黃 暉，黃樂(lè)枧，殷 兵，易 赟

(方大特鋼科技股份有限公司，南昌 330012)

0 引言

冷鐓鋼又稱鉚螺鋼或冷頂鍛鋼，是利用金屬的塑性，采用冷鐓加工成型工藝來(lái)制造各種機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件，具有廣泛市場(chǎng)需求。通常用冷頂鍛試驗(yàn)檢查冷鐓鋼的工藝性能和質(zhì)量［1］。冷頂鍛試驗(yàn)是在室溫下檢驗(yàn)金屬承受規(guī)定程度的頂鍛變形能力，并顯示其缺陷的一種試驗(yàn)方法［2］，是產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)當(dāng)中一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6478—2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》的要求，冷頂鍛試驗(yàn)不得出現(xiàn)裂紋。

某公司生產(chǎn)的冷鐓鋼盤條產(chǎn)品在常規(guī)冷頂鍛檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)20%存在質(zhì)量缺陷，主要表現(xiàn)在冷頂鍛開(kāi)裂，為此需要對(duì)頂鍛開(kāi)裂原因進(jìn)行深入分析。

國(guó)內(nèi)冷鐓鋼生產(chǎn)廠家眾多，冷頂鍛開(kāi)裂的情況較為常見(jiàn)。文獻(xiàn)［2］中報(bào)道，有21%左右的試樣冷頂鍛后出現(xiàn)不同類別和不同程度的開(kāi)裂現(xiàn)象;文獻(xiàn)［3］中其1/4級(jí)冷鐓合格率為79.46%，數(shù)據(jù)和方大特鋼報(bào)告的冷頂鍛不合格率為20%極其類似。頂鍛開(kāi)裂發(fā)生的比例如此之高不得不引起重視并加以研究。

造成冷鐓鋼冷頂鍛開(kāi)裂的因素是多種多樣的。根據(jù)現(xiàn)有的研究表明，影響冷鐓鋼盤條冷頂鍛性能的主要因素包括鋼的化學(xué)成分、組織性能以及盤條表面裂紋、劃傷、折疊等表面缺陷［4］。其中，材料表面質(zhì)量的因素最多見(jiàn)。冷鐓鋼冷頂鍛開(kāi)裂主要有3種類型:夾雜裂紋、劃傷裂紋和折疊裂紋［5-7］。準(zhǔn)確分析裂紋產(chǎn)生原因使得生產(chǎn)改進(jìn)措施具有針對(duì)性，一方面能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，另一方面還可避免采取盲目性的改進(jìn)措施所帶來(lái)的生產(chǎn)成本上升。

1 冷墩鋼生產(chǎn)及冷頂鍛試驗(yàn)

1.1 冷墩鋼盤條生產(chǎn)工藝流程

方大特鋼公司冷鐓鋼生產(chǎn)流程為:轉(zhuǎn)爐冶煉→鋼包精煉爐(LF爐)精煉→連鑄→高速線材車間加熱爐→粗軋→中軋→精軋→減定徑→冷卻→打捆。

1.2 冷頂鍛試驗(yàn)

冷墩鋼冷頂鍛試驗(yàn)按YB/T 5293—2006《金屬材料頂鍛試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行，冷頂鍛試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為YQ2000，對(duì)試樣進(jìn)行校直，截取2倍直徑高度的試樣，冷頂鍛至試樣高度的1/3。頂鍛后的試樣按照GB/T 6478—2001《冷鐓和冷擠壓用鋼》判定，冷頂鍛試驗(yàn)不得出現(xiàn)裂紋。

