20圓鋼具有良好的塑性、抗震性和焊接性，可用于制作傳動軸、梁柱、支撐結(jié)構(gòu)等零件，廣泛應用于機械制造、建筑、建設等關(guān)鍵領(lǐng)域。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對材料表面質(zhì)量及綜合性能的要求也不斷提高。當20鋼表面出現(xiàn)質(zhì)量問題時，需要對有問題的產(chǎn)品進行修磨，問題嚴重的材料需要直接判廢，給企業(yè)帶來了極大的經(jīng)濟損失，因此研究20鋼的表面質(zhì)量問題具有重要的意義[1-2]。 

某批次20圓鋼表面出現(xiàn)縱向裂紋，經(jīng)過修磨后，仍然不能解決該問題，導致產(chǎn)品的判廢。筆者采用一系列理化檢驗方法對裂紋出現(xiàn)的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

在存在典型表面缺陷的直徑為60 mm的20圓鋼上，沿垂直于缺陷延伸方向取樣，取樣位置宏觀形貌如圖1所示。為了確定缺陷是否為原始坯料問題，以便追溯同批次連鑄坯料，利用電阻爐模擬軋制前加熱工藝，將試樣加熱至900 ℃并保溫30 min后，觀察其表面的情況。 

圖  1  20圓鋼取樣位置宏觀形貌

將經(jīng)過電阻爐900 ℃加熱并保溫后的溯源連鑄坯試樣表面的氧化鐵層去除，發(fā)現(xiàn)其表面有明顯的圓形孔洞，孔洞的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：縱向裂紋缺陷沿軋向分布，邊界筆直，頭尾略尖，具有筆管狀特征。 

圖  2  連鑄坯加熱后的表面孔洞宏觀形貌

1.2   氧氮氫分析

利用氧氮氫分析儀對所取圓鋼試樣進行O、N、H元素含量檢測，得到材料中O元素質(zhì)量分數(shù)為3.7×10−5，N元素質(zhì)量分數(shù)為6.8×10−5，H元素質(zhì)量分數(shù)為1.5×10−5。該結(jié)果符合企業(yè)內(nèi)控標準的要求（O元素質(zhì)量分數(shù)小于6×10−5，N元素質(zhì)量分數(shù)小于8×10−5，H元素質(zhì)量分數(shù)小于2×10−6）。 

1.3   化學成分分析

利用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：20圓鋼的化學成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求。 

1.4   金相檢驗

在圓鋼試樣表面縱向裂紋缺陷位置，垂直于裂紋方向取樣，對橫向試樣表面（垂直于軋制方向面）進行磨拋，再將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3~4所示。由圖3~4可知：圓鋼表面縱向裂紋由表面向基體內(nèi)部延伸，裂紋中存在氧化鐵，缺陷周圍有一定量的氧化圓點（見圖3）；在裂紋缺陷附近表面位置存在一定量的典型孔洞缺陷，具體形態(tài)表現(xiàn)為類圓形或破裂半圓形二維形態(tài)，底部圓頓，周圍可觀察到一定量的氧化圓點（見圖4）。用體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣后，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，裂紋缺陷附近存在較為明顯的不均勻脫碳現(xiàn)象，周圍組織為鐵素體+珠光體。 

圖  3  裂紋缺陷微觀形貌

圖  4  裂紋附近類圓形缺陷微觀形貌

圖  5  缺陷附近脫碳微觀形貌

在加熱后連鑄坯表面的孔洞位置進行切割取樣，并對其磨拋觀察，結(jié)果如圖6~7所示。由圖6~7可知：孔洞尾部圓頓，末端未發(fā)現(xiàn)缺陷延伸（見圖6）；孔洞周圍存在氧化圓點，缺陷處存在脫碳現(xiàn)象，周圍組織為鐵素體+珠光體（見圖7）。 

圖  6  加熱后連鑄坯表面孔洞位置微觀形貌

圖  7  加熱后連鑄坯表面孔洞附近微觀形貌

1.5   掃描電鏡（SEM）和能譜分析

將磨拋后的圓鋼及加熱后的連鑄坯試樣置于掃描電鏡下觀察，并對缺陷周圍的氧化物圓點進行能譜分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：試樣缺陷處氧化物圓點的主要成分均為硅酸錳鐵。 

