路晨龙，李凤丽，谷召坤，路 珊

（天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津300352）

0 引言

40Cr圆钢表面存在裂纹，产品在后续使用加工过程中，既增大了机械加工的工作量，又浪费了材料。在进行锻造加工时，表面裂纹将严重拓展甚至导致材料报废。某公司40Cr热轧圆钢在生产过程中发现表面裂纹，本文通过检验裂纹缺陷的化学成分、显微组织，推断出是由连铸坯表面及皮下缺陷导致，并根据分析结果进行追溯核实，检验回炉坯连铸坯质量，在确认缺陷产生原因后，提出了工艺优化建议。

1 理化检验

1.1 圆钢宏观形貌

观察发现，裂纹均位于圆钢一侧，形貌为直线状，方向与轧制向一致，长度由3 cm到35 cm不等，裂纹断续分布，裂纹之间相距长度无规律，见图1。

图1 圆钢表面纵向裂纹形貌

1.2 圆钢显微组织

在裂纹处制取横截面金相试样，通过观察，该处存在两种裂纹形态，左侧裂纹a及右侧裂纹b，如图2所示。

其中裂纹a深度0.70 mm，根部粗，尾端细，由表面向内深入钢基，裂纹中有氧化铁，周围组织严重脱碳，脱碳区珠光体量明显减少，出现大量铁素体。裂纹附近及其尾部延伸处有大量密集分布的点状氧化物，氧化现象严重，见图3。

图2 两种裂纹形态 100×

图3 裂纹a形态 500×

裂纹b深度0.55 mm，显微观察可见表面未开裂，距离表面0.13 mm后，钢基内出现一条氧化圆点带，周边伴随着脱碳，向钢基内部深入，见图4，由于裂纹b是从皮下开裂，仅宏观观察圆钢表面，无法发现该处裂纹。

图4 裂纹b形态 500×

通过观察，在此金相试样裂纹附近陆续发现其他裂纹，且多为皮下裂纹，形貌多以表面未开裂或表面被氧化铁所覆盖，但内部已脱碳，并产生氧化圆点，部分氧化脱碳深度达0.87 mm，见图5、图6。

1.3 裂纹扫描电镜分析

使用扫描电镜观察裂纹形态，通过能谱对裂纹附近的氧化圆点进行分析。结果表明，这些氧化圆点成分含有Fe，Mn和Si，见图7。

图5 其他裂纹 100×

图6 其他裂纹 200×

图7 氧化圆点形貌成分

1.4 铸坯低倍形貌

圆钢表面、皮下裂纹周边多处存在含有Fe、Mn、Si的氧化物，这些氧化物是通过高温加热后氧化的产物，即在高温条件下，由进入裂纹中的氧与强氧化元素Si、Mn结合所生成的富集Si，Mn的氧化物颗粒[1]。由上述特征推断，圆钢表面裂纹来源于铸坯表面和皮下缺陷，即连铸坯缺陷在加热炉中高温产生氧化，经轧制后保留，形成圆钢表面、皮下裂纹。此时追溯检验铸坯表面质量，通过酸洗除去表面氧化铁皮后观察，连铸坯表面有沿纵向断续分布的裂纹，见图8。同时酸洗铸坯横截面，铸坯边部存在较多沿树枝晶分布的裂纹，见图9。

图8 连铸坯表面裂纹形貌

图9 铸坯树枝晶裂纹

1.5 铸坯显微组织

在铸坯裂纹处制取金相试样，光学显微镜下观察，发现裂纹由皮下开裂，由铸坯皮下深入钢基内部，周围组织脱碳，裂纹深度2.03 mm，如图10所示。由于在加热炉中放置，经高温加热，裂纹附近及其尾部延伸处产生大量密集分布的点状氧化物，氧化现象严重。通过观察可知，铸坯皮下裂纹显微组织的氧化特征与轧制后圆钢皮下裂纹相似，如图11所示。

图10 连铸坯裂纹形态50×

1.6 铸坯化学成分

将铸坯树枝晶裂纹打开，经超声清洗后，使用扫描电镜观察分析，树枝晶裂纹中分布大量硫化物颗粒，通过能谱分析这些硫化物颗粒主要含有S、Mn、Fe，见图 12。

图11 连铸坯裂纹中氧化圆点500×

图12 裂纹内存在大量硫化物颗粒

追溯开裂铸坯与正常炉号的熔炼成分，由表1可知，开裂铸坯[S]元素含量（0.019%）明显高于正常铸坯，同时文献[2]指出[S]元素含量以及[Mn/S]比值为影响铸坯裂纹重要原因之一，计算得开裂铸坯[Mn/S]为 33，正常铸坯[Mn/S]为 79。

2 原因分析及工艺追溯

如前所述，圆钢裂纹由表面开裂向钢基内延伸，裂纹内部存在大量含有Fe、Mn、Si的氧化物。还有一部分裂纹由皮下开裂，向钢基内延伸一定距离后产生氧化圆点，由上述特征推断，圆钢裂纹主要来源于连铸坯表面以及皮下缺陷。

通过推断，追溯检验铸坯，发现铸坯存在表面裂纹、皮下裂纹以及树枝晶裂纹。经能谱分析，树枝晶裂纹中分布大量硫化物颗粒，[S]元素含量高，是影响铸坯裂纹的重要因素。当晶界富有Fe、Mn、S时，会在晶界形成硫化物，使晶界处脆性增大，为裂纹的产生提供了条件，当[S]＞0.015%时，裂纹会增加[2]。开裂铸坯熔炼成分中[S]为0.019%。同时文献[2]指出，当[Mn/S]升高，裂纹出现率降低，开裂铸坯[Mn/S]为33，正常铸坯[Mn/S]为79，开裂铸坯数值明显低于正常铸坯。

表1 熔炼成分/%

追踪炼钢工艺发现，精炼时间较短，未达到工艺要求（40 min），软吹执行效果较差，导致S元素含量较高，钢水纯净度欠佳。同时发现生产使用的结晶器铜管（倒锥度1.2）被替换为复合镀层铜管（倒锥度1.4），铜管锥度变化，保护渣熔化性能发生改变，导致铸坯凝固坯壳不稳定、冷却不均匀，钢液自结晶器内凝固下行过程中，受到较大的摩擦力及垂直于铸坯表面的内切应力。铸坯初始的凝固成形及冷却均遭到破坏，易在铸坯表面及皮下形成裂纹，在二冷区裂纹拓展。

3 结论及建议

将结晶器铜管全部改回（倒锥度1.2），铜管锥度变化，直接造成保护渣使用性能恶化，影响钢坯表面质量。适当减少结晶器水量，降低二冷强度，冷配水量分布应使铸坯表面温度分布均匀，减少温差，避免加剧裂纹的扩展。

严格控制精炼时间，降低钢水中有害元素含量，[S]元素含量高是影响铸坯裂纹的重要因素，造成钢的“热脆”性，降低[S]，提高[Mn/S]，可有效降低铸坯裂纹。

连铸坯表面以及皮下缺陷是导致轧制后产生裂纹的直接原因，所以轧制前需对铸坯表面做好检验工作，若存在表面缺陷，需对缺陷进行打磨等方式消除后方可装炉轧制。