淺析棒材表面裂紋特點(diǎn)及產(chǎn)生原因

1、淺析棒材表面裂紋特點(diǎn)及產(chǎn)生原因引言：表面裂紋是熱軋棒材表面缺陷中最常見的一種,為清除這些缺陷,往往不得不花費(fèi)大量的人力物力,有時(shí)還會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。二軋車間自09年元月投產(chǎn)以來，生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)常有表面裂紋的缺陷產(chǎn)生，8月中旬以后，表面裂紋尤其嚴(yán)重，不同鋼種，不同規(guī)格，熱送和冷裝均出現(xiàn)裂紋，沒有明顯的規(guī)律，因表面裂紋壓鋼1400余噸，給軋鋼精整工段的修磨工作帶來巨大的壓力。為此，軋鋼部專門成立攻關(guān)小組，會(huì)同煉鋼及質(zhì)量部，對(duì)裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，取得了一些成效，但由于種種原因，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裂紋鋼材一些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),參考國(guó)內(nèi)相關(guān)專家的一些研究結(jié)果,提出了一些看法,

2、希望能對(duì)解決二軋熱軋棒材表面裂紋問題有所幫助。1、裂紋的常見種類及特點(diǎn)：裂紋分類由于查不到棒材表面裂紋的準(zhǔn)確分類，參照其他廠家的習(xí)慣，我們將表面裂紋分為以下幾類：直型裂紋:指裂紋總長(zhǎng)60%以上基本呈直線且偏角小于30度的裂紋。曲型裂紋（不規(guī)則裂紋）:除直型裂紋以外的裂紋。長(zhǎng)型裂紋:指裂紋長(zhǎng)度大于等于300mm的表面裂紋。短型裂紋:指裂紋長(zhǎng)度小于300mm的表面裂紋。寬型裂紋:指裂紋最大寬度大于等于1mm的表面裂紋。窄型裂紋:指裂紋最大寬度小于1mm的表面裂紋。深型裂紋:指裂紋深度大于0.4表面裂紋。淺型裂紋:指裂紋深度小于0.4表面裂紋。密型裂紋:指在圓周角小于等于30度所對(duì)應(yīng)的圓周面上裂紋條

3、數(shù)大于等于3條的裂紋。疏型裂紋:指在圓周角小于等于30度所對(duì)應(yīng)的圓周面上裂紋條數(shù)小于3條的裂紋。由于二軋出現(xiàn)的裂紋對(duì)鋼種沒有特殊的針對(duì)性，為簡(jiǎn)化分析，主要針對(duì)45#鋼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析的批次其化學(xué)成分符合45#鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。二軋車間裂紋的特點(diǎn)：我們對(duì)這些裂紋進(jìn)行了仔細(xì)觀察，總結(jié)了這些裂紋的表觀特征：中間寬，兩頭細(xì)，呈凸透鏡狀，絕大多數(shù)裂紋長(zhǎng)約1030mm，中間寬約12mm，這些裂紋有單獨(dú)出現(xiàn)的，大部分成簇狀出現(xiàn)的，另外一部分是直長(zhǎng)型，有通根長(zhǎng)的，也有中間間斷的出現(xiàn)，還有一部分就是密集不規(guī)則型。故在分析原因時(shí)我們分為以下幾類：直長(zhǎng)裂紋直、短、寬型裂紋密集不規(guī)則型裂紋發(fā)紋2、形成表面裂紋的原因

4、：直長(zhǎng)裂紋的形成原因與軋制方向相同，呈直線或鋸齒狀，較長(zhǎng)，有的甚至與軋面等長(zhǎng)，連續(xù)或斷續(xù)分布在軋材局部或全長(zhǎng)，一般分布面不廣，宏觀為直長(zhǎng)裂紋。金相高倍觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，周邊基體組織正常，部分裂紋處有脫碳現(xiàn)象，但脫碳層不深。裂紋槽底平直，裂紋源與裂紋末端形狀差別不大，裂紋中或裂紋源處往往含有氧化鐵（皮）夾雜。由此可見，細(xì)、直、長(zhǎng)深型裂紋實(shí)質(zhì)上就是折疊。在排除坯料表面的嚴(yán)重劃傷的情況下，這種折疊現(xiàn)象是在軋制過程中由于出現(xiàn)耳子在翻轉(zhuǎn)軋制壓合形成的。對(duì)于直長(zhǎng)裂紋的成因，國(guó)內(nèi)煉鋼、軋鋼專業(yè)的人員，已經(jīng)形成共識(shí)，除非煉鋼連鑄后的運(yùn)輸過程中有嚴(yán)重的劃傷，直長(zhǎng)型裂紋大部分是軋制裂紋,其中直長(zhǎng)深型裂紋實(shí)質(zhì)是折迭裂紋、

