非调质钢38MnS6L表面缺陷分析及工艺改进

周成宏，刘年富，钟 凡，张 华

(1.武汉科技大学 机械自动化学院，湖北 武汉 430081； 2.宝武集团广东韶关钢铁有限公司，广东 韶关 512123)

非调质钢38MnS6L用于制造某乘用车发动机曲轴，发动机曲轴受力条件相当复杂，除了旋转质量的离心力外，还承受周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，对钢材内部质量和表面质量都提出了更高的要求[1]。为进一步拓展产品范围，某钢厂开发试制了非调质钢38MnS6L，试制过程中，发现坯料经高压水除鳞后表面经常存在炉生氧化铁皮除不净的现象(见图1)，轧制成型的圆钢表面存在连续裂纹缺陷(见图2)，圆钢表面漏磁探伤初检合格率只有44%，由于缺陷较深，修磨后仍无法挽救，造成巨大的经济损失。

鉴于此，采用金相显微镜、扫描电镜等手段，对圆钢产品表面缺陷试样进行成分、组织、夹杂物等分析，对引起坯料表面除鳞不净的原因进行深入的分析和研究。

图1 中间坯表面除鳞不净Fig.1 Descaling is not clean on surface of intermediate billet

图2 圆钢表面缺陷宏观形貌Fig.2 Macro-morphology of surface defects of round steel

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本次实验材料取自某钢厂生产的φ100 mm规格圆钢。38MnS6L一般采用二火成材方式，由连铸坯320 mm×425 mm开坯成210 mm×210 mm中间坯，再由中间坯轧制成φ100 mm规格圆钢。工艺流程为：高炉铁水→转炉→LF 精炼→RH真空脱气→连铸→加热→开坯→二次加热→除鳞→轧制→精整→成品。其中210方中间坯的加热温度为1150～1200 ℃，除鳞压力≥18 MPa，终轧温度为900～950 ℃。在线取样的2根材料通过荧光磁粉探伤确定缺陷位置和长度(见图3)，分别编号为48#、22#；圆钢表面缺陷处裂纹长度分别为53、563 mm。钢的化学成分见表1。

表1 实验材料化学成分(质量分数，%)

(a)48#试样；(b)22#试样图3 圆钢表面缺陷荧光磁粉形貌(a)48# sample；(b)22# sampleFig.3 Morphology of fluorescent magnetic powder for surface defect of round steel

1.2 实验方法

为观察表面缺陷在基体内的延伸情况，将试样48#、22#在缺陷位置处横向锯开。将切开的试样用标准方法研磨抛光，经4%硝酸酒精溶液腐蚀，在Zess光学显微镜下观察其显微组织，找出裂纹的起始和终止位置；然后将样品经超声波清洗后利用Zess扫描电子显微镜(EVO18)观察裂纹末端的微观形貌，并结合X射线能谱分析仪(EDS)，进行成分对比分析；同时用岛津电子探针显微分析仪(EPMA-1720H)对样品进行微区成分分析。

2 实验结果分析与讨论

2.1 显微组织观察与分析

从48#样品显微组织(图4)看，缺陷呈折叠形貌，缺陷最深处距圆钢表面0.61 mm，沿表面向内部延伸，裂缝处夹有较厚的氧化铁皮层，在裂纹底部形成三角形的空洞区域，内部夹有颜色较深的物质，具体成分有待能谱进一步确认。周围组织存在细长的微裂纹，微裂纹附近基体组织有内氧化现象。腐蚀后缺陷处有脱碳，未发现明显的晶粒粗大现象，基体组织为铁素体+珠光体。

图4 48#试样缺陷处显微组织Fig.4 Microstructure of 48# sample at defect

从22#样品显微组织(图5)看，缺陷呈斜U型开口形貌，缺陷最深处距圆钢表面0.44 mm，裂缝处夹有氧化物，缺陷底部存在细长的微裂纹深入基体，呈放射状，微裂纹附近组织有内氧化现象。腐蚀后缺陷处有明显脱碳，未发现明显的晶粒粗大现象，基体组织为铁素体+珠光体。

2.2 扫描电镜观察与能谱分析

为进一步确认样品缺陷处氧化物的成分，将缺陷样品在扫描电镜下高倍观察，形貌如图6所示，发现两个样品缺陷处氧化物都存在明显两种颜色不同的区域，一种颜色较深如图6(b)中的位置②区域，一种颜色较浅如图6(b)中的位置③和图6(d)中的位置④区域，各标注区域的能谱成分见表2。图7为能谱分析仪(EDS)检测的微区成分的谱图，从谱图可以看出，深色区域为含Si和Fe的氧化物，浅色区域主要是铁的氧化物。在基体内部还发现点状的内部氧化现象，从谱图1可以看出，内部氧化点也主要为Si和Fe的氧化物。

图5 22#试样缺陷处显微组织Fig.5 Microstructure of 22# sample at defect

(a，b)48#试样；(c，d)22#试样 图6 缺陷的扫描电镜形貌(a，b)48# sample；(c，d)22# sampleFig.6 SEM images of defect

(a)位置①；(b)位置②；(c)位置③；(d)位置④图7 能谱图(a) location①；(b) location②；(c) location③；(d)location④Fig.7 Energy spectrum

