第42卷第3期
• 52 •2021 年6 月s p e S S S e e l Vol.42. No. 3 June 2021
40C r热轧圆钢剪切开裂原因分析及改进工艺
汪春梅
(芜湖新兴铸管有限责任公司监控部，芜湖241000)
摘要针对075 m m的400圆钢下料剪切出现横向开裂，采用直读光谱仪、金相显微镜、SEM、EDS及显微 硬度计对试样进行分析。结果表明，裂纹主要由圆钢中存在夹猹缺陷，其表面缺陷经砂轮机打磨烧伤形成马氏体 的硬化层，塑性降低，在剪切力作用下最终导致开裂。通过工艺改进石灰量由2.5 kg/t调整为4.2 k g/t，化渣剂由 0.45 kg/t调整为0.85 lcg/t,Ca/Al比由0.05调整为0.07，水口浸人深度由95 m m调整为105 mm，保护渣碱度由 0.78调整为0.86、粘度由0.34 pa _s调整为0.45 pa • S，减少连铸拉速波动等，有效解决了铸坯夹渣缺陷，轧材表 面缺陷率由〇. 35%降低至0. 08% ，保证了圆钢的产品质量。
关键词40C r钢横向开裂夹渣表层硬化保护渣
野外露营Analysis on Caus of Shear Cracking of 40 Cr Hot
Rolled Round Steel and Process Improvement
W a n g Chunmei
(Monitoring Department, Wuhu Xinxing Ductile Pipes Co Ltd, Wuhu 241000) Abstract In view of the transver cracking of <J>75mm 40Cr round steel,the samples are analyzed by direct reading spectrometer, metallographic microscope, SEM，EDS and microhardness. The results show that the cracks are mainly caud by slag inclusion in steel, and the surface defects are formed by burned in grinding to form a hardened layer of martensite, which reduces plasticity and eventually leads to cracking under the action of shearing force. Through process improvement, the amount of lime is adjusted from 2. 5 kg/t to 4. 2 kg/t, the slagging agent is adjusted from 0. 45 kg/t to 0. 85 kg/t, the Ca/Al ratio is adjusted from 0. 05 to 0. 07, and the nozzle penetration depth is adjusted from 95 mm to 105 mm, mold flux alkalinity is adjusted from 0. 78 to 0. 86, viscosity is adjusted from 0. 34 pa •s to 0. 45 pa •s, reducing continuous casting speed fluctuations, etc. , it is effectively to avoid the defects of casting slag inclusion, and the surface defect rate of rolling materials decreas from 0. 35% to 0. 08% , ensuring the quality of round steel products.
Material Index 40Cr Steel, Transver Cracking, Slag, Surface Hardening, Protecting Slag
