45钢板切割裂纹原因分析及控制

何广霞 黄 军 葛恒贵 吴 扬

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

45钢板切割裂纹原因分析及控制

何广霞 黄 军 葛恒贵 吴 扬

（江阴兴澄特种钢铁有限公司）

针对45钢板火焰切割裂纹的问题，采用低倍、扫描电镜以及金相等分析手段对缺陷进行了分析，阐明了热应力和相变应力是45钢板火焰切割裂纹产生的主要原因。通过优化冶炼及连铸工艺、火切工艺等措施使得这一问题得到有效的改善。

45 钢板 火焰切割 裂纹

0 前言

45钢是用途极其广泛的优质碳素结构钢，对应于日标的S45C、美标的SAE1045以及欧标的C45，其特征为具有较高的强度和抗变形能力，由于该钢种合金元素主要为C、Si、Mn，不含有其他高价格合金元素，所以材料性价比较高。

在模具行业里，45钢板广泛作为模架用钢材，目前多以热轧态或正火态交货，为降低采购成本，用户普遍要求钢板以火焰切割边部代替锯切边部交付使用，然而用户在加工使用过程中常会发现火焰切割面存在裂纹，且向钢板内部延伸，影响后续加工使用。据了解，关于中高碳碳素模具钢的火焰切割延迟裂纹问题在其它各钢铁企业也存在，兴澄特钢板材在生产初期也遇到了这个质量问题，特别是厚度超过50 mm的45钢厚板，通过对裂纹形成原因的分析及工艺改进，这一问题得到有效的解决。

1 生产工艺及成分

钢板生产工艺流程：高炉铁水→铁水预处理→转炉→精炼→连铸→坯料加热→轧制→（热处理）→火焰切割→成品检验。

GB／T 711－2008标准中45钢的化学成分详见表1。

表1 45钢的化学成分

2 裂纹宏观特征

火焰切割后，切割断面出现沿厚度方向的裂纹，裂纹垂直于厚度方向，宽度0.5 mm ～1 mm，裂纹形貌如图1所示。

3 裂纹分析

为准确了解钢板火焰切割裂纹产生原因，对图1所示裂纹处取样进行夹杂物、金相、扫描电镜以及显微硬度分析。另外，对钢板取低倍样进行低倍检验。

图1 45钢切割断面裂纹宏观形貌

3.1 夹杂物检验

按照GB／T 10561－2005中A法对缺陷钢板取样6处进行夹杂物检验，结果见表2，A＋B＋C＋D＋Ds类夹杂物＜2.5级，未检验出大颗粒Ds夹杂物存在。

表2 夹杂物检验结果

3.2 金相组织分析

在裂纹处取两块金相样，使用Olympus GX51型光学显微镜对其进行金相检验。检验结果显示裂纹处未见脱碳及明显的夹杂物；试样最外层的熔融区形成了魏氏体组织，如图2（a）所示；而熔融区以内的火焰切割热影响区深度接近3 mm；近切割面1 mm内的组织为细片间距珠光体组织，其中掺杂少量魏氏体组织；近切割面2 mm～3 mm处为细片间距珠光体组织＋铁素体组织，如图2（b、图2c）所示；超过3 mm处为正常的珠光体＋铁素体组织，如图2（d）所示。

金相结果显示，钢板存在偏析，热影响区的偏析处形成了马氏体组织，如图2（e）所示；而非热影响区的偏析处基本为珠光体组织，与正常基体组织差异较大，如图 2（f）所示。

图2 金相组织

3.3 扫描电镜分析

利用扫描电镜（SEM）对热影响区近切割面1 mm处以及热影响区偏析处组织进行高倍分析，近切割面1 mm处为细片层的托氏体组织（如图3所示），而偏析处形成了粗针状马氏体。

