550A磨球钢圆钢断裂原因分析

叶德新，邓湘斌，周成宏，刘年富

(宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东 韶关 512123)

550A属于高碳磨球用钢，主要作为生产制造矿山选矿用球磨机中的易损件磨球。韶钢生产的出口用550A圆钢在国外港口卸装时发现圆钢断裂，该质量问题对客户造成很大的影响，同时使韶钢产品质量形象受损。为防止此类问题的再次发生，对断裂圆钢生产过程进行详细调查；同时对断裂试样进行宏观形貌、成分、金相组织、扫描电镜等理化性能检测分析，找到圆钢断裂的原因，并采取了相应的措施。

1 理化检测

圆钢断裂试样如图1所示。为了确认圆钢断裂原因，对试样进行成分、低倍、金相组织等分析。

1.1成分分析

使用直读光谱仪对断裂圆钢进行化学成分分析，分析结果如表1所示。检测结果表明试样成分控制较好，在产品控制要求范围内。

(a)断口形貌；(b)缺陷试样图1 断裂圆钢(a) fracture morphology; (b) defected specimenFig.1 Fractured steel rod

元素CSiMnPSCrMo标准要求0.78～0.850.25～0.400.55～1.05≤0.025≤0.0200.97～1.050.030～0.080实测值0.820.290.990.0200.0041.010.057

1.2氧氮氢分析

采用ONH836氧氮氢联合测定仪进行氧氮氢分析，分析结果如表2所示，检测结果表明试样其它含量控制较好。

表2 气体含量

1.3低倍检验

在样品断裂断口的另一端取2个低倍样进行酸洗，按GB/T 1979 对试样进行检验评级。酸洗后的低倍试样观察低倍组织正常，无异常缺陷。酸洗后组织及评级结果分别如图2、表3所示。

表3 低倍评级

图2 低倍组织Fig.2 macrostructure

图3 显微组织试样Fig.3 Sample for microstructure

1.4金相分析

在断裂断口端部处垂直于轧制方向取样进行组织分析，从试样上可以看到明显的裂纹，裂纹几乎贯穿整个试样，裂纹在试样中心开口较大，边部开口小，结合正反面及侧面可以看出裂纹呈螺旋走势。试样如图3所示。

试样经过研磨抛光后使用莱卡金相显微镜进行观察分析。观察试样裂纹内及周围无夹杂物存在，如图4所示；经4%硝酸酒精溶液腐蚀后，裂纹两侧无脱碳现象，裂纹处组织与基体组织一致，均为正常组织，其基体组织为渗碳体+珠光体，如图5所示。

1.5扫描电镜分析

将试样沿裂纹扩展方向打断，用酒精清洗后，用扫描电镜观察断口形貌。观察结果显示断口上无明显的非金属夹杂物，其断裂形式为脆性解理断裂[1]，如图6所示。

(a)裂纹处形貌1； (b)裂纹处形貌2图4 裂纹形貌(a) crack morphology 1; (b) crack morphology 2Fig.4 Crack morphology

(a)裂纹处组织； (b)基体组织图5 显微组织(a) microstructure at cracks; (b) matrix structureFig.5 Microstructure

(a)裂纹断口1； (b)裂纹断口2图6 裂纹断口形貌(a)crack fracture 1; (b) crack fracture 2Fig.6 Fracture morphology

2 生产过程情况

通过对磨球钢轧制过程进行详细调查，该材料在加热、轧制过程中各工艺参数符合要求，整个过程未发现明显异常。在调查过程中发现，由于圆钢要求弯曲度≤ 4 mm/m，对于平直度符合要求的圆钢快速收集打包，下线堆冷，堆冷温度大于350 ℃；而对于在轧制过程中弯曲度不符合要求的圆钢(约6%)单独收集(温降大)，生产结束后，堆放在待处置区域，安排矫直，使弯曲在外力作用下矫直，产品达到合格状态。通过对断裂圆钢过程流转对应分析，发现所有存在断裂问题的材料均是经过了矫直工序。

3 分析与讨论

通过化学成分分析，材料成分控制正常。通过对材料气体、低倍等性能指标的分析，材料各类性能指标正常，说明材料不是由于性能异常导致的断裂。在断口附近取样发现明显的裂纹，裂纹由中心扩展呈螺旋走势。通过对裂纹显微组织的分析，裂纹处及周围无夹杂物，裂纹组织与基体组织一致，无异常组织，因此夹杂物及内部组织均不是造成裂纹的原因。

通过扫描电镜对裂纹的形貌分析，裂纹为脆性解理断裂，解理断裂是在正应力作用产生的一种穿晶断裂，解理断裂通常是具有体心立方(珠光体中铁素体)和密排六方金属在冲击载荷和应力集中情况下发生[2]。

磨球碳含量高，且含有较高的合金元素，裂纹敏感性强，快速冷却过程钢中组织应力较大，圆钢弯曲后在矫直过程中将产生矫直应力，矫直应力与组织应力叠加，后期运输过程中，如果受到较大的外力(如严重的挤压、碰撞)，将导致圆钢应力超过钢材断裂韧度，使圆钢产生裂纹甚至断裂[3-4]。

4 工艺改进

针对550A磨球钢圆钢断裂问题，通过分析提出工艺改进措施，对弯曲圆钢进行退火热处理，使钢材中的应力得到了有效的释放[5-6]，同时降低了钢材的硬度，使矫直变得更容易。通过以上措施，钢厂再未接到客户类似质量投诉。

5 结论

1)造成圆钢断裂的主要原因是弯曲圆钢单独收集温降快，矫直前没有进行去应力处理，导致钢材内部应力大于钢材断裂韧度。

2)通过对弯曲钢材矫直前去应力退火，有效地避免的圆钢断裂。