40C r钢是GB/T3077-2015标准中常用的一种铬系合金结构钢，因其具有较好的加工和使用性能，被广泛应用于机械制造业[1]。钢厂供应的075 m m 规格热轧40C r圆钢供用户加工冷剪下料时，有时出 现开裂而无法继续加工导致零件报废，造成较大的损失。
针对上述075 m m400圆钢开裂的缺陷试样，通过宏观特征、金相显微组织、SEM、E D S及显微硬 度系统分析，找出了导致开裂缺陷的主要原因，并采 取相应的控制措施后，消除了 40Ci•圆钢开裂现象，产品质量改善明显。
1生产工艺及检验方法
1.1 生产工艺
钢厂生产075 m m
40C r圆钢的工艺流程
降血脂的方法
为：120 t转炉-120 t LF
精炼-0300 mm圆坯连
铸-加热炉加热-轧机-精整-检验-入库，其对应的连铸 主要技术参数为表1所示。
1.2检验方法
裂纹试样经过机械加工和金相研磨抛光制样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀，在0L Y M P U S-B X51M型 金相显微镜观测其显微组织形貌；采用iSpark 8860 型热电A R L直读光谱仪进行化学成分分析、采用 H V T-1000A型显微硬度计进行了维氏硬度的检测 分析、利用E V O M A10扫描电镜和能谱分析仪对断 口样进行微观形貌和微区成分分析。
2理化检验分析
2. 1宏观特征
裂纹发生在客户（工程汽配零件厂）采用冷态表1连铸主要技术参数
Table 1 Main technical parameters for casting
弧型半径/浇铸断面/ mm mm
拉速/结晶器长度/
(m •min ~1) mm
铸机
流数
冷却
方式
浇铸方式
冶金长度/
m
14 000 03000.70-0.758006机6流气雾冷却浸入式水口保护浇铸33.55
第3期
汪春梅:40Cr 热轧圆钢剪切开裂原因分析及改进工艺• 53 •
直接用液压剪剪断下料过程中，在剪口处附近发现 横截面开裂，开裂外表面的磨削处颜色发蓝，呈典型 的砂轮磨削烧伤特征[2]，观察断口上放射状条纹的 走向，断裂源起始于钢材最外表面的擦伤处的发蓝 部位，如图1所示。磨削产生的热量积累可使磨削
面温度高达1 〇〇〇 t 左右，引起表层显微组织发生变 化，导致零件表层淬火或回火，甚至产生磨削裂 纹[3]，将严重影响钢材的力学性能和使用寿命。2.2化学成分分析
从断裂圆钢上截取试样，采用直读光谱仪进行 化学成分分析。分析结果如表2所示，其各元素含 量均符合GB /T 3077-2015《合金结构钢》40C r 钢材 成分要求。
2.3金相组织分析
直接磨制试样断口面，进行金相显 微分析如图2所示，试样裂纹源处及附
近表面擦伤处已发生组织变形且呈流 线状，且无铁素体和珠光体形貌特征，经局部显微放大类似于马氏体位相的 淬硬性异常组织，厚度为254. 81 |xm ，且表层存在微 细直条裂纹如图2(a ~ b )，表明磨削过程已发生明 显的组织相变。而断裂源附近的其它周边正常外表 面组织存在轻微脱碳，组织为正常的铁素体及珠光 体如图2(c )所示。通过显微组织形貌对比，初步表 明该断裂源附近的异常组织为磨削过程产生，异常 组织是否加剧了圆钢开裂还待进一步分析。2.4显微硬度分析
针对40C :•钢表层裂纹源及附近的金相检验出 现流线状异常组织的现象，采用HVT -1000A 显微硬 度计对该裂纹样的异常组织区域、正常组织区域以 及未开裂的正常试样，分别进行显微硬度测定及对 比分析，测量数据如表3所示。
图1 $75 mm 40C r 钢材断口的宏观开裂形貌
Fig. 1 Macroscopic crack morphology of 075 mm 40Cr steel bar fracture
通过以上各区域测定显微硬度，同一裂纹样边 缘异常组织处区域平均显微硬度值较其它边缘正常
组织区域的HV 1硬度值高出486，而该裂纹样内部 正常组织的平均HV 1显微硬度值214，与检测正常 试样内部组织显微硬度基本一致。依据表层硬度值 结果，可确定该裂纹源附近的表面异常组织出现了 马氏体位相的硬化层，经宏观分析及对精整工序修 磨记录进行调查，该表面硬化层是由于该批圆钢本 身表面存在裂纹缺陷，经砂轮机打磨烧伤引起的表 面硬化层，这种硬化层塑性极差，在剪切外力作用下 会形成有规律的细裂纹，当裂纹扩展到一定深度时 导致断裂。
