何廣霞 黃 軍 葛恒貴 吳 揚(yáng)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

45鋼板切割裂紋原因分析及控制

何廣霞 黃 軍 葛恒貴 吳 揚(yáng)

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司）

針對(duì)45鋼板火焰切割裂紋的問題，采用低倍、掃描電鏡以及金相等分析手段對(duì)缺陷進(jìn)行了分析，闡明了熱應(yīng)力和相變應(yīng)力是45鋼板火焰切割裂紋產(chǎn)生的主要原因。通過優(yōu)化冶煉及連鑄工藝、火切工藝等措施使得這一問題得到有效的改善。

45 鋼板 火焰切割 裂紋

0 前言

45鋼是用途極其廣泛的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)應(yīng)于日標(biāo)的S45C、美標(biāo)的SAE1045以及歐標(biāo)的C45，其特征為具有較高的強(qiáng)度和抗變形能力，由于該鋼種合金元素主要為C、Si、Mn，不含有其他高價(jià)格合金元素，所以材料性價(jià)比較高。

在模具行業(yè)里，45鋼板廣泛作為模架用鋼材，目前多以熱軋態(tài)或正火態(tài)交貨，為降低采購成本，用戶普遍要求鋼板以火焰切割邊部代替鋸切邊部交付使用，然而用戶在加工使用過程中常會(huì)發(fā)現(xiàn)火焰切割面存在裂紋，且向鋼板內(nèi)部延伸，影響后續(xù)加工使用。據(jù)了解，關(guān)于中高碳碳素模具鋼的火焰切割延遲裂紋問題在其它各鋼鐵企業(yè)也存在，興澄特鋼板材在生產(chǎn)初期也遇到了這個(gè)質(zhì)量問題，特別是厚度超過50 mm的45鋼厚板，通過對(duì)裂紋形成原因的分析及工藝改進(jìn)，這一問題得到有效的解決。

1 生產(chǎn)工藝及成分

鋼板生產(chǎn)工藝流程：高爐鐵水→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→精煉→連鑄→坯料加熱→軋制→（熱處理）→火焰切割→成品檢驗(yàn)。

GB／T 711－2008標(biāo)準(zhǔn)中45鋼的化學(xué)成分詳見表1。

表1 45鋼的化學(xué)成分

2 裂紋宏觀特征

火焰切割后，切割斷面出現(xiàn)沿厚度方向的裂紋，裂紋垂直于厚度方向，寬度0.5 mm ～1 mm，裂紋形貌如圖1所示。

3 裂紋分析

為準(zhǔn)確了解鋼板火焰切割裂紋產(chǎn)生原因，對(duì)圖1所示裂紋處取樣進(jìn)行夾雜物、金相、掃描電鏡以及顯微硬度分析。另外，對(duì)鋼板取低倍樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)。

圖1 45鋼切割斷面裂紋宏觀形貌

3.1 夾雜物檢驗(yàn)

按照GB／T 10561－2005中A法對(duì)缺陷鋼板取樣6處進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，結(jié)果見表2，A＋B＋C＋D＋Ds類夾雜物＜2.5級(jí)，未檢驗(yàn)出大顆粒Ds夾雜物存在。

表2 夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 金相組織分析

在裂紋處取兩塊金相樣，使用Olympus GX51型光學(xué)顯微鏡對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果顯示裂紋處未見脫碳及明顯的夾雜物；試樣最外層的熔融區(qū)形成了魏氏體組織，如圖2（a）所示；而熔融區(qū)以內(nèi)的火焰切割熱影響區(qū)深度接近3 mm；近切割面1 mm內(nèi)的組織為細(xì)片間距珠光體組織，其中摻雜少量魏氏體組織；近切割面2 mm～3 mm處為細(xì)片間距珠光體組織＋鐵素體組織，如圖2（b、圖2c）所示；超過3 mm處為正常的珠光體＋鐵素體組織，如圖2（d）所示。

金相結(jié)果顯示，鋼板存在偏析，熱影響區(qū)的偏析處形成了馬氏體組織，如圖2（e）所示；而非熱影響區(qū)的偏析處基本為珠光體組織，與正常基體組織差異較大，如圖 2（f）所示。

圖2 金相組織

3.3 掃描電鏡分析

利用掃描電鏡（SEM）對(duì)熱影響區(qū)近切割面1 mm處以及熱影響區(qū)偏析處組織進(jìn)行高倍分析，近切割面1 mm處為細(xì)片層的托氏體組織（如圖3所示），而偏析處形成了粗針狀馬氏體。

