45钢热轧板锯切开裂原因分析

王晓晶

（天津钢铁集团有限公司，天津 300301）

0 前言

45 钢为优质碳素结构钢，具有强度较高、易切削加工等特点，调质处理后综合机械性能良好，被广泛应用工程、机械等领域[1]。近期某钢铁企业接到下游客户的反馈，该企业生产销售的45 钢热轧板在锯切加工过程中出现了沿锯切方向开裂的问题，给企业的产品声誉带来不良的影响。能够造成45钢热轧板锯切开裂的原因有许多方面，为了准确查找引起此次45 钢热轧板锯切开裂的原因，对锯切开裂钢板进行了取样检测。采用直读光谱仪对开裂钢板的化学成分进行了检测，同时采用光学显微镜、扫描电镜对开裂钢板断裂源的宏观形貌、微观形貌和金相组织进行了检测。

本文以该企业45 钢热轧板锯切开裂问题为研究对象，利用开裂钢板的化学成分、宏观形貌、微观形貌和金相组织的检测结果，对45 钢热轧板锯切过程开裂的原因进行了分析，结合生产数据对检测分析结果进行对比验证，并在此基础上提出了工艺改进措施。

1 开裂钢板的宏观形貌

该企业此次锯切开裂的45 钢热轧板的厚度为140mm，钢板在沿展宽方向切割至约3/4 处时发生开裂。图1为45 钢热轧板锯切开裂形貌和断口宏观形貌。由图1（b）可以看出，在钢板厚度方向的1/2处，裂纹源断裂纹理呈放射状散开。

图1 45钢热轧板锯切开裂形貌和断口宏观形貌

2 开裂钢板理化检测

图2为钢板裂纹源处取样示意图。根据断口宏观形貌观察，在裂纹源处取尺寸为30mm×30 mm的试样1，进行断口化学成分、微观形貌和金相组织分析；沿厚度方向取尺寸为30mm×140 mm 的试样2，进行硬度检测。

图2 钢板裂纹源处取样示意图

2.1 化学成分分析

使用ARL-4460型直读光谱仪对开裂钢板进行成分检测，开裂钢板试样主要化学成分如表1所示。由表1可以看出，开裂钢板试样主要化学成分检测结果符合工艺设计要求。

表1 开裂钢板试样主要化学成分

2.2 断口微观形貌分析

将断口试样置于酒精中利用超声波反复清洗，烘干后放入扫描电镜下对断口裂纹源处进行观察，观察结果图3所示。由图3（a）可以看出，裂纹源处断口平齐，为脆性解理断裂，裂纹源存在原始缺陷。由图3（b）可以看出，放大后观察裂纹源处存在疑似自由凝固面，由于加工过程氧化较为严重，已经不太清晰。沿着裂纹扩展方向继续观察如图3（c）所示，发现明显的金属凝固自由面。从解理面初步判断试样晶粒较大，如图3（d）所示。

图3 裂纹源处扫描电镜观察的微观形貌

2.3 断口金相组织分析

将断口试样磨制横截面并进行抛光制样，使用光学显微镜观察，裂纹源处金相组织如图4所示。由图4（a）可以看出，裂纹源附近可发现三角形裂，裂纹边缘圆滑，试样上有较多硫化物夹杂，靠近板厚心部位置最为集中，将试样用4%硝酸酒精溶液腐蚀后观察，试样整体晶粒粗大，断裂源处无脱碳及氧化现象。由图4（b）与图4（c）对比可知，从钢板表面向中心珠光体逐渐增多，板厚中心位置偏析明显，组织表现为珠光体加成网分布的细铁素体，珠光体团粗大，其他位置晶粒同样粗大，表现为铁素体加珠光体，组织均匀性较差。

图4 裂纹源处金相组织

2.4 硬度检测分析

根据GB/T 230.1-2018，使用洛氏硬度计沿着厚度方向从距离上表面20mm 开始每隔5mm 检测两点硬度取平均值，共计产生不同位置21 组硬度值。断裂截面硬度变化曲线如图5所示。由图5可以看出，钢板开裂区域平均硬度为176.1HRC，钢板厚度方向上硬度分布不均匀，最大硬度为182 HRC，且出现在心部，最低的硬度为171 HRC，最大值与最小值相差9 HRC。

图5 断裂截面硬度变化曲线

3 分析与验证

3.1 分析与讨论

结合钢板锯切现场情况分析，锯切过程钢板除受切割锯较小的冲击外，钢板本身没有其他方向的受力，因此，可以排除锯切过程外力致使钢板开裂的可能。

金相组织检测结果表明，试样心部存在珠光体偏析区域，心部珠光体比例明显高于周围区域，同时硬度测量结果也验证了偏析区域硬度高于周围基体，这造成钢板冷却过程形成较大的组织应力。扫描电镜下观察裂纹源处存在裂纹缺陷，裂纹缺陷内部为金属自由面，推断此缺陷为铸坯凝固过程形成的原始缺陷，而非轧制或者锯切过程形成的裂纹缺陷。热轧板冷却过程组织应力与空洞缺陷共同作用，在空洞周围形成应力集中，无法得到有效地释放。

当锯切外力接触到空洞边缘时，应力迅速释放，周围偏析区域由于珠光体比例高，硬度大、延展性性低，原始缺陷作为开裂源迅速向周围延展。而此位置同时存在大量硫化物偏聚，破坏了基体的连续性，同时晶粒（珠光体团）粗大，晶界处的晶体排列不规则性小，晶面犬牙交错性差，降低了晶间咬合力，因而减弱了金属间的结合力，加速了裂纹的扩展，最终使钢板在锯切过程出现开裂情况。