5、直長(zhǎng)淺型大部分為拉絲裂紋。曾經(jīng)在二軋車間發(fā)現(xiàn)的直長(zhǎng)深的裂紋，經(jīng)最后的確認(rèn)，是由于連鑄坯在連鑄后運(yùn)送過程中劃傷的，這種情況其實(shí)是由于坯料檢查檢驗(yàn)過程出了問題，是生產(chǎn)組織和管理的問題，是完全可能避免的，所以本文排除這種情況。直、短、寬型裂紋的致因這種裂紋呈短直線，與軋制方向同，兩頭尖，中間寬，分布無(wú)規(guī)律，分布面較廣，裂紋較深。在對(duì)直、短、寬型裂紋的金相觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，這類裂紋與表面垂直，裂紋處有呈黑色蜂窩狀氣孔通道，周圍基體有明顯的脫碳現(xiàn)象，周圍或尾部有氧化物夾雜的聚集。下面是二軋一年來收集的部分裂紋圖片：920061592005049200615920166092028539201660920285

6、392029259203210920306192029649202275除9203210批外，其余裂紋大部分是屬于直短寬型裂紋，為找出這類裂紋產(chǎn)生的原因，我們?nèi)?，到石鋼做了高倍，裂紋深度分別為0.20.0.35、1.2mm，裂紋區(qū)域脫碳嚴(yán)重，裂紋內(nèi)有氧化鐵，裂紋附近存在大量高溫氧化物顆粒。100X100X100X100X100X100X100X100X100X100X100X從裂紋區(qū)域脫碳嚴(yán)重這一現(xiàn)象證明，裂紋在加熱前或加熱初期就已經(jīng)形成，在快速加熱的條件下，連鑄坯內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差而形成熱應(yīng)力，同時(shí)因發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，快速加熱使連鑄坯表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)夾雜物在連鑄坯表面或近

7、表面，連鑄坯表面拉應(yīng)力使連鑄坯在夾雜物或含有夾雜物的偏析帶處產(chǎn)生微裂紋并且在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在隨后的較大的軋制應(yīng)力的作用下，使已形成的微裂紋得以連接并擴(kuò)展，導(dǎo)致圓鋼表面產(chǎn)生縱向裂紋。由此看來，高溫裝爐或快速加熱是形成縱向裂紋的誘因，軋制時(shí)變形應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，連鑄坯上存在的偏析帶及夾雜物才是裂紋產(chǎn)生的根本原因。為驗(yàn)證這一推斷，我們收集了這類裂紋的批號(hào)的資料：表1出現(xiàn)裂紋批號(hào)及其前后爐的數(shù)據(jù)日期爐號(hào)爐數(shù)情況鋼號(hào)開澆時(shí)間規(guī)格(mm軋材規(guī)格(mm)壓縮比2009-02-229B1384Q235B09:25:00300*3002009-02-229A1512(9200504)中包第1爐45#13

8、:21:00300*300申1207.962009-02-229A151345#13:51:00300*3002009-02-289A171045#20:40:00300*3002009-03-029A1762(9200615)中包第1爐45#16:51:00300*300申1207.962009-03-029A176445#17:27:00300*3002009-07-019B443145#13:46:00350*4502009-07-019B4432(9201660)中包最后1爐45#14:24:00350*450申1706.942009-07-019B443345#18:37:00350

9、*4502009-08-159A667945#06:20:00350*4502009-08-159A6680(9202761)中包最后1爐45#06:55:00350*450申1905.562009-08-159A668140Cr07:49:00350*4502009-08-259A7053A10521:20:00300*3002009-08-259A7054(9202853)中包第1爐40Cr22:17:00300*300申1109.482009-08-259B643540Cr22:50:00300*3002009-09-039B671740Cr06:19:00300*3002009-09-

10、039B6718(9203061)中包第1爐20#07:08:00300*300申10510.402009-09-039B672020#08:24:00300*3002009-08-289B652145#03:04:00300*3002009-08-289B6522(9202925)中包第16爐（共23爐）45#03:41:00300*300申1703.972009-08-289B652345#04:19:00300*3002009-08-059B567240Cr00:03:00300*3002009-08-059B5681(9202964)中包第1爐45#06:55:00300*300申11

