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1、工业纯铁方坯表面裂纹形成原因的分析曾静许晓桂张友登刘静陈方玉摘要采用金相检验、电子探针、透射电镜分析等方法,对工业纯铁方坯表面出现裂纹的原因进行了分析,结果表明:方坯在加热轧制过程中大量的第二相沿晶界析出是导致纯铁方坯产生网状裂纹的主要原因。关键词工业纯铁析出物表面裂纹CAUSE TO SURFACE CRACKING OF INDUSTRIAL PURE IRON BILLETSZeng JingXu Xiao GuiZhang YoudengLiu JingChen Fangyu(Wuhan Iron and Steel Corp.)SynopsisCauses to the format
2、ion of the surfacecrackings in the pure industrial iron are analyzed by metalloscopy,electron probe micro-analysisand transmission electron microscope examination .Results show that precipitation of the second phase in large quantity in the process of preheating billets is the primary cause leading
3、to the occurrence of the reticular crackings in the pure industrial iron.Keywordspure industrial ironprecipitantsurface cracking1前言某厂生产的工业纯铁质量一直十分稳定,但在某次生产试验中,在加热轧成方坯后出现严重的表面裂纹。本文对出现表面裂纹的原因进行了分析。2试验结果2.1化学成分分析对纯铁缺陷方坯取样进行化学成分复验,结果列于表1。表1工业纯铁化学成分(w)%元素CSiMnPCuSAlSA0.00270.0180.0440.0090.0400.00490.005
4、B0.00920.0160.0350.0080.0380.00600.0052.2宏观检验图1为该工业纯铁轧成方坯后表面裂纹缺陷宏观照片。裂纹大量分布于方坯表面和棱边,呈网络状、波纹状特征,裂口宽大且较深。 图1表面裂纹缺陷宏观特征2.3酸浸低倍检验取缺陷方坯横截面低倍试样,用过硫酸铵水溶液浸蚀后进行宏观低倍检查。方坯A中裂纹由表面向内倾斜延伸,深度约5mm左右。除4个角部晶粒较粗大外,整个截面上低倍组织均匀,局部可见少量针孔缺陷,见图2。图2方坯A低倍组织方坯B中裂纹由表面向内倾斜延伸,深度约515mm,有的裂纹呈网络特征。截面上晶粒明显不均匀,4个角部和心部晶粒明显粗大,局部地方有少许针孔
5、缺陷,见图3。图3方坯B低倍组织2.4金相观察在缺陷坯的裂纹部位取金相试样数件,分别磨制方坯的表面和截面观察。磨掉表面氧化铁皮后可观察到除裂口较大的裂纹外,整个试样表面还分布有大量细小的网状裂纹。在光学显微镜下,裂纹沿粗大的奥氏体晶界破坏,形态断续曲折,分支较多。开裂处晶界氧化,氧化网络所勾画的晶粒轮廓颇为粗大。用试剂浸蚀后观察,可见局部组织晶粒有反常长大特征,这些显微特征说明金属在加热炉内加热时温度有过高的倾向,见图4及图5。图4磨面为表面试样上裂纹沿晶界分布及周围组织晶粒反常长大特征50图5磨面为截面试样上裂纹沿晶界分布特征50光学显微镜下未观察到铜的富集相网络存在,亦未观察到非金属夹杂物