图3 扫描电镜高倍组织2 000倍

3.4 显微硬度

利用FM－300显微维氏硬度计，检验由火焰切割面向内延伸4 mm的全厚度硬度（避开偏析组织马氏体处），检验点间隔距离为0.25 mm，硬度结果如图4所示。并在500倍下针对不同组织检验单点硬度，结果如图5（a）所示，熔融区形成的魏氏体组织硬度达到409 HV；热影响区的硬度由表向内随着铁素体的增加而逐渐降低，近表层形成的托氏体组织硬度达到近320 HV，如图5（b）所示，而钢板中存在的偏析带组织硬度较正常的珠光体＋铁素体组织硬度高出40HV左右，达到224HV，如图5（c）所示；热影响区的偏析处由珠光体转变为硬度达到近550 HV 的马氏体组织，如图 5（d）所示［1］。

图4 热影响区硬度分布

图5 不同组织的显微硬度500倍

3.5 低倍

对试样进行横截面低倍酸浸实验，发现钢板偏析带较明显且厚度1／2处存在一定程度的疏松，如图6所示。

图6 钢板低倍

4 分析与讨论

火焰切割钢材是利用可燃气体与氧气混合燃烧形成的预热火焰将钢材加热到燃点，然后通过喷射切割氧，使切割处的钢材剧烈燃烧，并吹除燃烧产生的金属氧化物而把钢材分割的一种切割方法。

火焰切割迅速使金属接触面达到远超奥氏体化温度的金属熔融的温度，45钢的火焰切割面熔融区域快速冷却，形成了粗大的过热奥氏体晶体，由于与空气直接接触，冷却速度较快，形成了魏氏体组织。而切割面附近的金属则出现不同程度的奥氏体化，距离切割面越近奥氏体化程度越高，而距离切割面稍远的位置则出现铁素体未完全溶解而部分奥氏体化的现象。分析表明火焰切割45钢板时，切割热影响区达到3 mm左右，在熔化区附近，钢板所经受的局部高温使得钢板组织引起很大的变化，并在距离切割面3 mm的区域内形成了很大的温度梯度。在距离切割面1 mm的位置由于奥氏体化后的快速冷却，组织由珠光体＋铁素体组织转化为细片间距的托氏体组织，而热影响区距离切割面2 mm～3 mm的位置则由于未完全奥氏体化形成细片间距珠光体＋铁素体组织。组织变化导致熔融区和热影响区的性能与基体相比发生了较大变化，表层硬而脆的魏氏体，近表层热影响区为高硬度托氏体，从表至里随着铁素体的出现，硬度逐渐下降直至正常基体组织的硬度［2］。

从钢板的低倍结果看，钢板存在一定程度的疏松以及偏析，特别是偏析带较为明显。显微硬度结果显示，钢板基体偏析处的硬度达到220 HV左右，较基体组织高出40 HV，而热影响区的偏析处由原来的珠光体转变为硬度高达550 HV的粗针状马氏体，粗针状马氏体的形成使得45钢火焰切割热影响区的脆性及应力增大， 开裂倾向大幅度增加。

综合分析，钢板的裂纹为应力延迟裂纹，由于较厚钢板在火焰切割时的热输入较大，在钢板温度较低的情况下切割，会产生较大的热应力，而热输入导致的组织相变应力则是引起裂纹的另一个重要原因，特别是偏析处马氏体的形成加速了裂纹的扩展。另外，延迟裂纹的存在大部分出现在厚度≥50 mm以上的厚板中，这可能与钢板的压缩比不足有关，当轧制变形不能完全渗透到芯部时，芯部的缩孔不能被轧制焊合，缺陷会以晶界裂纹的形式存在于钢板中，当这样的缺陷遇到火焰切割导致的热应力和相变应力时，会成为火焰切割应力延迟裂纹的裂纹源［3］。

5 改进措施及效果

5.1 生产工艺改进

（1）冶炼过程中提高钢水精炼及真空脱气水平，降低钢中五大有害元素含量；连铸过程中利用中间包加热技术实现低过热度恒拉速连铸，并在铸坯的凝固末端采用轻压下措施改善坯料的中心偏析及疏松。