11、09.482009-08-059B568345#07:32:00300*3002009-09-129B702445#21:48:00350*4502009-09-129A7553(9203210)中包的第4爐45#22:26:00350*450申1607.842009-09-129A755445#23:02:00350*4502009-07-319A608045#23:38:00300*3002009-08-019A6119(9202275)中包的第1爐45#00:50:00300*300申10510.402009-08-019B552745#01:24:00300*300注：上表中黃底為出現(xiàn)

12、裂紋的批次，青色為其相鄰爐號(hào)。將上表中不同批號(hào)在中包爐次占總爐次的百分比繪制如下圖。從圖中看出，在共出現(xiàn)的10爐裂紋爐次中，第一爐有6爐，占總爐次的60%，最后一爐2爐，占總爐次的20%其他占20%，所以認(rèn)為因?yàn)橹邪谝粻t鋼水不潔凈是導(dǎo)致上述裂紋的主要原因。密集不規(guī)則型裂紋的產(chǎn)生原因：對(duì)密集不規(guī)則型裂紋的分析結(jié)果表明此種裂紋截面上的形貌極不規(guī)則。它們有的形態(tài)為折疊，但是裂紋處或末端折入的并非氧化鐵皮，而是非金屬夾雜，并有因此而形成的鐵素體帶，裂紋處或附近常伴有大塊夾雜物，對(duì)密集不規(guī)則型裂紋的分析結(jié)果表明此種裂紋橫截面上的形貌極不規(guī)則。它們有的形態(tài)為折迭,但是裂紋處或末端折入的并非氧化鐵皮,而是

13、非金屬夾雜。裂紋處或附近常伴有大塊夾雜物。其形成機(jī)理是多晶體金屬,在外力作用下產(chǎn)生變形時(shí),主要以滑移方式進(jìn)行變形,其重要物點(diǎn)是各晶粒填充形狀的相互制約性和相互協(xié)調(diào)性。若因某種原因使晶粒的充形不能相互協(xié)調(diào)或協(xié)調(diào)不好金屬的變形抗力就大,有時(shí)塑性也變差。晶界、晶粒取向、雜質(zhì)、第2相、晶粒的粗細(xì)等都影響晶粒充形的協(xié)調(diào)性。在多晶體中,當(dāng)晶界的滑移面與作用力可能成45。時(shí),這些晶粒成為軟取向的晶粒?；泼娌慌c作用力呈45。的稱為硬取向晶粒。在外力作用下軟取向的晶粒可優(yōu)先產(chǎn)生滑移變形。多晶體中不僅晶粒與晶粒間的變形程度不同,而且每個(gè)晶粒內(nèi)部的變形也不相同。軟三角取向晶粒的變形在晶界外便受壓抑使用使變形減小,

14、硬取向晶粒受牽掛使變形增加。兩者在晶界處變形必須保持一致。這樣,在受壓的軟取向晶粒上受拉伸應(yīng)力。與此對(duì)應(yīng),在壓縮內(nèi)力區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力,拉伸應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這些應(yīng)力和原來由外力引起的應(yīng)力合起來便會(huì)在某區(qū)域集中更大的應(yīng)力,變形越不協(xié)調(diào)應(yīng)力集中越大。尤其是金屬內(nèi)含有雜質(zhì)和第二相時(shí),一方面雜質(zhì)和第二相可阻礙滑移的進(jìn)行;另一方面雜質(zhì)偏聚的地方和硬的第二相會(huì)起到硬取向晶粒那樣的作用,引起應(yīng)力集中。夾雜物和第二相常集中在鋼錠柱狀晶彼此相遇（方形、矩形斷面錠的等分角線外）以及柱狀晶和等軸晶的交界處,這些地方最薄弱。帶圓角的錠或圓錠柱狀晶垂直周邊排列,這時(shí)薄弱部位移到錠的中心部。由上述可知:由于軋材表面密集型裂紋

15、處存在大塊狀?yuàn)A雜物,故在晶界處產(chǎn)生微量元素和夾雜物的偏聚,使得某些元素（如S、P）在晶界的含量應(yīng)高于鋼中的平均含量。在高溫軋制變形過程中晶體的滑移在晶界與夾雜物界面處受阻而產(chǎn)生應(yīng)力集中及因多滑移時(shí),滑移受相互穿插,造成晶界脆化和晶界的初始熔化。晶界的熔化溫度低于晶內(nèi)的熔化溫度,且晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度,所以在晶界處首先出現(xiàn)顯微裂紋。這些顯微裂紋因處于應(yīng)力集中的晶界,如果它處的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)（如:加熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域）,則顯微裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展,以致把無(wú)數(shù)小裂紋連接成宏觀的表面裂紋。這類裂紋由于晶界的多方向性及夾雜物分布的多方向性,使得晶界顯微裂紋方向不定,從而致使這類軋材表面裂紡的宏觀