表2 标注区域元素成分( 原子百分比，%)

2.3 电子探针分析

为进一步验证样品缺陷处深色氧化物的成分，用电子探针对缺陷样品进行微区成分分析，结果如图8所示，图中黑点代表硅元素。可以看出，硅元素在钢基体中分布均匀，在缺陷位置及基体界面的接触位置，硅元素有明显富集现象。

(a，b)48#试样；(c，d)22#试样图8 钢中Si元素分布图(a，b)48# sample；(c，d)22# sampleFig.8 Distribution map of Si elements in the steel

2.4 分析与讨论

相关文献研究表明[2-6]：含硅钢在加热炉加热过程中，处于高温条件下的Si、Mn等合金元素，极易在坯料界面上发生离子扩散作用，在界面处发生富集。在硅的富集区，Si为选择性氧化，在钢坯表面氧化铁皮和钢基体界面上形成铁橄榄石(Fe2SiO4)。Fe2SiO4的熔点为1173 ℃，当钢坯的加热温度高于1173 ℃时，Fe2SiO4呈熔融状态，能够在疏松的氧化铁皮层中流动，从而形成相互包裹，同时，随着保温时间的延长，液态的Fe2SiO4也易于浸入粗大的奥氏体晶界。待凝固后，在基体和氧化铁皮之间形成一层错综复杂的铁橄榄石层，铁橄榄石层包裹着FeO，嵌入到基体中，故铁橄榄石( Fe2SiO4) 层粘度极高，很难除去。

从表2能谱分析结果可以看出，位置②深色氧化物的Fe、Si元素原子比接近2:1，由于实验材料38MnS6L硅含量高(0.50%～0.70%)，从电子探针的分析结果可以判断本次材料缺陷处深色氧化物为富硅的铁橄榄石( Fe2SiO4)，浅色氧化物为氧化铁皮。通过跟踪现场实际生产发现38MnS6L的出钢温度为1150～1200 ℃，刚好处于铁橄榄石的形成温度范围，出炉后经辊道运输至除鳞机前，坯料表面温度降至1100～1150 ℃左右，此时坯料界面处的Fe2SiO4由液态凝固成固态，Fe2SiO4包裹的氧化铁皮与基体金属的黏附力增强，导致剥离性差，故除鳞很难将其全部除去，在后续的轧制过程中，残留的一次氧化铁皮大部分剥落，但仍有部分随金属流动压入基体内部，导致成品圆钢表面存在连续裂纹缺陷。

3 工艺优化实践

通过以上的分析可见，本次试制的非调质钢38MnS6L钢坯表面裂纹缺陷主要与坯料除鳞不净有关，而除鳞不净又主要是与含硅钢高温下的氧化特性有关。通过文献调研发现关于改善含硅钢除鳞效果的措施，目前主要存在两方面观点，王畅等[7-8]研究认为：为避免形成固态铁橄榄石层钉扎氧化铁皮，采用提高出炉温度的方法，出炉温度控制1200～1250 ℃左右，确保粗轧除鳞前温度在Fe2SiO4熔点1173 ℃以上，保证粗轧除鳞效果；而于洋等[9-10]研究认为：目前轧钢生产线除鳞前坯料温度难以保持在1173 ℃以上，一味的提高出炉温度，又会导致能耗增加，提出控制出炉温度在Fe2SiO4的熔点温度1173 ℃以下，减少Fe2SiO4的形成，在保证现有除鳞压力情况下，有利于减少炉生氧化铁皮的残留。

针对文献中提到的改善措施，结合本钢种的加热和除鳞工艺，从同一炉生产的坯料中挑选10支坯料进行加热除鳞试验，方案1按高温的工艺路线，方案2按低温的工艺路线，具体试验方案见表3。在除鳞压力一定的情况下，方案1以1230 ℃为出炉目标温度，出钢节奏按4.5 min/支控制，实验结果发现钢坯表面仍存在较明显的炉生铁皮残留，如图9(a)所示；方案2以1130 ℃为出炉目标温度，出钢节奏按4.5 min/支控制，实验结果发现钢坯表面除鳞干净，如图9(b)所示。通过在线测温系统跟踪发现，由于坯料断面小，出炉后温降较快，方案1以1230 ℃出炉的坯料在进入除鳞机前坯料表面温度已经降至1173 ℃以下，此时坯料界面处的Fe2SiO4由液态凝固成固态，所以造成方案1除鳞效果不理想。由以上对比可见：针对本钢种，以现场的工艺条件为参考，一味地追求高温出钢，并不能达到理想的除鳞效果，而是需要走低温控制路线，控制好出炉温度和出钢节奏，减少Fe2SiO4的产生。

表3 工业试验方案

(a)方案1；(b)方案2图9 除鳞试验效果(a)program 1；(b) program 2Fig.9 Effect of descaling test

4 结语

通过将加热炉出钢温度由1150～1200 ℃调整为1100～1150 ℃，出钢节奏由6 min/支调整为4.5 min/支，目前已经生产了约5000吨38MnS6L材料，从坯料除鳞效果看，坯料表面氧化铁皮去除干净。成品圆钢表面经漏磁100%探伤检查，初检合格率由44%提升到97%以上，钢材表面质量得到大幅改善。