試樣經(jīng)冷頂鍛后被壓扁呈鼓狀(圖1)。試樣在頂鍛力的作用下，原始試樣兩端圓弧表面被翻入頂鍛樣平面，從壓好的頂鍛樣平面看，圓環(huán)平面區(qū)實(shí)際為原始試樣靠近端部的圓弧面，為頂鍛時(shí)原始樣兩端圓弧面的翻邊，如果鋼材圓弧面存在原始的缺陷，頂鍛后原始缺陷會(huì)保留在翻邊平面內(nèi);而頂鍛樣平面中部的圓實(shí)際為所截取原始試樣的橫截面，在頂鍛過(guò)程中該圓克服端面與頂鍛壓頭面之間強(qiáng)大摩擦力略微擴(kuò)展。隨著頂鍛進(jìn)程的加大，頂鍛試樣產(chǎn)生鼓肚，沿鼓肚表面的徑向受到強(qiáng)大的拉應(yīng)力，此拉應(yīng)力在鼓肚的中部為最大，在鼓肚兩端為最小。當(dāng)鼓肚處存在原始缺陷時(shí)，由于應(yīng)力集中在缺陷根部，缺陷會(huì)被拉裂;當(dāng)鼓肚表層因某種原因塑性差時(shí)，鼓肚面易出現(xiàn)縱向開(kāi)裂。冷頂鍛試樣裂紋表現(xiàn)為試樣表面沿軋制方向出現(xiàn)新鮮白亮色線形開(kāi)裂，多呈直線狀，分布無(wú)規(guī)律，當(dāng)裂口稍大時(shí)，可看到裂口內(nèi)側(cè)粗糙，根部尖銳。

2 頂鍛裂紋形貌及缺陷描述

在檢驗(yàn)中出現(xiàn)2種特征冷頂鍛裂紋:1種為在平坦鋼材弧面上直接出現(xiàn)的新鮮頂鍛裂紋，另1種為沿著鋼材原始缺陷底部出現(xiàn)的新鮮頂鍛裂紋(圖2)。

抽取2個(gè)形貌特征不同的裂紋樣進(jìn)行分析，試樣1裂紋深0.12mm，有2條裂紋，細(xì)長(zhǎng)通貫，呈現(xiàn)白亮色。試樣2裂紋深0.14mm，在頂鍛試樣鼓肚中部呈現(xiàn)一段細(xì)長(zhǎng)白亮色開(kāi)裂，開(kāi)裂兩端有暗色痕跡延伸，其底部圓鈍并通貫頂鍛試樣。

圖1 頂鍛后試樣形貌Fig.1 Morphology of sample after upsetting

圖2 缺陷樣形貌Fig.2 Defect morphology of sample

3 頂鍛裂紋分析

3.1 頂鍛裂紋試樣1的檢測(cè)分析和討論

在試樣1頂鍛裂紋處取樣進(jìn)行金相分析，顯微組織如圖3所示，可見(jiàn)裂紋附近為珠光體，不存在脫碳現(xiàn)象，表明此裂紋非高溫狀態(tài)下所形成。

對(duì)頂鍛缺陷進(jìn)行掃描電鏡形貌分析，可見(jiàn)缺陷的左側(cè)淺表層為韌窩(圖4)，韌窩為韌性斷裂(開(kāi)裂)形貌，表明缺陷為頂鍛應(yīng)力作用下形成的裂紋，裂紋繼續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展，向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋具有一定的解理特征，在缺陷的底部存在著繼續(xù)向內(nèi)擴(kuò)展的小裂紋。

圖3 試樣1頂鍛缺陷高倍金相照片F(xiàn)ig.3 High magnification morphology of upsetting defects in sample 1

圖4 試樣1頂鍛缺陷處形貌Fig.4 Scanning morphology of upsetting defects in sample 1

為了尋找冷頂鍛裂紋產(chǎn)生的原因，做以下檢測(cè)分析:輕微打磨、拋光缺口附近的翻邊區(qū)，進(jìn)行高倍觀察(圖5a)。由圖5a可看出，左下角暗色區(qū)域?yàn)轫斿懝亩菂^(qū)域，右上角亮色區(qū)域?yàn)閽伖獾捻斿懛厖^(qū)，鼓肚區(qū)有一縱向裂口，裂口在翻邊平面上連接著一長(zhǎng)條夾雜物，長(zhǎng)度約810 μm，很顯然頂鍛裂紋是由長(zhǎng)條夾雜物引發(fā)。該條狀?yuàn)A雜在明場(chǎng)下為深灰色，在暗場(chǎng)下透明反光，可判斷此條帶為大顆粒硅酸鹽夾雜物。對(duì)該夾雜物進(jìn)行電鏡能譜分析，表明該夾雜物為大顆粒成分復(fù)雜的硅酸鹽夾雜，含有保護(hù)渣F、Na、K等元素成分，為卷渣所致(表1)。