16、形貌無(wú)規(guī)律性。由此可見要降低該類表面裂紋,提高鋼液沌潔度,降低夾雜物含量是有效手段之一。發(fā)紋的產(chǎn)生原因探討:發(fā)紋的形成原因主要有：鋼坯加熱時(shí)因溫度應(yīng)力（陰、陽(yáng)面溫差帶來）形成的發(fā)紋、軋材冷卻時(shí)溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力所產(chǎn)生的發(fā)紋、鋼坯軋制時(shí)壓量和限制寬展所形成的發(fā)紋以及鋼坯氧化鐵皮所造成的發(fā)紋,軋輥軋槽老化產(chǎn)生的發(fā)紋。鋼在加熱過程中陰陽(yáng)面溫差與發(fā)紋的關(guān)系鋼坯在加熱過程中（軋制前）產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,根據(jù)其形成的原因不同,有溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力。（1）溫度應(yīng)力:在鋼坯加熱過程中，當(dāng)鋼坯溫度介于Oc至500C550C范圍時(shí)，鋼坯處于彈性狀態(tài)，此時(shí)若鋼坯出現(xiàn)溫度梯度，則勢(shì)必產(chǎn)生溫度應(yīng)力，如溫度應(yīng)力超過強(qiáng)度極限，便

17、會(huì)造成鋼坯破壞。當(dāng)溫度升高到500C550C以上時(shí)，由于進(jìn)入塑性狀態(tài)，而變形抗力又較低，通過塑性變形,溫度應(yīng)力也就消失。鋼坯在軋制加熱0C至500C550C時(shí),始終存在不同程度的陰陽(yáng)面溫差，從而使得鋼坯在加熱時(shí)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。其陽(yáng)面溫度高膨脹大，它的膨脹將受到陰面的約束，則引起的溫度應(yīng)力壓應(yīng)力（陽(yáng)面）;而陰面溫度低，膨脹小，相反會(huì)受到陽(yáng)面作用促做它膨脹，則產(chǎn)生的溫度應(yīng)力為拉應(yīng)力（陰面），同理，鋼坯加熱時(shí)心部將產(chǎn)生拉就力。鋼坯加熱時(shí)陽(yáng)面軸向、切向受壓應(yīng)力作用，陰面軸向、切向受拉應(yīng)力作用。故陰面易產(chǎn)生裂紋，且裂紋暴露在空氣中，裂口易氧化，在以后的加工中不能得以焊合而作為表面裂紋（發(fā)紋）保留在軋材上，

18、這是造成軋材表面單側(cè)發(fā)紋的原因之一。（2）組織應(yīng)力:在有相變的鋼在加工過程中，由于相變前后組織的比容發(fā)生變化，以及鋼料的表層與心部不同時(shí)發(fā)生相變，這樣引起的內(nèi)應(yīng)力為組織應(yīng)力，總的規(guī)律是:增大比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受壓應(yīng)力，減少比容的轉(zhuǎn)變區(qū)受拉應(yīng)力。組織應(yīng)力也是三項(xiàng)應(yīng)力，但切向應(yīng)力最大。在加熱過程中，組織應(yīng)力由于在高溫狀態(tài)下，一般均可消除，故發(fā)紋主要是由于溫度應(yīng)力引起的，且由于坯料越大，溫度梯度越大，由于溫度應(yīng)力引起發(fā)紋的幾率就越高，適當(dāng)選取坯料的斷面尺寸，是避免發(fā)紋的一個(gè)途徑，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，考慮到部份發(fā)紋通過后部精整工序輕微清理可以消除，而嚴(yán)重的裂紋只有報(bào)廢，為追求經(jīng)濟(jì)效益，因此往往需在質(zhì)量和成本中