2.5扫描电镜及能谱分析
表2 40C r 钢的化学成分/%
Table 2 Chemical composition of 40Cr steel /%
项目
c
Si
Mn P s
Cr
Cu
N i Mo 标准范围 实测值
0.37 ~
0.44
0.43
0. 17 ~ 0.37 0.24
0.50-0.800.68
0.0300.014
0.0300.003
0.80 ~ 1. 10 0.97
0.300.02
冬
0.300.016
0. 10 0.011
图2裂纹试样横截面区域的显微组织：（a )表面异常组织厚度；（b )异常组织处细裂纹;（c )正常表面组织
Fig. 2 Microscopic morphology of cross-ctional area of cracked sample ： (a) thickness of surface abnormal structure ； (b) fine crack at abnormal structure ； ( c) normal
surface structure
• 54 •
特殊钢第42卷
史记中的成语表3 40Ci •钢在不同区域测定的维氏硬度值
Table 3 Vickers hardness values measured at different regions of steel 40 Cr
2.5.1扫描电镜分析
用扫描电镜观察该裂纹样的断口形貌，该试样 的正常外表面处的断口特征为典型的韧窝形貌见图 3(a )，为塑性断口形貌；而断裂源处的断口面平整， 且靠外表面处的颜色较深，且分布有白色的细小颗
粒物如图3(b )，对断裂源颜色较深区域进行进一步 放大后显微观察，其断口形貌为典型的准解离断口 以及大量白色的夹杂物如图3(c )；且其断裂源延伸 的扩展区微观形貌为具有河流花样的解理断口，也 分布少量夹杂物，见图3(d )。可见从电镜分析，准
解离及解离断口为典型的脆性断口特征，增加了圆 钢受外应力作用开裂的倾向[4]，白色颗粒物需进一 步借助能谱进行表征分析。2.5.2能谱分析
对表面断裂源处颜色较深区域的白色颗粒物进 行能谱（EDS )分析如图4所示，结果表明主要含 Ca 、S i 、A l 、0等元素，说明脱氧产物未能充分地上浮 去除，形成了典型的钙铝硅酸盐（CaO • Si 02/ Al 203 _Si 02)大颗粒夹杂物。同时，还含有一定量 的Na 、Mg 、K 元素，说明结晶器内液面波动过程中也 造成了保护渣的卷入。3
结果分析与讨论
基于上述表征结果，热轧圆钢断口存在的夹渣 缺陷，是由于当夹渣残留在铸坯表面及皮下，缺陷铸 坯在后续轧制过程中夹渣遗传扩展至圆钢皮下及表 面所致，经调查轧钢厂精整工序的修磨记录，该批次 确因圆钢表面存在夹渣缺陷，用砂轮打磨一定深度 至表面缺陷消失后判定合格人库。在圆钢表面因打 磨过快导致磨削烧伤，在磨削淬硬过程中，工件的表 面与砂轮接触，受到磨削区域内热源的直接作用，温
图3 d>75 mm 400钢断[1处微观形貌：（a )外表面韧性断裂；（b )断裂源附近；（c )断裂源扩展区解理断丨丨；（d )断裂源附近准解理断口
Fig. 3 M icroscopic m orphology of round steel fracture of 4>75 mm 40C r steel ： (a ) surface tough fracture ； ( b) near fracture source ； (c) frac- ture source extension area cleavage fracture; (d ) fracture source extension area guasi-cleavage fracture
釤
m
3
4
能量/keV 3
4
5
能量/keV
图谱2
元素重童/%0K 50.32N a K 0.75M gK 1.76A I K 3.07S iK 15.38P K 0.28S K 0.95K K 1.17C aK 9.54T iK 0.18C rK 1.31M n K 0.29F e K
15.00总量
100.00
40.05
1.11
1.90 3.6210.05 0.701.30 1.9420.0513.30