在拋光的翻邊面上沿著裂口方向繼續(xù)觀察，在相隔不遠(yuǎn)處又發(fā)現(xiàn)一條約2.18mm的超長(zhǎng)的夾雜物(圖5b)，在如此小范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處較大夾雜物，這表明該頂鍛樣表層、次表層塑性差。該超長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜在明場(chǎng)下為深灰色，在暗場(chǎng)下透明，可判斷此夾雜為大型硅酸鹽夾雜物。電鏡能譜分析表明，該夾雜物為成分復(fù)雜的硅酸鹽夾雜，含有保護(hù)渣成分F、Na、K等元素。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分析，樣1冷頂鍛開(kāi)裂是由表層及次表層夾雜物所引起的。在連鑄坯加熱氧化以及軋制減薄后，原位于連鑄坯次表層的大型夾雜在后續(xù)的軋材中與外表距離變得很近，在冷頂鍛過(guò)程中，頂鍛試樣產(chǎn)生鼓肚，沿鼓肚表面的徑向受到強(qiáng)大的拉應(yīng)力，夾雜與外表之間較薄的金屬基體很容易被拉裂，此較薄的金屬基體所受的單向拉力屬于簡(jiǎn)單的應(yīng)力狀態(tài)，因此所產(chǎn)生的裂口為塑性較好的韌窩型斷口形貌;隨著頂鍛進(jìn)程的加大，在先前夾雜與外表之間較薄的金屬基體裂口根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，由于缺口根部的集中應(yīng)力屬于復(fù)雜的三向應(yīng)力狀態(tài)，所形成的后續(xù)開(kāi)裂斷口屬于塑性相對(duì)差的解理斷口形貌。

圖5 試樣1夾雜物形貌Fig.5 High magnification morphology of sample 1

表1 試樣1夾雜物成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Energy spectrum analysis results of inclusion in crack of sample 1(mass fraction/%)

夾雜物超標(biāo)與煉鋼控制有關(guān)，原因?yàn)?

1)結(jié)晶器液面急劇波動(dòng)造成保護(hù)渣卷入并鑲嵌于坯殼處;

2)保護(hù)渣性能不良，渣條多，渣條未撈凈，卷入并鑲嵌于坯殼處;

3)鋼水夾雜物多，流動(dòng)性不好，中包水口壁上高熔點(diǎn)的大塊附著物突然脫落進(jìn)入結(jié)晶器鋼水。

3.2 頂鍛裂紋試樣2的檢測(cè)分析和討論

頂鍛試樣2鼓肚中部呈現(xiàn)一段細(xì)長(zhǎng)白亮色開(kāi)裂，開(kāi)裂兩端有暗色溝槽延伸，其底部圓鈍并通貫頂鍛試樣(圖2b)。在中部開(kāi)裂處取金相樣觀察，缺陷周邊組織為珠光體，無(wú)脫碳現(xiàn)象(圖6)，此缺陷可能為裂紋或劃傷。

圖6 試樣2頂鍛缺陷高倍金相照片F(xiàn)ig.6 High magnification morphology of upsetting defects in sample 2

圖7為2號(hào)試樣開(kāi)口處翻邊的高倍形貌。由圖7可看出，頂鍛缺陷在翻邊平面上有連接的條狀物，該條狀物在明場(chǎng)下為淺灰色，在暗場(chǎng)不透明有亮邊，可判斷此條帶為FeO，為頂鍛時(shí)壓入的表面氧化皮;經(jīng)腐蝕，缺陷附近的組織與其它表面處相近，無(wú)脫碳現(xiàn)象。該翻邊處缺陷為頂鍛鼓肚處缺陷的繼續(xù)延伸，由于其周邊無(wú)脫碳，此原始缺陷很可能為劃傷。

