美标SAE1215圆钢表面开裂原因分析

2023-02-25黄铸铭周成宏廖子东叶德新刘年富

热处理技术与装备 2023年1期

黄铸铭，周成宏，廖子东，叶德新，刘年富

(宝武杰富意特殊钢有限公司，广东韶关 512123)

易切削钢是在钢中添加易切削元素，以改善切削性能，降低刀具损耗[1]。按添加易切削元素可分为硫系、铅系、钙系、碲系、硒系、钛系及复合易切削钢等，其中硫系易切削钢占比90%以上，是目前使用量最大的系列[2]。美标SAE1215钢属于低碳高硫易切削钢，以其良好的易加工性和环保性，广泛应用于汽车、通用机械等行业[3]。现某钢厂美标SAE1215棒材的生产工艺流程为120t BOF→LF→320 mm×425 mm大方坯→加热→除鳞→轧制→矫直→探伤→包装→成品入库。2021年7月份在某钢厂大棒线生产时发现SAE1215成品圆钢表面存在大量通条开裂现象(见图1)，经表面漏磁探伤检测(标准≤0.2 mm)合格率为零(见表1)，造成批量报废，造成较大经济损失。为查明原因并防止此类问题再次发生, 对存在圆钢开裂的样品取样进行分析研究，并提出改善措施。

表1 化学成分分析结果(质量分数，%)

图1 圆钢表面宏观形貌

表1 SAE1215圆钢探伤合格率统计表(%)

1 检测过程及结果

1.1 宏观形貌观察

从SAE1215圆钢表面探伤不合格位置截取一段长度300 mm试样，酸洗后观察试样表面宏观形貌，如图1所示。圆钢表面存在多条裂纹，长短不一，部分裂纹分叉形成三角形沟槽。

1.2 化学成分分析

采用OBLFQSN750-Ⅱ直读光谱仪对开裂的试样进行光谱成分分析，化学成分分析结果见表 2。SAE1215圆钢化学成分符合协议标准的技术要求。

1.3 显微组织观察

将试样沿开裂位置横向剖开，用标准方法研磨抛光后采用Zess光学显微镜观察，试样横向显微组织如图2所示。由图2可知，裂纹深度接近2 mm，由试样表面呈斜V型角向基体内部延伸，整体呈现两头粗中间细的形态；裂缝中有大量灰色物质，附近有明显内氧化质点，周围基体组织中分布大量细小的点状夹杂物。经4%硝酸酒精腐蚀后，观察裂纹附近脱碳不明显，基体组织为铁素体+极少量珠光体。

图2 开裂处横向显微组织

为进一步确认裂缝中灰色物质的成分，试样经超声波清洗后采用Zess 扫描电子显微镜(EVO18)进行观察，并结合能谱分析仪(EDS)对微区成分进行分析，结果如图3所示。由图3可知，裂缝中灰色物质主要含O、Fe元素，是氧化铁的成分，未发现其他异常物质；周围基体组织中分布的点状夹杂物为MnS。由于SAE1215钢属于低碳高硫易切削钢，硫含量高，硫化物主要以MnS 形式存在于钢中，硫化物呈球状或纺锤状均匀分布，有利于改善切削加工性能[4]。

图3 试样SEM形貌及EDS能谱图

1.4 连铸坯表面观察与分析

为进一步验证开裂炉次的连铸坯表面质量情况，对库存该炉次剩余连铸坯截取两段长度400 mm的试样，参考标准GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》采用冷酸浸蚀法对连铸坯表面进行酸洗，以达到去除表面氧化铁皮的目的。发现连铸坯表面存在密集气孔，经测量深度在4 mm以上，如图4所示。根据SAE1215棒材的生产工艺，连铸坯在轧制前还要经过加热炉高温加热和除鳞工序，加热温度为1180～1200 ℃，加热时间为240～300 min，除鳞水压力≥23 MPa，高温长时间加热会在连铸坯表面形成一层厚的氧化铁皮，并经高压水除鳞后除去。但该连铸坯表面气孔是否在加热过程中被氧化烧损后除去，还需要进一步验证。

图4 连铸坯酸洗后表面宏观形貌

1.5 轧制试验

为进一步验证加热和除鳞能否把连铸坯表面气孔除去，在某钢厂大棒线开展轧制试验。开裂炉次的剩余连铸坯经加热炉加热和高压水除鳞后，在连轧机组前剔除，待冷却至室温后，检查连铸坯表面，发现表面气孔未消除，如图5所示。随后再次将该剔除的连铸坯重新入炉加热轧制成圆钢，圆钢表面探伤合格率为零，存在肉眼可见的开放性裂纹。将裂纹试样沿横向切开，采用金相显微镜观察裂纹深度接近2 mm，裂缝中有大量灰色物质，附近有明显内氧化质点，与前述1.3中的裂纹分析结果一致，如图6所示。

图5 连铸坯加热除鳞后宏观形貌

图6 圆钢表面裂纹形貌

2 原因分析与讨论

化学成分分析结果表明，该SAE1215圆钢的化学成分符合标准要求，化学成分无异常。

显微组织观察和能谱分析结果表明，裂纹深度接近2 mm，组织为铁素体+极少量珠光体；裂缝两侧未见明显脱碳和异常组织，裂缝内灰色物质为氧化铁，裂纹两侧组织有明显内氧化质点，内氧化质点是高温下缺陷中氧化铁前沿氧扩散析出的结果[5]。文献研究表明：SAE1215钢属低碳高硫易切削钢，由于其高氧、高硫、高磷的成分特性，钢水表面张力低、钢渣难分离，易引起连铸坯表面产生皮下气泡、夹渣、深振痕等缺陷[6]。连铸坯缺陷经加热炉高温长时间加热后，缺陷附近组织经高温氧化后会产生氧化质点，说明圆钢裂纹可能来源于连铸坯上的原始缺陷。通过对开裂炉次剩余连铸坯表面酸洗分析，发现该炉次连铸坯表面存在密集气孔，深度在4 mm以上，未发现夹渣、深振痕等表面缺陷。通过轧制试验研究发现高压水除鳞后连铸坯表面气孔无法消除，在轧制成圆钢后，表面探伤合格率为零，存在肉眼可见的开放性裂纹，说明连铸坯表面气孔是引起轧制后圆钢表面开裂的主要原因。