圖3 掃描電鏡高倍組織2 000倍

3.4 顯微硬度

利用FM－300顯微維氏硬度計(jì)，檢驗(yàn)由火焰切割面向內(nèi)延伸4 mm的全厚度硬度（避開偏析組織馬氏體處），檢驗(yàn)點(diǎn)間隔距離為0.25 mm，硬度結(jié)果如圖4所示。并在500倍下針對(duì)不同組織檢驗(yàn)單點(diǎn)硬度，結(jié)果如圖5（a）所示，熔融區(qū)形成的魏氏體組織硬度達(dá)到409 HV；熱影響區(qū)的硬度由表向內(nèi)隨著鐵素體的增加而逐漸降低，近表層形成的托氏體組織硬度達(dá)到近320 HV，如圖5（b）所示，而鋼板中存在的偏析帶組織硬度較正常的珠光體＋鐵素體組織硬度高出40HV左右，達(dá)到224HV，如圖5（c）所示；熱影響區(qū)的偏析處由珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕冗_(dá)到近550 HV 的馬氏體組織，如圖 5（d）所示［1］。

圖4 熱影響區(qū)硬度分布

圖5 不同組織的顯微硬度500倍

3.5 低倍

對(duì)試樣進(jìn)行橫截面低倍酸浸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼板偏析帶較明顯且厚度1／2處存在一定程度的疏松，如圖6所示。

圖6 鋼板低倍

4 分析與討論

火焰切割鋼材是利用可燃?xì)怏w與氧氣混合燃燒形成的預(yù)熱火焰將鋼材加熱到燃點(diǎn)，然后通過噴射切割氧，使切割處的鋼材劇烈燃燒，并吹除燃燒產(chǎn)生的金屬氧化物而把鋼材分割的一種切割方法。

火焰切割迅速使金屬接觸面達(dá)到遠(yuǎn)超奧氏體化溫度的金屬熔融的溫度，45鋼的火焰切割面熔融區(qū)域快速冷卻，形成了粗大的過熱奧氏體晶體，由于與空氣直接接觸，冷卻速度較快，形成了魏氏體組織。而切割面附近的金屬則出現(xiàn)不同程度的奧氏體化，距離切割面越近奧氏體化程度越高，而距離切割面稍遠(yuǎn)的位置則出現(xiàn)鐵素體未完全溶解而部分奧氏體化的現(xiàn)象。分析表明火焰切割45鋼板時(shí)，切割熱影響區(qū)達(dá)到3 mm左右，在熔化區(qū)附近，鋼板所經(jīng)受的局部高溫使得鋼板組織引起很大的變化，并在距離切割面3 mm的區(qū)域內(nèi)形成了很大的溫度梯度。在距離切割面1 mm的位置由于奧氏體化后的快速冷卻，組織由珠光體＋鐵素體組織轉(zhuǎn)化為細(xì)片間距的托氏體組織，而熱影響區(qū)距離切割面2 mm～3 mm的位置則由于未完全奧氏體化形成細(xì)片間距珠光體＋鐵素體組織。組織變化導(dǎo)致熔融區(qū)和熱影響區(qū)的性能與基體相比發(fā)生了較大變化，表層硬而脆的魏氏體，近表層熱影響區(qū)為高硬度托氏體，從表至里隨著鐵素體的出現(xiàn)，硬度逐漸下降直至正?；w組織的硬度［2］。

從鋼板的低倍結(jié)果看，鋼板存在一定程度的疏松以及偏析，特別是偏析帶較為明顯。顯微硬度結(jié)果顯示，鋼板基體偏析處的硬度達(dá)到220 HV左右，較基體組織高出40 HV，而熱影響區(qū)的偏析處由原來的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀哌_(dá)550 HV的粗針狀馬氏體，粗針狀馬氏體的形成使得45鋼火焰切割熱影響區(qū)的脆性及應(yīng)力增大， 開裂傾向大幅度增加。

綜合分析，鋼板的裂紋為應(yīng)力延遲裂紋，由于較厚鋼板在火焰切割時(shí)的熱輸入較大，在鋼板溫度較低的情況下切割，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而熱輸入導(dǎo)致的組織相變應(yīng)力則是引起裂紋的另一個(gè)重要原因，特別是偏析處馬氏體的形成加速了裂紋的擴(kuò)展。另外，延遲裂紋的存在大部分出現(xiàn)在厚度≥50 mm以上的厚板中，這可能與鋼板的壓縮比不足有關(guān)，當(dāng)軋制變形不能完全滲透到芯部時(shí)，芯部的縮孔不能被軋制焊合，缺陷會(huì)以晶界裂紋的形式存在于鋼板中，當(dāng)這樣的缺陷遇到火焰切割導(dǎo)致的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力時(shí)，會(huì)成為火焰切割應(yīng)力延遲裂紋的裂紋源［3］。

5 改進(jìn)措施及效果

5.1 生產(chǎn)工藝改進(jìn)

（1）冶煉過程中提高鋼水精煉及真空脫氣水平，降低鋼中五大有害元素含量；連鑄過程中利用中間包加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)低過熱度恒拉速連鑄，并在鑄坯的凝固末端采用輕壓下措施改善坯料的中心偏析及疏松。

（2）根據(jù)鋼板的厚度優(yōu)選不同厚度的坯料軋制，確保鋼板的壓縮比在3～5之間，保證壓縮比可以細(xì)化組織晶粒度，且可以使得坯料芯部的部分疏松焊合，減少其作為裂紋源的可能性。但是壓縮比并非越大越好，在滿足壓縮比在3～5之間的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇厚度較薄的坯料，薄坯料因其凝固速度較快，坯料的偏析及疏松均優(yōu)于厚板坯。