6、与裂纹有关联的显微特征。2.5电子探针分析用JXA8800R型电子探针对缺陷试样作微区成分分析,沿晶界裂纹内覆盖的灰色氧化物主要为氧化亚铁,局部细小裂纹(晶界)上有硫的偏聚分布。某些开裂的晶界壁上可观察到韧窝花样,韧窝中附着一些化合物,它们的微区成份主要含O、Al、Si、S、Ca等元素。这表明晶界裂纹是晶界析出物引起的沿晶韧性断裂。2.6透射电镜观察在有裂纹的金相磨面上制成复型样,用JEM2000FX型透射电镜观察,发现金属基体上有大量的第二相析出物质点。图6为这些析出物质点透射扫描像,从图中可看出这些析出物质点有沿晶界分布的特征。图7为析出物质点的透射形貌图,可见基体上还有更细小弥散分布的析
7、出物质点。对这些析出物质点作能谱分析,其主要成分为Cu、Mn、S、Fe,见图8及图9,可以判断它们是CuS、MnS和FeS的复相或单相析出物。大的析出物质点尺寸在150nm左右,小的在几十nm左右。图6析出物质点透射扫描像6K图7析出物质点形貌及分布6K图8析出物质点透射图图9析出物质点透射能谱图3分析与讨论(1)电子探针和透射电镜结果表明,工业纯铁方坯表面网状裂纹主要与钢中有大量第二相(Cu、FeS和MnS)析出物呈网络分布于晶界有关。由于这些化合物有的熔点较低,当它们分布于晶界上时,在钢的轧制变形区间(1200900)会成为熔融状态使钢的热塑性显著下降,而熔点高的析出物也抑制形变时晶界的迁
8、移,使形变穿过晶粒的阻力增大,引起晶界应力集中并沿析出物产生微孔(韧窝)。两类析出物的共同作用导致轧制变形中产生网裂。钢中奥氏体晶界和晶内出现大量硫化合物析出的原因与钢中有效锰含量较低有关,据文献1介绍,低碳合金中发生与S和Mn含量相关的脆性 ,其临界条件是Mn/S30,锰硫比低,脆性的倾向增大。根据C.T.安德逊等人的意见2,防止热脆性所需的锰浓度可由经验公式表示:w(Mn)=12.5w(S)+0.03按照此公式计算,本文纯铁中S含量分别为0.0060%和0.0049%,其必需的Mn含量应分别为0.105%和0.09%,但从化学成份检验结果来看,该纯铁中的Mn含量仅分别为0.035%和0.0
9、44%,这样就不能保证钢中有足够量的锰含量仅分别为0.035%和0.044%,这样就不能保证钢中有足够量的锰与硫作用生成高熔点、稳定的MnS以限制硫的有害作用,钢中过量的硫会在轧制过程中与元素Cu、Fe作用形成低熔点化合物并优先在奥氏体晶界上析出，或者导致S的晶界偏析。在文献报导，在超低碳钢中，如果Mn/S20，只要钢的S含量大于3010-6，就容易产生硫的晶界偏析，降低晶界强度，引起钢的热延性降低，而本文产生裂纹的钢坯Mn、S含量均满足这些条件。(2)从低倍检验和金相组织上看,此方坯加热和轧制也不正常,表现为奥氏体晶粒颇为粗大,方坯截面组织不均匀和局部铁素体晶粒反常长大。说明炉内加热温度偏高
10、且不均匀,而加热温度愈高,高温下固溶于钢中的硫就会愈多。这样,在轧制过程中可提供在奥氏体晶界析出或偏析的有效硫就愈多,对方坯表面裂纹缺陷的形成有一定促进作用。4结论(1)工业纯铁方坯表面裂纹的形成主要是由于金属内大量CuS(含少量FeS、MnS)析出物质点呈网络状分布于晶界上,使晶界热塑性下降所致。同时,该方坯加热温度偏高也进一步促进了表面缺陷的产生。(2)控制适当的Mn/S比和合适的加热温度是避免方坯表面出现裂纹的主要措施。联系人:曾静,工程师,武汉市(430080)武钢技术中心作者单位：武汉钢铁集团公司参考文献1G.A.Osinkolu, M.Taciowski,A.Kobylanski.Combined Effect of AIN and Sulphur on Hot Ductility of High-Purity Iron -Base alloy.Materials Science and Technology,1985,12赵坚,赵琳.优质钢缺陷.北京:治金工业出版社,1991