10B21合金冷镦钢盘条冷镦开裂原因分析

石 敏， 刘鸢杰， 陈修明， 刘 斌

（方大特钢科技股份有限公司技术中心， 江西 南昌 330012）

10B21盘条属于美标SAE J403中的高强度合金冷镦钢，由于该钢种加入了B元素，使其具有非常优异的冷镦性能和非常高的淬透性，主要用于8.8级以上的螺栓、螺帽等紧固件的制作。方大特钢公司在10B21的试生产过程中，出现冷镦开裂和翘皮现象，见图1。本文对该问题进行了原因分析，并提出改进措施。

1 盘条缺陷分析

1.1 宏观分析

图1为经过1/3冷镦后的开裂形貌，出现了肉眼可见的裂纹，且裂纹上有翻卷的翘皮缺陷。对母材进一步取样观察，发现整卷盘条出现如图2所示的断续性裂纹及翘皮缺陷。两者的缺陷形貌具有非常高的相似度。因此初步判断母材上的该种缺陷，是导致1/3冷顶锻出现裂纹和翘皮的主要因素[1]。

图1 10B21盘条1/3冷顶锻开裂形貌

1.2 成分分析

在1/3冷镦开裂试样对应的母材上截取样品制成试样，用德国QSN750型直读光谱仪进行化学成分分析，见表1。

图2 10B21盘条对应母材缺陷形貌

由表 1 可知，P、S、Ni、Cu 等杂质元素均控制在非常低的水平，钢的纯净度较高；其他元素含量均控制在标准要求的范围内。成分控制上没有出现异常。

表1 10B21冷镦开裂样品成分 %

1.3 金相观察与分析

在冷镦开裂样品对应的母材上截取开裂部位制成试样，用莱卡DMI5000M型光学显微镜进行组织形貌观察，见下页图3。

试样金相组织显示，远离缺陷部位的表面组织均为正常的铁素体+珠光体，且组织细小均匀，说明缺陷并不是由异常组织所带来。从缺陷部位观察，缺陷附近脱碳严重，且氧化物扩散明显，说明缺陷内部曾经暴露在高温的有氧环境，即缺陷在加热前就已经产生。因此判断该种缺陷为钢坯的缺陷所带来。

图3 10B21盘条母材缺陷金相图片

2 钢坯缺陷分析

2.1 宏观分析

通过前面的分析，判断盘条上的缺陷是由钢坯缺陷带来，因此针对回炉的钢坯进行酸洗检测，见图4。可以很明显的发现，钢坯侧面菱角处有较多横向的短裂纹，整根钢坯上均有此现象。

图4 10B21钢坯缺陷形貌

2.2 金相观察与分析

在钢坯裂纹处取样品制成试样，用莱卡DMI5000M型光学显微镜进行组织形貌观察，见图5。试样金相组织显示，试样边部及靠近边部的部位可见多条裂纹，最深深度为2.3 mm。因为是回炉钢，裂纹内可见氧化物及高温扩散现象；腐蚀后发现，脱碳严重，也印证了钢材上裂纹原因的判断。

针对该处裂纹继续用蔡司EVO18扫描电镜进行分析，见图6。发现在试样的近表面存在小颗粒状的夹杂物，经能谱分析判断主要为Al2O3及TiN夹杂。但从该钢种的特性判断，这两类细小的夹杂物属于正常存在的[2]。

3 工艺分析及改进

通过对盘条及钢坯缺陷的显微组织观察，可以判断10B21盘条1/3冷顶锻开裂的主要是由于钢坯角部裂纹所带来。据研究表明，连铸坯角部裂纹产生的原因主要[3]：一是化学成分中元素的影响，如m（Mn）/m（S）比低、（AlN）质点在晶界上沉积；二是钢水过热度太高；三是连铸工艺不当，如二次冷却强度不均匀、浸入式水口插入深度、液面波动等等；四是铸机工况条件差等。

图5 10B21钢坯缺陷金相图片

图6 10B21盘条钢坯缺陷形貌

通过对该炉10B21冶炼、轧制过程分析发现，10B21的冶炼和轧制过程没有出现太明显的异常现象。但发现另一个情况是，冶炼工艺与轧制工艺基本一致，且与10B21同时冶炼轧制的SWRCH22A并未出现该问题。而两钢种之间差异基本只有一个，那就是10B21在SWRCH22A的基础上添加了B元素以提高淬透性。因此认为10B21中的B元素可能是导致连铸坯角部裂纹的主要因素。

进一步对B元素在钢种的机理进行研究，研究表明[4，5，6]，只加入 B 和 Al的 10B21 连铸时容易产生表面横向裂纹，高线轧制时表面结疤严重，强度偏高，冷镦性能合格率低；通过降低Al含量、B含量，以及添加Ti元素，可以明显改善10B21连铸坯表面质量，降低强度，提高冷镦性能，高线轧制时表面结疤现象基本消除。分析认为，Al与N形成细小的AlN颗粒，在奥氏体晶界处析出，钉扎了晶界，降低了材料的高温塑性。B在晶界处的偏聚可以弱化晶界连接，抑制奥氏体向铁素体的转变，提高了材料的高温塑性。Ti与N能强烈的形成钛氮化合物，降低了钢中自由N的含量，同时还可以阻碍晶粒长大。

分析认为，钢材中添加钛元素，有利于抑制氮化铝在矫直温度下的析出，提高铸坯热塑性，减少铸坯角部裂纹。为解决10B21铸坯角部裂纹缺陷，对炼钢工艺进行调整优化：在成分设计上加入钛元素，并对铝元素增加控制范围；为提高铸坯矫直温度，连铸的比水量降低0.1～0.2 L/kg；为减少铸坯应变速率，连铸拉速在原有基础上降低0.1 m/min，进拉矫机温度下限提高50℃。通过以上调整后，未再出现因钢坯裂纹导致的冷镦开裂问题。

4 结论

1）本次10B21冷镦钢盘条出现的冷顶锻开裂问题，主要是由于钢坯的角部裂纹经过轧制后无法消除，在成品盘条上形成断续性裂纹所导致。

2）通过Ti元素的加入，可抑制氮化铝的析出，提高铸坯热塑性，同时通过适当的工艺优化，可避免钢坯裂纹的产生。