（3）在滿足用戶需求的情況下，盡可能地對(duì)鋼板進(jìn)行正火熱處理，根據(jù)對(duì)應(yīng)連鑄坯料的低倍檢測情況，可以適當(dāng)調(diào)整鋼板在爐時(shí)間，其目的是實(shí)現(xiàn)材料奧氏體化后化學(xué)元素的均質(zhì)化處理。

5.2 切割工藝改進(jìn)

（1）消除45鋼火焰切割延遲裂紋的最佳辦法為鋼板帶溫切割，即軋制或熱處理后的鋼板必須及時(shí)帶溫切割，避免冷卻至室溫操作，而對(duì)于已經(jīng)長時(shí)間放置的鋼板，需要進(jìn)行預(yù)熱處理，一般控制45鋼板的預(yù)熱溫度在100℃～200℃之間為宜，帶溫或預(yù)熱切割不僅能夠降低熱影響區(qū)的冷卻速度，改善切割處的組織，且有利于氫的逸處。

（2）對(duì)于切割后需要熱處理的45鋼板盡量及時(shí)入爐，如切割后不需要熱處理，則對(duì)切割后帶溫鋼板堆垛，并注意對(duì)切割面處進(jìn)行保溫處理，可以使用耐高溫棉遮蓋，使得火焰切割處緩慢冷卻并延長保溫時(shí)間，減緩火焰切割熱應(yīng)力，同時(shí)保溫得當(dāng)可以實(shí)現(xiàn)熱影響區(qū)相變組織的低溫自回火，減緩相變應(yīng)力。

5.3 改進(jìn)效果

通過工藝的改進(jìn)，生產(chǎn)的初期遇到的火焰切割延遲裂紋質(zhì)量問題得到有效的改善，用戶質(zhì)量異議大幅度下降。產(chǎn)品質(zhì)量的提升大幅度提高了銷量，目前，興澄特鋼特優(yōu)級(jí)中高碳塑料模具碳素鋼板不僅穩(wěn)定供貨國內(nèi)知名輪胎模具制造商，更是廣泛出口東南亞、中東、歐洲、美洲等國家和地區(qū)。

6 結(jié)論

（1）45鋼板火焰切割處熱影響區(qū)深度近3 mm，熔融區(qū)形成了魏氏體組織，熱影響區(qū)近火切面1 mm處形成了硬度達(dá)到320 HV左右的托氏體組織，而熱影響區(qū)的偏析處形成了粗針狀馬氏體，硬度高達(dá)550 HV左右。

（2）鋼板的裂紋為應(yīng)力延遲裂紋，火焰切割產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而熱輸入導(dǎo)致的組織相變應(yīng)力則是引起裂紋的另一個(gè)重要原因，特別是偏析處馬氏體的形成加速了裂紋的擴(kuò)展。

（3）連鑄坯質(zhì)量對(duì)鋼板的火切應(yīng)力延遲裂紋有著很大的影響，除偏析導(dǎo)致的相變應(yīng)力外，內(nèi)部疏松在軋制未能完全焊合的情況下則會(huì)成為火焰切割應(yīng)力延遲裂紋的裂紋源。

（4）通過優(yōu)化冶煉工藝降低鋼中有害元素，改善連鑄工藝提高板坯質(zhì)量，針對(duì)不同厚度鋼板選用合適的板坯以及優(yōu)化切割工藝，可以使火焰切割延遲裂紋這一質(zhì)量問題得到有效解決。

［1］ 鐘振前，朱衍勇，王曉輝，等.鋼板火焰切割失效分析［J］.物理測試， 2010，28 （1） ：38－41.

［2］ 張濤，候華興，楊軍，等.耐磨鋼板NM400切割延遲裂紋分析［J］.鋼鐵釩鈦，2013，34（5）：89－94.

［3］ 彭賓.厚規(guī)格耐磨鋼板切割延遲裂紋缺陷產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防措施初探［J］.寬厚板，2016，22（4）：24－26.

CAUSE ANALYSIS AND COUNTERMEASURES OF CUTTING CRACKS OF 45 STEEL PLATE

He Guangxia Huang Jun Ge Henggui Wu Yang
（Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co.Ltd）

Aiming at analyzing the causes of cutting cracks of 45 steel plate，this thesis investigates the reason via macro－examination， SEM， microstructure analysis， etc.The results indicate that the thermal stress and phase transforma?tion stress are the main reasons of the formation of cutting cracks.This thesis finds that the the risk of flame cutting cracks can be reduced by optimizing smelting and continuous casting technology， cutting process， etc.

45 plates flame cutting cracks

聯(lián)系人：何廣霞，高級(jí)工程師，江蘇.無錫（214400），江陰興澄特種鋼鐵有限公司特板研究所；

2017—6—30