付長(zhǎng)亮

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司產(chǎn)品質(zhì)量部，天津300301）

0 引言

Q355B鋼板因其綜合力學(xué)性能好、焊接性好以及性價(jià)比較高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件和汽車結(jié)構(gòu)件件等。鋼板在實(shí)際使用過(guò)程中經(jīng)常需要折彎使用，在折彎過(guò)程中可能會(huì)因鋼板質(zhì)量不良，或者因加工條件過(guò)于苛刻，造成鋼板折彎開(kāi)裂，導(dǎo)致工件報(bào)廢。2019年初，收到某用戶反饋大量Q355B鋼件折彎時(shí)發(fā)生局部開(kāi)裂的質(zhì)量異議，需要找到鋼板折彎開(kāi)裂原因，采取措施避免類似問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。

1 問(wèn)題分析

用戶采購(gòu)8 mm厚鋼板制作挖掘機(jī)部件。鋼板下料后進(jìn)行72°折彎時(shí)，大量鋼件局部發(fā)生開(kāi)裂，鋼件折彎方向與鋼板縱向相同，開(kāi)裂位置隨機(jī)發(fā)生，裂紋長(zhǎng)度為2～5 cm；鋼件其他部位無(wú)表面裂紋。用戶使用折彎?rùn)C(jī)頂頭為圓弧形貌，沖壓速度為1 cm/s，為緩慢沖壓，在同行業(yè)內(nèi)，折彎條件較好。綜合鋼板使用條件和開(kāi)裂特點(diǎn)，初步推測(cè)鋼板開(kāi)裂是由于鋼板內(nèi)部質(zhì)量不良原因造成的。由于鋼板折彎開(kāi)裂位置比較隨機(jī)，非通體形貌開(kāi)裂，且長(zhǎng)度較短，因此對(duì)折彎開(kāi)裂部位和未開(kāi)裂部位分別取樣，通過(guò)對(duì)比分析查找開(kāi)裂原因。

2 檢測(cè)及原因分析

2.1 鋼板成分及力學(xué)性能

對(duì)鋼板非彎曲部位取樣，檢測(cè)鋼板成分、力學(xué)性能和工藝性能，結(jié)果如表1和表2所示。

根據(jù)表 1 可知，鋼板化學(xué)成分 C、Si、Mn、P、S 分別為 0.17%、0.33%、1.33%、0.023%和 0.019%，成分符合國(guó)標(biāo)要求。其中，P成分位于標(biāo)準(zhǔn)中線偏上，S成分位于標(biāo)準(zhǔn)中線附近。根據(jù)表2可知，鋼板橫向試樣力學(xué)性能檢測(cè)屈服強(qiáng)度為410 MPa、抗拉強(qiáng)度為560 MPa、斷后伸長(zhǎng)率為27%，試樣180°彎曲后，未見(jiàn)裂紋，鋼板性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 鋼板化學(xué)成分檢測(cè) wt/%

表2 鋼板性能檢測(cè)

2.2 金相和電鏡檢測(cè)

對(duì)鋼件斷裂部位和未斷裂部位分別取樣進(jìn)行金相顯微鏡檢測(cè)，通過(guò)對(duì)比檢測(cè)分析，查找鋼件局部開(kāi)裂原因。

斷裂試樣制樣拋光后，通過(guò)金相顯微鏡檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼板心部存在多條裂紋，裂紋附近有大量條狀?yuàn)A雜物，裂紋方向與條狀?yuàn)A雜物方向一致，利用能譜分析夾雜物主要成分為MnS，試樣拋光金相形貌如圖1所示；縱向試樣檢測(cè)試樣心部存在較多A類超級(jí)夾雜物級(jí)。試樣腐蝕后，發(fā)現(xiàn)心部存在嚴(yán)重組織偏析和夾雜物偏聚，且產(chǎn)生條帶狀馬氏體和貝氏體異常組織，如圖2所示。

圖1 心部裂紋處拋光形貌和能譜分析

圖2 心部裂紋處酸浸形貌

非斷裂部位金相拋光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼板心部存在一些短小硫化物夾雜，夾雜物總體數(shù)量不多，試樣腐蝕后，心部組織主要為鐵素體和珠光體，存在輕微偏析。與斷裂部位試樣心部情況相比，夾雜物尺寸和數(shù)量均小很多，且鋼板心部無(wú)明顯異常組織。非斷裂試樣心部拋光形貌見(jiàn)圖3。非斷裂試樣心部酸浸形貌見(jiàn)圖4。

圖3 非斷裂試樣心部拋光形貌

圖4 非斷裂試樣心部酸浸形貌

3 原因分析

3.1 折彎開(kāi)裂原因分析

Q355B鋼板折彎后，對(duì)比開(kāi)裂部位鋼板心部和未開(kāi)裂部位鋼板心部金相顯微形貌具有明顯差異。開(kāi)裂部位鋼板心部存在較多硫化物夾雜，沿著夾雜物方向存在多條裂紋，且心部組織偏析嚴(yán)重，并因偏析產(chǎn)生馬氏體和貝氏體組織[1]。而未開(kāi)裂部位鋼板心部組織偏析較輕、夾雜物數(shù)量不多且短小。夾雜物與機(jī)體不是緊密連接的，硫化物夾雜的存在，切割了基體的連續(xù)性，其本身存在位置就是裂紋萌生處。同時(shí)，鋼板馬氏體和貝氏體等脆性異常組織，其塑性較差，也容易發(fā)生脆性開(kāi)裂。