100.00
图4断裂源附近区域SEM 形貌及EDS 分析
Fig. 4 SEM morphology and EDS analysis of area near the fracture source
O K N a K M g K A IK
SiK
P K
SK
K K手机证件照怎么拍
CaK
F e K
总最
区域
不传谣不信谣
划五笔怎么打字金相组织
显微硬度 (H V 1)值
平均显微硬
度（HV1)值
裂纹试样边缘
异常组织
什么时候种大蒜
流线状异常相
740.8,738,736,730736裂纹试样边缘
正常组织
铁素体+珠光体
248,250,249,252250裂纹试样内部
正常组织
铁素体+珠光体
215,212,211,218214正常试样内部
组织
铁素体+珠光体
212,214,210,215
213
元素重置/%图谱
1
第3期汪春梅:40Cr热轧圆钢剪切开裂原因分析及改进工艺• 55 •
度迅速超过相变临界温度使材料组织完全转化为奥 氏体。随着砂轮的离开，热源迅速消失，由于材料本 身优良的导热性能以及空气的冷却效果，工件表面 已经奥氏体化的部分又短时间内经历了一次快速冷 却的过程，于是奥氏体组织发生马氏体转变，因此在 工件表面最终获得了一定厚度的马氏体组织15]。由于表面淬硬层塑性差，在剪切外力作用下，最终导 致圆钢横向开裂。由此可见，夹渣缺陷是导致圆钢 开裂的真正原因。
4工艺控制措施及效果
4.1提高钢水洁净度
研究表明[6]，为促进钢液脱氧产物的充分上浮，通过优化冶炼工艺制度，可提高钢液洁净度。降 低出钢氧势，提高转炉出钢终点碳的一倒命中率；为 强化精炼工序的脱氧及脱氧产物的上浮，采取增加
造渣白灰、化渣剂用量、优化钙铝比、酸溶铝与全铝 比值、延长白渣的保持时间和精炼后期的弱吹氩搅 拌时间等措施，以利于精炼过程快速化渣、促进夹杂 物变性及充分上浮，避免水口絮流卷渣；优化连铸浸 人式水口采用整体式水口进行严格密封，防止钢水 的二次氧化。其相应工序优化前后的工艺参数对比 如表4所示；且工艺优化前后的夹杂物有了一定的 改善，有效避免大颗粒夹杂物未能上浮引起的卷渣 缺陷，其优化前后夹杂物对应的控制水平如表5所
表4冶炼工艺优化前后的工艺参数
Table 4 Process parameters before and after steelmaking process optimization
工艺终点碳一倒命中率/
%
造渣石灰量/
(k g-t-1)
化濟剂/
(kg.t_丨）Ca/A l Als/Al
软吹氩时间/
(m in •炉-1 )
浸入式水门
类型
优化前优化后
土 75%
±95%
2.5
4.2
0.45不可开交造句
0.85
0.05
0.07彡0.85
彡10
15 〜20
分体式水口
整体式水口表5工艺优化前后的夹杂物控制/级
Table 5 Inclusion control before and after process optimization /rating
工艺
A B C D
Ds 细粗细粗细粗细粗
优化0~0~0.5~0.5~0.5~0~0.5~〇~0 ~前 1.00.5 1.5 1.0 1.00.5 1.5 1.5 1.0
优化后0~
0.5
00
0 ~
0.5
0 ~
0.5
0 ~
0.5
0~
0.5
0 ~
0.5
示，通过优化后夹杂物级别降低，且整体稳定。
4.2结晶器流场优化
4.2.1减少连铸拉速波动
有研究认为，拉速波动是影响夹渣的重要原因，在所有因夹渣、翘皮缺陷降判的钢材中，因拉速波动 占比近14%。这是因为，当拉速瞬时波动為0.2 m/min时，结晶器液面波动较大，此时较易产生翘皮 类缺陷[7]。同时，随着拉速的增加，液面钢液流速 相应增大，回流强度增强，漩涡强度变大，促使剪切 卷渣和乳化卷渣[8]。
4.2.2合理的水口浸入深度
研究表明[91°]，适当增加水口浸人深度，可以增 大上升流股到达液面的行程，让上升流股有较大的 空间扩张来减小液面流速，从而减少表面卷渣的发生。
结合钢厂实际工艺设备，为减少拉速波动制定 恒拉速保障措施，要求每炉次恒拉速浇铸，拉速瞬时 波动控制矣0.2 m/min；建立钢包上连铸平台温度考 核制度及连铸恒拉速浇铸指标奖惩规定，同时，开展 水口浸入深度的攻关试验，得出最佳工艺参数由95 mm调整至105 mm。通过以上两点措施达到优化 结晶器流场，有效地降低了结晶器液面的波动频次，卷渣发生率得到了明显降低。