19、尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，二軋車間經(jīng)過一年的生產(chǎn)，大規(guī)模的由于溫度應(yīng)力引起的發(fā)紋還沒有出現(xiàn)，故認(rèn)為選取的300*300和350*450坯料比較合理。軋材在冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力與發(fā)紋的關(guān)系由于軋材冷卻后期處于溫度較低的彈性狀態(tài)，因此冷卻內(nèi)應(yīng)力危險(xiǎn)性比加熱內(nèi)應(yīng)力危險(xiǎn)性大。（1）溫度應(yīng)力軋材在冷卻初期，表層冷卻快，體積收縮大；心部冷卻慢，體積收縮小，由于表層的收縮受到心部阻礙。表層產(chǎn)生拉應(yīng)力，心部引起壓應(yīng)力，這是可能產(chǎn)生表面裂紋，表面裂紋的特征是分布軋材的周身。隨著繼續(xù)冷卻到后期，表層溫度很低，體積收縮停止，而心部的收縮受到表層的制約，結(jié)果使溫度應(yīng)力變?yōu)楸韺訅簯?yīng)力，心部為拉應(yīng)力，此時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)裂。（2）組織應(yīng)力隨著

20、溫度的降低，表層由比容小的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楸热荽蟮蔫F素體，所以表層受壓應(yīng)力，而心部受拉應(yīng)力，由于此時(shí)鋼料心部處于溫度較高，處于良好的塑性變形階段，可通過塑性變形使內(nèi)部拉應(yīng)力得到緩解，故不易產(chǎn)生裂紋。隨著軋材繼續(xù)冷卻，心部也開始發(fā)生塑性轉(zhuǎn)變，這時(shí)的組織應(yīng)力：心部是壓應(yīng)力，表層是拉應(yīng)力，應(yīng)力不斷增大，直到相變結(jié)束。這是引起表面總縱向裂紋（與軋制方向相同）的重要原因。（3）殘余應(yīng)力軋材在軋制成形過程中，將其消除，由于變形不均加工硬化所引起的內(nèi)應(yīng)力，如未能及時(shí)得到再結(jié)晶軟化消除，軋后便成為殘余應(yīng)力保留下來。應(yīng)力造成的裂紋，一般情況都會(huì)有一定的長(zhǎng)度，且不會(huì)出現(xiàn)明顯的張口，很細(xì)小。如下圖鋼坯加熱時(shí)表面氧化鐵皮

21、與發(fā)紋的關(guān)系鋼坯在加熱到高溫時(shí)，表層中的鐵和爐氣中的氧化性氣體（如02、C02、H20、S02、等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，結(jié)果使鋼坯表層變成氧化鐵皮（即氧化皮）。軋制時(shí)，由于第一、二道次（未翻鋼）鋼坯表面上的氧化鐵皮脫落后仍留在坯上表面而被壓入，第三道次翻鋼軋制后氧化鐵皮掉下造成表面凹坑或麻點(diǎn)，在成品道次被拉長(zhǎng)面形成發(fā)紋，此情況下所產(chǎn)生的發(fā)紋應(yīng)是分布于軋材的單側(cè)。類似的情況二軋已經(jīng)出現(xiàn)過，鋼材表面呈現(xiàn)密集的細(xì)微裂紋，很淺，經(jīng)過打磨可以消除。因此，二軋高壓水除鱗設(shè)備的完好是保證不出現(xiàn)發(fā)紋的首要條件?？仔驮O(shè)計(jì)和軋制規(guī)程不當(dāng)，可能產(chǎn)生發(fā)紋：方坯在箱型孔型中軋制時(shí),由于受到側(cè)壁一定量的限制寬展,軋件在上下被壓

22、,向前延伸的變形過程中,表面將收縮而產(chǎn)生皺紋,再經(jīng)以后各道次的變形成材,從而造成軋材表面有發(fā)紋,這種情形產(chǎn)生的發(fā)紋,在軋材上就是兩面對(duì)稱型發(fā)紋。非常有規(guī)律，如果壓下量越大,限制寬展的程度越大,則發(fā)紋越嚴(yán)重。這種情況如果不是溫度有很大的波動(dòng)而造成寬展的波動(dòng)，不會(huì)偶然出現(xiàn)，而是大批量的，其位置也比較有規(guī)律。有的廠采用bk=（1.011.06）B，即來料寬度小于槽底寬，這樣可保證不因?yàn)橄拗茖捳钩霈F(xiàn)裂紋，還可減少孔型的磨損，但這樣容易引起軋件的傾斜和扭轉(zhuǎn)，為保證軋件在孔型中的穩(wěn)定，故多數(shù)廠家均選擇bk=B-（06）mm，二軋車間開坯軋機(jī)一個(gè)孔型是多道次軋制，為保證軋件的穩(wěn)定，來料寬均大于槽底，達(dá)涅利在設(shè)計(jì)工藝時(shí)側(cè)壁斜度選擇較大，應(yīng)該也是基于此，經(jīng)一年的實(shí)踐，我們認(rèn)為由于孔型和軋