45钢盘条冷拔横向裂纹原因分析

45钢盘条冷拔横向裂纹原因分析

秦凤婷;宋玉安;晁霞;王红伟

【摘要】利用金相显微镜和扫描电镜分析仪对45钢盘条拉拔断裂试样进行了检验与分析,有针对性地寻找出了造成45钢盘条在拉拔过程中出现横向裂纹的主要原因,并提出了合理的工艺改进措施.

【期刊名称】《济源职业技术学院学报》

【年(卷),期】2012(011)002

【总页数】5页(P34-37,62)

【关键词】45钢;盘条;冷拔;裂纹;原因

【作者】秦凤婷;宋玉安;晁霞;王红伟

【作者单位】济源职业技术学院,河南济源454650;济源职业技术学院,河南济源454650;济源钢铁集团,河南济源454650;济源职业技术学院,河南济源454650【正文语种】中文

【中图分类】TG161

45钢是中碳结构钢，其热轧盘条通常作为再加工硬线的原材料，在制作硬线产品前通常会经过拉拔、冷镦和切削等各种处理，因此对45钢母材的深加工性能(如拉拔性能等)有较高的要求。随着钢铁行业产能总体过剩，市场需求出现减弱的态势，下游加工工序对45钢盘条产品质量提出了更高的要求，如何及时对母材表面裂纹、拉拔断裂等质量问题进行合理分析和解决成为目前的重中之重。

济源钢铁公司采用如下工艺生产45钢盘条:高炉铁水→铁水捞渣处理→600吨混铁

炉→60tBOF→60tLF→150mm×l50mm方坯连铸机→切割→成坯→高速线材轧

制(45钢盘条)。

下游客户反映在深加工Φ6.5mm盘条过程中，经一次冷拔成Φ4.25mm冷剪切下料时，在剪切口断面出现横向裂纹，严重影响其产品质量及正常生产。为了找到裂纹产生的原因，笔者用金相显微镜和扫描电镜分析仪对断裂试样进行了检测和分析，并提出了有效的工艺改进措施。

拉拔断裂样品断口经超声波清洗后，在SEM (扫描电子显微镜)下观察。图1所示

为钢棒断口的宏观形貌，主断面接近垂直钢棒的轴线方向，为正断口。从宏观断口可以看出，断裂起始于边部表面，裂纹扩展的方向如图中箭头所示，是从边部起裂，其它区域有辐射状花样，相对扩展速度较快。这种断裂属于穿晶的脆性断裂［1］，说明该处应力较大，是由瞬间断裂引起的。

试样的化学成分(质量分数，%)的检测结果如表1所示。各元素均在标准范围内，其残余元素(如铬、镍、铜)及气体含量很低，符合国标要求。

45钢盘条室温拉伸性能检验结果见表2。

核对45钢标准，其成分合格，无异常;下屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、平均冲击功均高于GB/T699－1999的要求。可见裂纹的形成原因并非化学成分不合格和力学性能不满足要求所造成。

在断口部位取纵向样进行抛光处理后做金相组织观察，发现断口的纵截面存在部分夹杂物，按照GB/T10561－89进行夹杂物评级，结果见表3。

以上检测结果可以看出，C类夹杂较高，为硅酸盐类夹杂。

从开裂处缺陷部位取横截面试样，用SEM扫描，发现有明显的夹杂物存在，且在缺陷部位富集，非裂纹区域基体相对比较纯净，夹杂物中粗系硅酸盐夹杂的长度约1.2mm，宽度约30μm，见图2(a)。对夹杂物做能谱分析，结果如图2(b)所示。

该夹杂物为硅酸盐脆性夹杂物，说明硅酸盐类含量很高，硅酸盐脆性夹杂物在钢中

冷却过程中比基体膨胀系数小，夹杂物周围的基体易遭受拉应力，形成预破坏区，对裂纹的产生具有一定作用。

有资料显示:脆性夹杂物的变形系数几乎为零，难以与基体保持同步变形，硅酸盐

夹杂的存在会增加钢的脆性、降低强度，影响钢的塑性变形。切取试样纵截面并将其抛光，在抛光态下观察裂纹形貌，如图3所示。裂纹的周围有大型硅酸盐夹杂物，但由断口微观形貌分析可知裂纹并未沿硅酸盐夹杂开裂，裂纹横穿硅酸盐夹杂而未沿夹杂物延伸，说明裂纹不是完全由硅酸盐夹杂引起的。

