4Cr5MoSiV1轧裂原因分析

摘  要  4Cr5MoSiV1是使用最广泛的热作模具钢之一。由于这种钢裂纹敏感性较强，所以炼钢、热加工如果控制不当，很易引起开裂，最常见钢坯角裂现象。结合生产实例，从钢质及热加工制度两方面对开裂原因进行了探讨。
关键词 非金属夹杂  角裂  热塑性  热加工
  1前言
  4Cr5MoSiV1（H13）钢，属空淬马氏体钢。在最初杂轧制H13钢时，常常在钢坯角部出现开裂现象，此时人们想到可能由于轧制中冷却水量太大，边角部冷却太快而导致应力开裂，因此在以后的轧制中特别注意冷却水量控制，确实起到较好的效果。但是随后的生产中，H13开裂现象仍时有发生，为此本文通过生产实例，探讨几种导致H13开裂的因素。
  2实例
  电炉冶炼一批H13钢，红送至初轧厂进行轧制，轧后发现许多钢坯存在角裂问题，较严重的为形变大，规格小的钢坯。观察钢坯表面，钢坯角部出现裂口缺陷，即角裂，有此情况严重的钢坯，不仅角部开裂，坯面上也有人字形裂口。
  从坯面上较严重的部位切取试样，做以下工作。
 2.1  成分分析
  对切取试样进行化学分析，并与标准成分对比，其结果见下表1。可见，试料成分符合标准。
            表1  成分对比

成分	C	Si	Mn	P
标准	0.32―0.45	0.80―1.20	0.20―0.50	≤0.03
试样	0.44	1.02	0.31	0.03

成分	S	Cr	Mo	V	其它
标准	≤0.03	4.75―5.50	1.10―1.75	0.80―1.20
试样	0.018	5.13	1.24	0.95	0.029Cu

 2.2  低倍分析
  对试片进行低倍热酸浸后，结果如表2。从表中结果看，疏松、偏析级别均属正常冶炼水平。
                表2  低倍结果

一般疏松	中心疏松	锭型	皮下气泡
1	1	1	0

 2.3  高倍分析
  对横截面裂纹深处进行微区分析。
  首先，未浸蚀前在金相、电子显微镜下观察夹杂物形态、分布情况。在裂纹与母体衔接部位发现有较明显的链状复合夹杂物和较多长条硫化物夹杂，裂纹两侧也发现较多球状氧化物、硅酸盐类夹杂。在扫描电镜下进一步观察，可看到裂纹附近有很多黑色点、块状物，进行能谱分析，发现这些夹杂富Mg、Si、O、Fe等元素，证明是硅酸盐类夹杂。
  复合夹杂中含Mg，说明外来夹杂成为非金属夹杂的核心，内生夹杂伴随其生长。外生夹杂主要来源于炉子耐火材料和炉渣的反应产物，也可能是与钢液本身的反应产物。
 2.4  讨论
  从钢坯开裂形状来看，认为首先是钢坯的薄弱部分产生裂纹，然后在轧制力的持续作用下沿轧制方向扩展。
  经金相及扫描电镜观察发现钢中存在链状、点状及球状复合夹杂，尤其是脆性氧化物和硅酸盐等，这些夹杂物本身强度低，破坏了金属基体的连续性，是基体的薄弱部分，可以说是裂纹源，此外奥氏体中难溶第二相，如不均匀分布的大块碳化物，其作用也类似非金属夹杂；钢中较严重的疏松部位，也是基体的薄弱部分，可看作原剩微裂纹。
  钢与这些作为裂纹源的第二相夹杂是否形成裂纹与钢及夹杂物的塑性密切相关，Rudnik研究了具有不同形变指数夹杂在热轧钢中引起的不连续现象。当形变指数接近1时，夹杂物的伸长与钢相同，这时在钢内没有因夹杂物引起的不连续现象。若形变指数降低，轧钢时夹杂物不能与钢一致形变，则在钢与夹杂物界面上产生应力，从而导致微裂纹产生。而本例中第二相夹杂中Fe-硅酸盐，在热加工范围内形变指数γ＜0.5，碳化物几乎不变形，即γ=0，所以在轧制时，与钢基本形变不一致，很容易在应力作用下发生裂纹。但裂纹是否扩展还要取决于钢的基体形变情况，这就与烧钢制度及压下方案有关。
  目前工艺制度是电炉冶炼→钢锭红送初轧厂→加热→扎制→红退火。
  加热制度中预热阶段十分重要，若红送温度低，则更需缓慢加热。因为这类合金钢元素含量较多，尤其高铬钢，导热性极差，所以充分预热可保证钢锭均匀烧透，在轧制中形变均匀一致，而裂纹尖端的应力集中可因钢基体良好的塑性形变而松弛，使裂纹钝化，裂纹扩展速度减慢或停止。若烧钢不均，热应力、形变应力会加剧裂纹裂纹尖端的应力集中，轧制时使金属破裂。此处由于H13钢含有较多的V、Mo，热形变抗力大，所以高温区加热温度不可过低，否则形变困难的基体使裂纹尖端的应力无法释放，只能迅速扩展并贯通，导致断裂。
  热轧时压下方案也非常重要，因为铸态组织脆弱，粗大，所以最初一、二道次形变量要小，目的是破除初晶，减少不均匀形变。随后的形变量可适量放大并快速抢轧，最后压下量要降低，因为温度降低，夹杂物形变指数降低，钢与夹杂两者形变大致相同时，才不易产生微裂纹。
  冶炼时，尽可能纯净钢质，特别降低氧含量，最好采取炉外精炼，现有条件下应特别注意原材料的干燥、少锈；还原期脱氧充分；烧注、出钢时避免二次氧化。据有关资料表明钢中70%的非金属夹杂是脱氧产物和出钢、浇注过程中的二次氧化物。所以去除夹杂应着重在还原期和出钢、浇注过程，脱氧完全还可避免碳与氧生成CO气体滞留在钢锭中形成气孔、气泡和疏松，引起钢锭在热加工时的开裂。
作者：陈建礼  高维明  徐玉田（太原钢铁集团有限公司）