徑不同的低倍片做成分偏析試驗。選取爐號X33200、X33201，黑心直徑為5 mm 和0 mm（合格成品）的低倍片為試驗樣品，低倍檢驗，進行成分偏析試驗。具體取樣方法見圖2。

圖2 取樣方法圖

試驗結果如圖3 所示。從圖3 的C 成分和Mn 成分偏析分布圖可看出，“黑心”直徑5 mm 的爐次偏析明顯嚴重。

圖3 C、Mn 成分偏析分布圖

2.3 組織分析

取中心存在“黑心”的試樣小塊觀察金相組織，用2%的硝酸酒精溶液腐蝕20 s，其宏觀形貌出現“黑心”，且“黑心”周圍存在環狀白亮區域。放大100 倍發現，“黑心”部位以粗大珠光體為主，而白亮區域出現大量細小鐵素體，如圖4 所示。

圖4 鋼材黑心部位組織圖

取Φ125 mm 鋼材的邊緣、1/2R 處和中心處三種不同位置組織，放大200 倍后，發現鋼材不同位置存在明顯的組織差異，具體結果如圖5 所示。

圖5 規格Φ125 mm 鋼材不同位置組織圖

2.4 晶粒度分析

分別從三種鋼材Φ110 mm、Φ125 mm 和Φ140 mm的表面、1/2R 處和中心處取樣，采用面積法，測定晶粒度級別，具體結果如表2 所示。由表2 可知，鋼材從表面至心部晶粒度存在極差，不同規格晶粒度不同。

表2 不同規格鋼材晶粒度

3 結語

非調質鋼因其省略調質熱處理工序，對鋼的化學成分及成分偏析控制有很高的要求。通過分析可知，由于成分C、Mn 偏聚在鋼坯中心，造成心部大顆粒珠光體產生。“黑心”處存在較嚴重C、Mn 成分偏析，摩擦焊將導致桿心部生成馬氏體，產生很大的組織應力，造成心部開裂，最終產生廢品。因此可知，造成非調質鋼1E1106 冷蝕“黑心”的原因應為成分偏析。通過控制過熱度，調整拉速，使電磁攪拌與拉速最佳配合，減輕鑄坯芯部偏析，產品在摩擦焊接后心部就不出現馬氏體組織。高溫大壓下對鋼坯進行粗軋，使鋼坯心部充分焊合，枝晶充分破碎細化，精軋前進行控溫，精軋后快速冷卻，對控軋控冷技術的精確掌握，可大幅度降低“黑心”廢品。