在试样的裂纹处和无裂纹处分别取纵截面试样对比，其金相组织如图4所示。裂

纹区和无裂纹区组织均由铁素体+珠光体两相组成。从图4 (a)中可以看出，存在

裂纹的试样边部组织已发生较大变形，钢材在冷加工时，晶粒间产生滑移的同时，晶粒形状发生改变，在滑移区域受力过大，导至晶粒破碎，晶格歪扭，导至钢的塑性降低。这种内部不均匀的变形会使钢材在塑性变形过程中产生宏观内应力［2］。而无裂纹的试样边部组织变形很少或无变形，如图4(b)。

取原材料横向试样做晶粒度检查，其边部组织形态见图5(a)所示，边部部分区域

有较粗的晶粒，粗晶晶粒度5级，其余部位晶粒组织细小，晶粒度级别为10级。由此可知，试样的晶粒大小不均，有混晶组织和少量魏氏组织出现。从图5(b)可

以看出，材料心部晶粒很细，且均匀一致。因此可以判断，引起盘条冷拔横向裂纹的原因与混晶组织有关。混晶组织的出现会造成钢的各向异性，降低其力学性能、切削性能、塑性成形性能等［3］。混晶组织是由奥氏体的长大倾向不一造成的。有资料显示［4］:奥氏体中碳含量不均和温度控制不均匀时均会造成混晶组织。当奥氏体中碳含量不均时，会形成碳化物富化区和贫化区，碳化物富化区内易残留未溶碳化物，降低碳原子扩散速度，从而抑制晶粒长大，贫化区晶粒则容易长大。但从以上试样的成分及夹杂物检验中没有发现碳偏析现象，因此判断，该混晶组织不是由碳偏析造成的。当材料局部温度过高时，会造成晶粒异常长大的现象，进而出

现混晶组织。因此，盘条冷拔断裂的原因与温度控制有关。当钢材部分区域加热温度过高，或终轧温度过低，都会造成晶粒不均匀，导至钢材内部存在过多的残余应力。45钢盘条在冷拔状态下，受力较大的一边组织变形较大，钢的韧性降低，当变形外力超过极限时，残余宏观内应力会使材料发生裂纹和脆性断裂现象。(1)断口分析发现断裂源于钢棒表面，说明该处应力较大，且是瞬间断裂。试样的化学成分和力学性能均符合45钢的标准要求，试样局部存在大型非金属夹杂物，硅酸盐类含量很高，但由断口微观形貌分析可知裂纹并未沿硅酸盐夹杂开裂，而是穿过硅酸盐夹杂向内扩展，说明裂纹不是完全由硅酸盐夹杂引起的。

(2)试样金相检验中有混晶组织出现。钢材混晶组织会造成钢的各向异性，降低其力学性能。当材料局部存在大型夹杂、局部加热温度过高或终轧温度较低，都会使钢材形成晶粒粗大(混晶)现象，导致钢材本身韧性降低。45钢盘条在冷拔受力不均匀时，材料内部产生过多残余应力，钢材承受不了高的拉应力而引起脆断现象。因此，45钢盘条在冷拔状态下出现横向裂纹的主要原因是由材料边部出现混晶造成的。

根据以上的分析结果，在实际生产中为了预防和减少裂纹的形成，应从控制大型非金属夹杂物和控制温度方面采用以下措施:

(1)转炉控制终点碳和出钢温度，采用挡渣出钢严格控制下渣量，降低钢中初始氧含量。

(2)确保钢液炉外精炼时间，提高钢质纯净度，减轻杂质元素的影响。

(3)连铸过程中采用低温、恒拉速、全程气体保护浇注技术，避免发生钢水液面的裸露和频繁波动现象，保证钢坯内部质量。

(4)采用缓冷坑冷却，减轻铸坯的热应力与组织应力。

(5)严格控制加热炉加热温度、时间、气氛，减少钢坯加热不均匀现象。

(6)采用控轧控冷措施，保证盘条内部的组织均匀，力学性能合格。