模铸大圆坯纵裂原因分析

李秋兰

（太原重工轨道交通设备有限公司，山西 太原 030032）

我国铁路建设的投资力度不断加大，在此背景下，公司研究开发了500mm车轮圆钢锭用于车轮的坯料。用此坯料生产的车轮，其成品各项性能检验均合格，但在钢锭浇注冷却后，钢锭发生“纵裂”的比例较多，造成钢锭废品率提高，给公司造成了较大的经济损失。

1 缺陷形貌及解剖分析

1.1 化学成分分析

对6398炉号圆锭裂纹处进行化学成分和微量元素分析，无异常，化学成分符合要求，与裂纹形成没有关系。如图1、表1、表2所示。

表1 6398 炉号化学成分（质量分数，%）

表2 6398 炉号裂纹处微量元素分析（质量分数 ，%）

1.2 6398 炉号“ 纵裂”金相组织及显微硬度分析

图1 6398“ 纵裂”缺陷形貌

图2 6398“ 纵裂”横截面形貌

6398圆锭“纵裂”部位横截面金相组织如图3所示，从图3可以看出：

1）“纵裂”缺陷的裂口边缘为大片的铁素体组织，其铁素体带宽度约100μm～400μm（图3c）、图3d）.说明珠光体经高温、长时间氧化脱碳，已全部转变为铁素体。表明钢锭是在凝固冷却、收缩过程中产生的热应力，导致的初始裂纹。

2）试样在观察完金相组织后进行显微硬度测试，试验设备FM-ARS9000，执行标准为GB/T 4340，试验加载力为1N，试验结果：铁素体显微硬度HV0.1≈100，钢材基体“珠光体+网状铁素体”显微硬度HV0.1≈210.

图3 6398 圆锭“ 纵裂”缺陷横截面的组织形貌×50

1.3 6419 炉号“ 纵裂”金相组织及显微硬度分析

1）“纵裂”形貌见图4，裂纹深度约4mm，裂口边缘为大片的铁素体组织（图5），其铁素体带宽度约200μm～400μm，铸态晶粒较粗大；

图4 6419“ 纵裂”裂口表面及横截面

图5 6419“ 纵裂”缺陷横截面的金相组织与晶粒形貌，×50

2）试样在观察完金相组织后进行显微硬度测试，试验设备FM-ARS9000，执行标准为GB/T 4340，试验加载力为1N，试验结果：铁素体（全脱碳层）显微硬度HV0.1≈113～123，半脱碳层HV0.1≈148～174；铸态基体为“珠光体+粗大网状铁素体”，其硬度HV0.1≈199～236，具体试验结果见表3.

表3 “ 纵裂”缺陷部位金相组织及其显微硬度检测

1.4 对裂纹形貌处进行扫描电镜观察

扫描电镜（SEM）观察发现，①裂口周边铸态晶粒非常粗大，典型的大晶粒见图6b），其晶粒直径可达5mm；②晶界处网状铁素体也非常粗大，典型粗大网状铁素体的形貌见图6c）和e），其厚度可达50μm；

图6 圆锭“ 纵裂”缺陷横截面组织的SEM 照片

1.5 解剖及分析试验小结

“纵裂”试样的金相、电镜照片显示，裂纹周边均为大量的铁素体组织，裂纹具有高温脱碳特征，依此判断裂纹形成于（钢锭缓冷出炉前700℃以上）高温段，即钢锭出缓冷坑前裂纹就已形成。

由于中碳钢的碳含量较低，铁素体析出的较多，较前期大批量生产的CL60钢更易发生高温开裂。

在铸态组织中晶粒和网状铁素体非常粗大，晶界的高温塑韧性差，强硬度也偏低（见显微硬度测试结果），在冷却过程中热应力的强度超过材料的强度，导致其容易产生裂纹。

2 原因分析及改进措施

2.1 原因分析

1）圆形钢锭由于其比表面积较小，且钢锭直径较大，钢锭表面热应力高、比其他锭型容易产生裂纹。

2）由于该钢种的成分及工艺特点，钢锭存在大晶粒的“珠光体+网状铁素体”铸态组织、同时其晶界网状铁素体非常粗大，导致钢锭的高温塑韧性及强硬度很差。

3）冬季钢锭冷速快、钢锭表面应力增大致裂；如6398炉号凌晨1∶30浇注，导致整炉60%左右钢锭“纵裂”。这些综合因素导致了钢锭热应力开裂。

2.2 改进措施

1）采取提高钢包钢水温度的稳定性、增大并稳定渣量、渣层厚度≥200mm、控制模温60℃～100℃；以及摆正锭模等措施使“纵裂”减少。

3 结束语

[1]成永久，钢锭裂纹缺陷浅析[J］.包钢科技，1995（1）：28-31.