把截取該頂鍛樣時(shí)所剩余的母材進(jìn)行酸洗，可看到該缺陷在一條線上斷續(xù)通貫，且深淺不一，結(jié)合缺陷處高倍組織無(wú)脫碳現(xiàn)象，該原始缺陷應(yīng)為劃傷缺陷(圖8)。具有原始劃傷缺陷的冷頂鍛樣在頂鍛應(yīng)力作用下，會(huì)在應(yīng)力集中的劃傷缺陷根部產(chǎn)生開(kāi)裂，使缺陷進(jìn)一步加深，如圖2b所示的鼓肚中部一段縱向裂紋。

圖7 試樣2開(kāi)口處翻邊高倍照片F(xiàn)ig.7 High magnification morphology near crack of sample 2

圖8 試樣2酸洗后的母材Fig.8 Morphology of sample 2 after acidwashing

劃傷缺陷產(chǎn)生的原因有:

1)在鋼材的軋制中，導(dǎo)衛(wèi)和過(guò)鋼通道某部位加工不良，易造成鋼件表面熱劃傷。

2)導(dǎo)衛(wèi)粘鋼、有氧化鐵皮堆積。

3)軋鋼通道上滾動(dòng)裝置失靈，軋件與失靈的滾動(dòng)裝置滑動(dòng)摩擦，易造成鋼件表面熱劃傷。

4 改進(jìn)措施

1)連鑄坯次表層大型夾雜對(duì)最終鋼材冷頂鍛質(zhì)量有很大影響。為了消除鋼材淺層夾雜，煉鋼生產(chǎn)上需采取以下措施:穩(wěn)定結(jié)晶器液面操作，根據(jù)不同鋼種使用專用保護(hù)渣并防止保護(hù)渣失效，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行喂Si-Ca線和鋼水軟吹氬操作制度來(lái)提高鋼水純凈度。

2)表面質(zhì)量較差的鋼材在冷頂鍛過(guò)程中易在原始缺陷(如劃傷)處引發(fā)裂紋，因此，在軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)保持良好的表面質(zhì)量狀態(tài)，應(yīng)采取以下措施消除劃傷缺陷:與紅鋼接觸的導(dǎo)衛(wèi)和過(guò)鋼通道部位應(yīng)加工平滑、清理導(dǎo)衛(wèi)和軋鋼通道的氧化鐵皮堆積、及時(shí)檢查和更換有問(wèn)題的導(dǎo)位和滾動(dòng)裝置、規(guī)定一定的時(shí)間間隔對(duì)成品取樣進(jìn)行酸洗試驗(yàn)，及時(shí)了解表面質(zhì)量狀態(tài)，反饋生產(chǎn)改進(jìn)。

5 結(jié)論

1)頂鍛裂紋的產(chǎn)生是由表層及次表層夾雜物和軋制過(guò)程中的表面劃傷引起的。

2)建議對(duì)原材料成分進(jìn)行質(zhì)量控制，并在生產(chǎn)中保證良好的表面質(zhì)量，以避免頂鍛裂紋的產(chǎn)生。

［1］安誠(chéng)慶，張希元，張宏.冷鐓鋼頂鍛開(kāi)裂原因分析及其改進(jìn)措施［J］.軋鋼，2003，20(1):66－67.

［2］周建男，袁長(zhǎng)波，姜世全.冷鐓鋼性能試驗(yàn)研究［J］.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005，43(2):19－22.

［3］胡桂英，趙有明，廖達(dá)清，等.SWRCH22A冷鐓鋼盤條開(kāi)裂原因探討［J］.江西冶金，2012，32(3):15－18.

［4］杭乃勤，程向龍，卓釗，等.冷鐓鋼盤條表面缺陷分析及解決措施［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(5):539－542.

［5］李偉，計(jì)立偉，郭景彪.低碳冷鐓鋼冷鐓開(kāi)裂原因分析［J］.山西機(jī)械，2001(4):55－56.

［6］彭進(jìn)明，葛太安.冷鐓鋼線材質(zhì)量異議原因分析［J］.軋鋼，2009，26(6):67－70.

［7］范眾維，陳修明.ML08Al冷鐓開(kāi)裂原因分析及控制［J］.金屬世界，2010(6):42－45.

［8］汪守樸.金相分析基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:152－153.

［9］陳夢(mèng)謫.金屬物理研究方法［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1982:202－203.