鋼板折彎受外力的過(guò)程中，存在夾雜物之處容易發(fā)生應(yīng)力集中，被夾雜物隔絕不連貫的基體容易萌生裂紋，首先產(chǎn)生裂紋源，外加鋼板心部存在脆性組織嚴(yán)重影響塑性，促使裂紋急劇擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼板折彎后開(kāi)裂。因此，鋼板折彎開(kāi)裂是鋼板局部心部存在嚴(yán)重硫化物偏聚和心部嚴(yán)重偏析產(chǎn)生組織異常所致。

3.2 硫化物和偏析原因分析

硫化物屬于內(nèi)生夾雜物，根據(jù)鋼板成分檢測(cè)S含量為0.019%，含量不高，而金相顯微鏡檢測(cè)鋼板局部硫化物夾雜較多、較大。推測(cè)夾雜物的來(lái)源應(yīng)該是鋼中的硫化物夾雜沒(méi)有得到充分的上浮和分離，在鋼液凝固的過(guò)程中與鑄坯心部進(jìn)一步聚集成長(zhǎng)，在后續(xù)鋼板軋制的過(guò)程中硫化物延展變形，形成條帶狀的硫化物。

中心偏析產(chǎn)生于連鑄過(guò)程，其形成機(jī)理主要有3方面[2]，包括鋼液中易偏析物質(zhì)含量高、鑄坯柱狀晶生長(zhǎng)不穩(wěn)定且過(guò)于發(fā)達(dá)、坯殼發(fā)生鼓肚。鋼液易偏析物質(zhì)主要有C、S、Mn和硫化夾雜物，當(dāng)鋼液從坯殼表面向中心凝固的過(guò)程中，易偏析物質(zhì)會(huì)從固液相界上平衡移動(dòng)，最終富集在鑄坯凝固末端，產(chǎn)生中心偏析。鑄坯凝固過(guò)程中柱狀晶生產(chǎn)不穩(wěn)定且過(guò)于發(fā)達(dá)，當(dāng)發(fā)達(dá)的柱狀晶形成“搭橋”時(shí)，“搭橋”附近的鋼液凝固收縮后得不到上部鋼水補(bǔ)充而形成疏松或縮孔，具有一定的負(fù)壓，產(chǎn)生中心偏析。鑄坯凝固過(guò)程中發(fā)生鼓肚，鑄坯中心容易產(chǎn)生空穴，空穴中負(fù)壓較大，導(dǎo)致易偏析物質(zhì)在鑄坯中心富集，生產(chǎn)中心偏析。

4 控制措施

從硫化物心部偏聚和中心偏析的產(chǎn)生原因來(lái)看，兩者既有各自的產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)又相互影響。硫化物自身屬于易偏聚夾雜物，容易加劇中心偏析的產(chǎn)生；同時(shí)，中心偏析的過(guò)程也會(huì)促使夾雜物進(jìn)一步偏聚長(zhǎng)大，生成較大夾雜物。因此，保證鋼板內(nèi)部質(zhì)量既要采取措施提升鑄坯內(nèi)部潔凈度，又要采取措施減輕鑄坯中心偏析。

4.1 去除夾雜物

控制夾雜物的重點(diǎn)是保證鋼中較大級(jí)別夾雜物充分去除。一方面要充分利用氣體攪拌工藝，嚴(yán)格執(zhí)行鋼包吹氬攪拌強(qiáng)度、精煉吹氬時(shí)間，保證鋼液中較大的硫化物得到充分上浮和分離；一方面要保證鋼液流動(dòng)過(guò)程中有合適的流場(chǎng)，結(jié)晶器水口插入深度要適中，確保結(jié)晶器內(nèi)鋼液流場(chǎng)的合適與穩(wěn)定，既要進(jìn)一步去除鋼中夾雜物，又要防止卷渣導(dǎo)致鋼水受到污染。

4.2 抑制柱狀晶生長(zhǎng)

控制連鑄時(shí)合適的澆鑄溫度和拉坯速度[3]。澆鑄溫度越高，鑄坯柱狀晶越發(fā)達(dá)；連鑄拉速快，鑄坯液芯延長(zhǎng)，推遲等軸晶形核和長(zhǎng)大，導(dǎo)致柱狀晶區(qū)域擴(kuò)大。因此，在不引起水口堵塞，綜合平衡鑄坯產(chǎn)量和質(zhì)量情況下，降低澆鑄溫度和拉坯速度。

4.3 合適的連鑄工藝技術(shù)

保證冷卻水量和壓力滿足工藝操作要求，加強(qiáng)水通道檢修，保證鑄坯表面均勻冷卻，防止柱狀晶不均勻生長(zhǎng)；加強(qiáng)設(shè)備檢修，確保二冷水區(qū)夾輥嚴(yán)格對(duì)弧，防止鑄坯鼓肚；采用合理的鑄坯輕壓下技術(shù)和開(kāi)啟連鑄電磁攪拌技術(shù)，提升鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析Q355B鋼板開(kāi)裂部位和非開(kāi)裂部位金相形貌，確定鋼板折彎開(kāi)裂過(guò)程中發(fā)生局部開(kāi)裂的原因是鋼板局部存在嚴(yán)重心部硫化物偏聚和心部偏析，根據(jù)折彎板開(kāi)裂原因制定合理的鋼板質(zhì)量控制措施，包括充分去除鋼中大型夾雜物、穩(wěn)定連鑄工藝參數(shù)、穩(wěn)定連鑄設(shè)備和采取輔助優(yōu)化措施，保證連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定，避免類似問(wèn)題再次發(fā)生。