供稿|劉克云，劉巖松，李剛 /

內(nèi)容導讀

某用戶在用St52.3熱軋鋼帶制成冷拔直縫焊管，進行打壓測試時發(fā)生開裂。本文通過掃描電鏡和顯微維氏硬度對試樣斷口的形貌、組織、硬度進行測試，并對煉鋼生產(chǎn)過程進行分析。結(jié)果表明，頭坯內(nèi)部質(zhì)量不良，澆鑄頭坯中非金屬夾雜物過多和成分偏析引起帶狀組織，是焊管形成鉤狀裂紋的主要原因。鋼管在冷拔過程中使裂紋逐步擴展，在打壓的過程中爆裂。

St52.3是DIN17100中的牌號，廣泛用于制造各類工程機械，如礦山和各類工程施工用的鉆機、電鏟、電動輪翻斗車、礦用汽車、挖掘機、裝載機、推土機、各類起重機、煤礦液壓支架等機械設(shè)備及其他結(jié)構(gòu)件。

制作流程為：熱軋卷—分條—ERW制管—退火—表面處理—冷拔—打壓測試—退火—探傷—涂油包裝。根據(jù)用戶對化學成分的要求生產(chǎn)了St52.3鋼卷，厚度8.6 mm、寬度1430 mm。制管前沿軋制方向裁分成3條，按制作流程制作成液壓缸，其中一個鋼卷制成的鋼管冷拔后，在注水打壓測試過程中出現(xiàn)開裂。本文針對鋼管的開裂現(xiàn)象采用掃描電鏡和顯微硬度計等儀器進行檢測，對開裂原因進行了分析。

St52.3生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

St52.3的化學成分滿足用戶St52.3熱軋鋼帶的要求，如表1所示。

由于生產(chǎn)前已獲悉用戶的工作環(huán)境要求該鋼在熱處理后要求具有足夠的強度、抗壓性能和沖擊韌性，要求各類非金屬夾雜物等級≤2.0級，因此為保障軋制卷板的質(zhì)量穩(wěn)定，煉鋼工序采取了一系列保障措施，如單獨澆鑄、爐外精煉深脫硫、Ca質(zhì)處理、靜置吹氬、全程保護澆鑄、液芯壓下。在進一步工藝排查中發(fā)現(xiàn)，開裂的焊管僅對應(yīng)連鑄生產(chǎn)的第一塊鑄坯，其余鑄坯生產(chǎn)的焊管沒有此類缺陷。

斷口分析

鋼管注水打壓測試壓力31.5 MPa，其中一個鋼卷生產(chǎn)的鋼管在打壓過程中開裂，開裂形貌如圖1(a)所示，裂口貫穿鋼管長度方向。將圖1(a)中紅色圓圈的部位切下來，其斷口形貌如圖1(b)所示。

斷口形貌

將斷口放大后，可以明顯的看到斷口上有兩條分界線將斷口分為3個區(qū)域，如圖2所示。區(qū)域α位于鋼管外表面，區(qū)域β位于鋼管中間，區(qū)域γ位于鋼管內(nèi)表面；且鋼管的整個斷口均存在3個區(qū)域，但不同位置3個區(qū)域所占厚度比例稍有不同。此外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域α和區(qū)域γ的斷口較為整齊，區(qū)域β的斷口呈撕裂狀。

表1 化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖1 鋼管管體開裂和斷口宏觀形貌：(a)開裂；(b)斷口

圖2 試樣斷口形貌

組織

按圖1(b)中標注的紅色豎線切割試樣，觀察斷口橫斷面的組織形貌，如圖3所示。對比3個不同位置裂口的大小，發(fā)現(xiàn)位置1的開裂程度最大，位置1更靠近起裂位置，位置1中外表面的開裂程度最大，裂紋由外表面起裂。根據(jù)斷口橫斷面的金屬流線形貌，裂紋由外表面起裂，沿著金屬流線延伸，宏觀形貌為圖2中區(qū)域α；隨后垂直于金屬流線擴展，形成撕裂狀的圖2中區(qū)域β宏觀形貌；最后沿金屬流線擴展至內(nèi)表面，形成圖2中區(qū)域γ的宏觀形貌。

