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、支撐結構等零件，廣泛應用于機械制造、建筑、建設等關鍵領域。隨著工業技術的不斷發展，對材料表面質量及綜合性能的要求也不斷提高。當20鋼表面出現質量問題時，需要對有問題的產品進行修磨，問題嚴重的材料需要直接判廢，給企業帶來了極大的經濟損失，因此研究20鋼的表面質量問題具有重要的意義[1-2]。

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

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 120圓鋼取樣位置宏觀形貌

將經過電阻爐900 ℃加熱并保溫后的溯源連鑄坯試樣表面的氧化鐵層去除，發現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元素質量分數為3.7×10−5，N元素質量分數為6.8×10−5，H元素質量分數為1.5×10−5。該結果符合企業內控標準的要求（O元素質量分數小于6×10−5，N元素質量分數小于8×10−5，H元素質量分數小于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《優質碳素結構鋼》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，具體形態表現為類圓形或破裂半圓形二維形態，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，結果如圖6~7所示。由圖6~7可知：孔洞尾部圓頓，末端未發現缺陷延伸（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形貌及能譜分析結果

2. 綜合分析

由宏觀觀察結果可知，圓鋼表面存在較多的沿軋向方向分布的不連續細小裂紋，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，與20圓鋼表面出現的縱向裂紋缺陷形態十分吻合。其表面還存在一定量的類圓形近表面缺陷，初步懷疑產品表面缺陷的產生與氣體存在相關性[3]。

由金相檢驗及掃描電鏡分析結果可知：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象。脫碳現象說明在加熱過程中，缺陷已經暴露在空氣中。大量氧化物圓點的存在說明缺陷很可能產生于原始坯料，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生反應，生成復合型化合物，即硅酸錳鐵。

同批量鑄坯試樣經過加熱，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。

結合圓鋼表面缺陷和坯料表面缺陷形態、試樣缺陷處的金相檢驗及掃描電鏡分析結果，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。

對生產環節進行溯源，發現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]。在全保護連續澆注過程中，為了防止水口結瘤，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合，形成二次氧化，從而帶來材料內部缺陷，往往使用吹氬的方式對材料進行保護。當連續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）建議在連鑄環節保障背壓符合要求，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生產加工過程中形成缺陷，解決產品的質量問題。

文章來源——材料與測試網