（2）根据钢板的厚度优选不同厚度的坯料轧制，确保钢板的压缩比在3～5之间，保证压缩比可以细化组织晶粒度，且可以使得坯料芯部的部分疏松焊合，减少其作为裂纹源的可能性。但是压缩比并非越大越好，在满足压缩比在3～5之间的情况下，应优先选择厚度较薄的坯料，薄坯料因其凝固速度较快，坯料的偏析及疏松均优于厚板坯。

（3）在满足用户需求的情况下，尽可能地对钢板进行正火热处理，根据对应连铸坯料的低倍检测情况，可以适当调整钢板在炉时间，其目的是实现材料奥氏体化后化学元素的均质化处理。

5.2 切割工艺改进

（1）消除45钢火焰切割延迟裂纹的最佳办法为钢板带温切割，即轧制或热处理后的钢板必须及时带温切割，避免冷却至室温操作，而对于已经长时间放置的钢板，需要进行预热处理，一般控制45钢板的预热温度在100℃～200℃之间为宜，带温或预热切割不仅能够降低热影响区的冷却速度，改善切割处的组织，且有利于氢的逸处。

（2）对于切割后需要热处理的45钢板尽量及时入炉，如切割后不需要热处理，则对切割后带温钢板堆垛，并注意对切割面处进行保温处理，可以使用耐高温棉遮盖，使得火焰切割处缓慢冷却并延长保温时间，减缓火焰切割热应力，同时保温得当可以实现热影响区相变组织的低温自回火，减缓相变应力。

5.3 改进效果

通过工艺的改进，生产的初期遇到的火焰切割延迟裂纹质量问题得到有效的改善，用户质量异议大幅度下降。产品质量的提升大幅度提高了销量，目前，兴澄特钢特优级中高碳塑料模具碳素钢板不仅稳定供货国内知名轮胎模具制造商，更是广泛出口东南亚、中东、欧洲、美洲等国家和地区。

6 结论

（1）45钢板火焰切割处热影响区深度近3 mm，熔融区形成了魏氏体组织，热影响区近火切面1 mm处形成了硬度达到320 HV左右的托氏体组织，而热影响区的偏析处形成了粗针状马氏体，硬度高达550 HV左右。

（2）钢板的裂纹为应力延迟裂纹，火焰切割产生较大的热应力，而热输入导致的组织相变应力则是引起裂纹的另一个重要原因，特别是偏析处马氏体的形成加速了裂纹的扩展。

（3）连铸坯质量对钢板的火切应力延迟裂纹有着很大的影响，除偏析导致的相变应力外，内部疏松在轧制未能完全焊合的情况下则会成为火焰切割应力延迟裂纹的裂纹源。

（4）通过优化冶炼工艺降低钢中有害元素，改善连铸工艺提高板坯质量，针对不同厚度钢板选用合适的板坯以及优化切割工艺，可以使火焰切割延迟裂纹这一质量问题得到有效解决。

［1］ 钟振前，朱衍勇，王晓辉，等.钢板火焰切割失效分析［J］.物理测试， 2010，28 （1） ：38－41.

［2］ 张涛，候华兴，杨军，等.耐磨钢板NM400切割延迟裂纹分析［J］.钢铁钒钛，2013，34（5）：89－94.

［3］ 彭宾.厚规格耐磨钢板切割延迟裂纹缺陷产生机理及预防措施初探［J］.宽厚板，2016，22（4）：24－26.

CAUSE ANALYSIS AND COUNTERMEASURES OF CUTTING CRACKS OF 45 STEEL PLATE

He Guangxia Huang Jun Ge Henggui Wu Yang
（Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co.Ltd）

Aiming at analyzing the causes of cutting cracks of 45 steel plate，this thesis investigates the reason via macro－examination， SEM， microstructure analysis， etc.The results indicate that the thermal stress and phase transforma⁃tion stress are the main reasons of the formation of cutting cracks.This thesis finds that the the risk of flame cutting cracks can be reduced by optimizing smelting and continuous casting technology， cutting process， etc.

45 plates flame cutting cracks

联系人：何广霞，高级工程师，江苏.无锡（214400），江阴兴澄特种钢铁有限公司特板研究所；

2017—6—30