圖3 試樣斷口橫斷面的形貌

觀察金屬流線處的組織，為鐵素體和珠光體交替的層狀組織，如圖4所示。雖然這種層狀組織的寬度10～50 μm，但是這種層狀組織延伸至鋼管表面，并暴露在外，在外力的作用下，易產(chǎn)生層狀組織分開的裂紋，圖4(a)所示。在進一步放大后，發(fā)現(xiàn)組織中存在大量的非金屬夾雜物，多為不連續(xù)的、細長條狀的硫化物夾雜物，圖4(b)中箭頭所指；也有不規(guī)則形貌的氧化物、氮化物夾雜，圖4(b)中圓圈處所示。

圖4 試樣斷口微觀組織

顯微維氏硬度

顯微維氏硬度的檢測表明，個別區(qū)域顯微維氏硬度413，正常鐵素體+珠光體區(qū)域顯微維氏硬度269，相差154。

原因分析

通過裂紋的形貌分析，裂紋的起裂位置位于焊管的外表面焊縫附近，裂紋向內(nèi)表面擴展。金屬流線是由于直縫焊接的過程中擠壓，退火后形成鐵素體與珠光體交替的條帶狀組織，這種組織強度呈層狀分布，易于裂紋在強度低的位置擴展，因此裂紋沿著金屬流線擴展，形成較為整齊的斷口；隨著不斷擴展，裂紋的擴展方向與金屬流線的方向夾角變大，裂紋不容易繼續(xù)沿金屬流線擴展，繼而切斷條帶狀組織，形成撕裂斷口；隨著裂紋向內(nèi)表面擴展，裂紋的擴展方向與金屬流線的方向夾角變小，裂紋又沿金屬流線擴展，從而形成了3個明顯的斷口區(qū)域。此裂紋為鉤狀裂紋，在高壓下擴展，導致鋼管開裂。

根據(jù)非金屬夾雜物形貌分析，鋼中存在大量的硫化物、氧化物夾雜，降低鋼的塑性、韌性，增加了裂紋擴展的可能性，也可能是裂紋的起源。生產(chǎn)冷拔直縫焊管的熱軋鋼卷原料時，應(yīng)對非金屬夾雜物進行嚴格控制。通過查詢煉鋼生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)該卷軋制所用的連鑄坯為澆次頭爐頭坯，開澆后頭部切除700 mm出坯，該爐澆鑄溫度偏高，鋼水的過熱溫度達到了46 ℃，極易造成鋼水的二次氧化，并對鋼包和澆注系統(tǒng)的耐火材料的侵蝕加劇，從而增加外來夾雜物的含量，造成頭坯中總體夾雜物含量偏高。趙坤等[1]研究認為,熱軋卷板中的非金屬夾雜物是形成HFW焊縫鉤狀裂紋的主要原因。澆鑄的第一塊鑄坯(即頭坯)在未穩(wěn)態(tài)情況下澆鑄，非穩(wěn)態(tài)嚴重影響鋼的內(nèi)部質(zhì)量，因此切除頭部非穩(wěn)態(tài)澆鑄的部分至關(guān)重要。吳龍等[2]研究認為超低碳鋼頭坯2 m處ω(T[O])降低到35×10?6，夾雜物以Al2O3為主，含量大大降低，二次氧化帶來的簇狀Al2O3夾雜物數(shù)量少，聚集范圍變小，切頭2 m后鑄坯潔凈度可滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

根據(jù)顯微維氏硬度檢測結(jié)果，個別位置的顯微維氏硬度遠高于正常位置，可能為原料鋼板的成分偏析形成的硬相組織，在焊接和退火的過程中未能消除，或者為硬相非金屬夾雜物。

結(jié)束語

St52.3鋼帶制管后打壓開裂的主要原因是頭坯內(nèi)部質(zhì)量不良，成分偏析與非金屬夾雜物并存；成分偏析引起組織帶狀，非金屬夾雜在帶狀組織中，進一步惡化了鋼的塑性。在焊管后出現(xiàn)鉤狀裂紋，冷拔和打壓實驗讓鉤狀裂紋擴展，最終爆裂。對于非金屬夾雜物要求嚴格的產(chǎn)品，應(yīng)加強頭坯澆鑄質(zhì)量控制，并且應(yīng)切除一定的距離，以獲得潔凈度良好的鑄坯。