圖  8  氧化物原點SEM形貌及能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

由宏觀觀察結(jié)果可知，圓鋼表面存在較多的沿軋向方向分布的不連續(xù)細小裂紋，裂紋邊界筆直，頭尾略尖，具有典型的筆管形狀特征。一般當原始材料存在氣孔缺陷時，經(jīng)過無扭軋制變形，氣孔會沿著軋制方向延伸，形成兩端窄中間寬的形態(tài)，與20圓鋼表面出現(xiàn)的縱向裂紋缺陷形態(tài)十分吻合。其表面還存在一定量的類圓形近表面缺陷，初步懷疑產(chǎn)品表面缺陷的產(chǎn)生與氣體存在相關(guān)性[3]。 

由金相檢驗及掃描電鏡分析結(jié)果可知：裂紋中存在氧化鐵，周圍有氧化物圓點，裂紋周圍有一定的氧化脫碳現(xiàn)象。脫碳現(xiàn)象說明在加熱過程中，缺陷已經(jīng)暴露在空氣中。大量氧化物圓點的存在說明缺陷很可能產(chǎn)生于原始坯料，原始坯料的表面或近表面存在缺陷時，在軋制前的加熱過程中，缺陷處氧元素含量高，更容易被氧化，且缺陷附近Si、Mn元素更容易與氧元素發(fā)生反應，生成復合型化合物，即硅酸錳鐵。 

同批量鑄坯試樣經(jīng)過加熱，去除表面氧化鐵后，可在表面觀察到十分明顯的孔洞，孔洞底部圓頓。 

結(jié)合圓鋼表面缺陷和坯料表面缺陷形態(tài)、試樣缺陷處的金相檢驗及掃描電鏡分析結(jié)果，可以判斷材料表面缺陷的形成原因為原始坯料存在皮下氣泡。 

當鑄坯局部存在表面或皮下氣泡時，在后續(xù)加熱軋制的過程中，在3個方向應力的作用下，有一部分氣泡破裂，形成縱向細裂紋，一部分未完全破裂的氣泡會保持原始狀態(tài)。 

對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行溯源，發(fā)現(xiàn)該缺陷為連鑄過程氬氣泡被代入到鋼水中，且未及時排出并遺留在鑄坯表面及近表面位置，導致侵入式Ar氣泡缺陷[4-5]。在全保護連續(xù)澆注過程中，為了防止水口結(jié)瘤，抑制組合式水口在澆鑄過程中吸入空氣，造成空氣中的氧與鋼水結(jié)合，形成二次氧化，從而帶來材料內(nèi)部缺陷，往往使用吹氬的方式對材料進行保護。當連續(xù)澆注過程中采用氬氣保護時，保護氣體會沿著中包上下水口的縫隙進入到鋼水中，而后氣體隨著鋼水的運動擴散至結(jié)晶器的不同部位，一部分氣泡隨著鋼水運動向上浮，同時促進了鋼水中夾雜物的上浮。但是，當氣泡未能及時排出而被固液界面凝固的枝晶捕捉時，就會形成鑄坯皮下氣泡。 

3.   結(jié)語及改進措施

（1）該批圓鋼表面缺陷為連鑄坯表面及皮下氣泡經(jīng)過加熱軋制形成的縱向裂紋缺陷。 

（2）連鑄坯表面及皮下氣泡的產(chǎn)生原因為連鑄吹氬保護澆注過程中，保護氣體進入鋼水而未能及時上浮，從而滯留在鋼中。 

（3）建議在連鑄環(huán)節(jié)保障背壓符合要求，同時控制氬氣流量，避免吹氬過強而使大量氬氣進入鋼中；控制連鑄過程的鑄坯拉速和澆注溫度，保證鋼水中氣體有充分的時間上浮排出。 

（4）不要讓保護氣體以氣泡的形式遺留在材料中，從而可以避免在后續(xù)生產(chǎn)加工過程中形成缺陷，解決產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

文章來源——材料與測試網(wǎng)