4.3保护渣成分优化
保护渣对夹渣缺陷的影响主要体现在表面张 力、黏度、淹层厚度均匀性三个方面[11]，在相同钢种 和浇注温度下，提高碱度，增加了钢渣界面张力，有 利于增大临界剪切力，降低剪切卷渣的风险；提高保 护渣黏度，可提高结晶器内卷渣发生的钢液临界流
表6优化前后的保护渣成分
Table 6 Ingredient of mold powder before and after optimization
工艺
渣成分/%
1300 t粘度（7/)/(P a.S)熔点/弋Si〇2A1203CaO MgO Na20F
优化前31.51 4. 124.58 1.128.787.000.780.341088优化后31.41 2.8227.01 2.638.62 3.810.860.451084
• 56 •特殊钢第42卷
速，从而减低卷渣的几率。基于此，对连铸保护渣成 分进行优化如表6所示。
4.4改进效果
通过提高钢水洁净度、减少连铸拉速波动、控制 合理的水口浸入深度、优化保护渣成分等措施，生产 的40C r圆钢质量得到了稳步提升，2020年2月~ 2020年7月共生产367批40C r圆钢，因夹渣缺陷产 生的质量异议为零次，经统计该圆钢表面缺陷率由 优化前的〇.35%降低至优化后的0.08%，圆钢产品 质量得到有效控制。
5结论
(1)40C r钢中的夹渣缺陷主要为脱氧不充分形 成的钙铝硅酸盐以及结晶器内卷入的保护渣等形成
参考文献
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(2) 夹渣缺陷是导致乳材40C r圆钢开裂的真 正原因，其表面缺陷经打磨烧伤产生马氏体相硬化
层，受剪切力作用最终导致圆钢横向开裂。
(3) 为降低400连铸圆坯卷渣缺陷而优化的 工艺参数调整为：造渣石灰量为4.2 kg/t，化渣剂为
0.85 kg/t,Ca/A l比为0.07，水n浸入深度为105 mm，保护渣碱度0.86、粘度0.45 pa •s，减少连铸拉
速波动，瞬时波动矣〇.2 m/min。
(4) 夹渣缺陷控制措施实施后，40C r圆钢表面 缺陷率由优化前的〇.35%降低至优化后的0.08%，
消除了因夹渣缺陷产生的质量异议。
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汪春梅（1985-)，女，硕士（2012年燕山大学），工程师,2009
年沈阳化工学院（本科）毕业，金属材料检验分析和连铸工
艺研究。E-mail:******************
收稿日期:202(M0-21
下期要目
GH2907合金V I M+ VAR 3 t钢锭丨190 t均质化过程中N b和S i的扩散行为................王志刚等N b和T i对444超纯铁素体不锈钢高温氧化行为的影响...................................段秀峰等Ca0-Si02-Al203系保护渣加1^20对高铝钢20M n23A lV连铸板坯表面纵裂纹的影响............李晓军等G C r l5轴承钢250 m m x280 m m铸坯至138 m m x150 m m坯粗轧数值模拟及工艺优化.......苟复钢等油缸用25M n钢100 t E A F-L F-V D-软吹氩-C C流程B类夹杂物的控制........................肖鸿光冷拔应变对304H钢丝扭转性能的影响...................................................彭科等退火温度对铁素体不锈钢Y0Crl7S iS组织和性能的影响...................................严道聪等120 t B O F-L F-V D-CD300 m m C C-C R流程42C r M〇A钢轧材带状组织形成分析及改善措施..........介瑞华M n含量对低碳冷镦钢S W R C H22A组织和性能的影响.....................................王冬晨等