3.2 生产数据分析

上述分析明确了铸坯存在较为严重的中心偏析和中心疏松是引起本次45 钢热轧板锯切开裂的一项重要原因。为了进一步查找45 钢热轧板锯切开裂的原因，调取了问题铸坯对应炉次的生产数据，对铸坯的质量做了进一步的分析。

3.2.1 连铸坯低倍检测结果分析

此次锯切开裂热轧板生产所用铸坯为该企业6月份生产的250mm×2100mm 断面的45 钢坯。出现质量问题炉次生产时连铸机拉速为1.15 m/min，中包过热度为20℃左右；同浇次质量正常炉次连铸机拉速为1.10 m/min，过热度为21℃，钢中S 元素含量为0.007%。对出现质量问题炉次和同浇次质量正常炉次取低倍样进行对比，低倍样对比结果如图6所示。通过工艺和成分对比可以看出，在S 元素含量、连铸机拉速两个关键因素上质量正常炉次均优于问题炉次。由图6可以看出，问题炉次铸坯同样存在中心偏析和中心疏松，与正常炉次比存在明显的差距，这也验证了上述分析结果。

图6 出现质量问题炉次和正常炉次铸坯低倍

3.2.2 连铸凝固末端动态轻压下效果分析

对铸坯凝固过程的中心偏析和中心疏松现象有多种理论解释，每种理论均能很好地解释某些特征，但却不能完全解释所有现象，目前对铸坯中心偏析和中心疏松的理论解释可以归纳为三类[2-3]。溶质元素析出与富集理论认为：凝固过程钢中C、Mn、P、S 等元素选分结晶是偏析的根源；凝固桥理论认为：凝固后期柱状晶搭桥后钢液无法得到补充是形成缩孔、疏松和偏析等铸坯缺陷的主要原因；铸坯芯部空穴抽吸理论认为：由于凝固过程的体积收缩和铸坯鼓肚形成空腔并产生负压，富集溶质元素的钢液被吸入空穴并凝固形成中心偏析。

目前该企业板坯连铸机采用了铸坯凝固末端动态轻压下技术。一方面可以阻碍富含偏析元素的钢液向铸坯中心流动，并与后方钢液形成对流，实现了溶质元素的再分配，从而消除中心偏析；另一方面能够补偿连铸坯的凝固收缩量以消除中心疏松[4-5]。为了验证轻压下效果，本文利用奥钢联连铸机软件包中DYNAGAP Simulation System 对拉速在1.15 m/min，中包过热度在20℃条件下，250mm×2100mm 断面45 钢铸坯凝固过程进行模拟分析，模拟结果如图7所示。铸机轻压下位置在9、10、11段，凝固末端在11 段，为了对比分析，调取了该批45钢生产结束后下一日辊缝测量结果，辊缝精度测量数据如图8所示。

图7 45钢凝固过程坯壳厚度、芯部温度、表面温度以及轻压下区间模拟结果

45钢作为中高碳钢铸坯两相区较长，连铸扇形段7～11 段的辊缝精度在对于铸坯心部质量影响较为明显。由图8可以看出，在生产问题铸坯时，扇形段辊缝精度偏差超过±0.5mm（红色虚线所标记的范围）工艺要求的情况普遍存在。而且扇形段8～11 段内辊缝偏差值呈拱形，扇形段7、8、10 段水平方向同样存在偏差，同时不同扇形段与扇形段的接弧精度也存在较大偏差。这使得铸坯凝固前沿脆性区域受力不均且反复受到压-拉应力的变化，增加了裂纹和夹杂物偏聚的倾向。

图8 辊缝精度测量数据

经测算在拉速1.15 m/min 时，动态轻压下的压下扇形段的9、10、11 段辊缝精度不理想，使得实际压下量与工艺要求存在了偏差。由于扇形段10 段辊缝值与前后的9段和11段总体呈倒梯形，将在10段的压下区域破坏凝固前沿富含溶质元素的钢液回流效果，影响溶质元素的二次分配，无法有效改善偏析和疏松，甚至加剧裂纹产生倾向。

辊缝精度直接影响凝固末端和轻压下状态，这与铸坯芯部空穴抽吸理论形成中心偏析的理论相吻合。经过试验检测、理论分析以及生产数据验证，基本可以断定本次铸坯失效缺陷是由于铸机辊缝精度不达标引起的。

4 结论

采用直读光谱仪、光学显微镜和扫描电镜对开裂钢板的化学成分、断裂源的微观形貌和金相组织进行了检测，利用检测结果对45 钢热轧板锯切过程开裂的原因进行了分析。为了准确查找45钢热轧板锯切开裂的原因，调取了问题铸坯的连铸生产数据对检测分析结果进行验证，得出如下结论和建议。

（1）生产数据表明，在铸坯凝固末端轻压下过程中，扇形段的9、10、11 段辊缝精度不达标，造成铸坯严重的中心偏析和疏松是此次成品45 钢热轧板锯切开裂的主要原因。

（2）而中心缺陷处聚集的硫化物夹杂和粗大的珠光体团加剧了开裂的趋势，为次要原因。

（3）为减少此类质量事故的发生，应将连铸机扇形段的辊缝精度偏差调整至±0.5 mm 范围内，保证轻压下效果。