非调质钢1E1106“黑心”问题研究

王 伟，田 刚，卢春光

（1.中钢集团西安重机有限公司，陕西 西安 710201；2.陕钢集团产业创新研究院有限公司，陕西 汉中 723000）

0 引言

非调质钢是在传统碳钢的基础上加入Nb、V 和Ti 等微合金化元素，采用控锻（轧）控冷等强韧化方法，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特殊质量的结构钢。随着国内汽车制造行业的快速发展，市场竞争日趋激烈。从降低成本的角度出发，越来越多的车企使用非调质钢替代常规调质钢制造汽车曲轴、连杆和液压杆等零部件，符合汽车轻量化的设计前沿理念[1]。据国际汽车制造商协会数据显示，我国2021年汽车年产量约2 608 万辆，随着我国汽车工业的迅速发展，国内对于非调质钢的需求量不断增长。非调质钢1E1106 做为液压缸材料，是挖掘机、叉车等主机的强度构件。非调质钢1E1106 与调质的42CrMo、40Cr 和45 钢相比，机械性能更好，从心部到边缘的硬度更均匀，疲劳寿命更长，且无需调质处理及相关的矫直、运输，可大幅度降低制造成本。非调质钢1E1106 是响应政府节能减排要求的新型产品，同时也符合发达国家的准入制度，更容易得到政策支持，并能提高产品的国际市场竞争力。某钢铁企业在开发1E1106 钢种时，各项性能指标均满足用户要求。但是，轧材出现“黑心”超标，摩擦焊将导致杆心部生成马氏体，产生很大的组织应力，甚至造成心部开裂，最终产生废品。本文对合格批次及不合格批次生产过程、检验结果进行对比分析，查找其产生的原因。

1 生产工艺及分析方法

某钢铁企业生产非调质钢的工艺流程为：150 t电炉冶炼＋120 tLF 精炼＋VD 脱气→连铸机连铸Φ500 mm 圆坯→缓冷→检查、修磨→连轧产材→控冷（穿水）→冷床冷却→入坑缓冷→矫直→表面清理→探伤→检验、检查→包装、上交。

本试验采用生产Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm三个规格。对Φ140 mm、Φ125 mm 和Φ110 mm 三个规格进行低倍冷蚀检验，不同程度出现了“黑心”超标情况，且同一规格、同一炉号不同取样位置所检测的“黑心”直径不同。

首先，将试样浸入15%硝酸酒精溶液中进行充分腐蚀，用棉球擦拭腐蚀面，使腐蚀均匀一致，时间为0.5～2 min。然后，将试样放入盐酸中，用质地柔软的棉球（棉布）擦拭，腐蚀时间为10～15 s，以达到腐蚀效果。样品的表面颜色会变浅，特征腐蚀点的侵蚀颜色会变深。

采用游标卡尺测量试样中心黑色腐蚀点的最大长度，按照公式计算“黑心”直径是否符合要求，“黑心”判定标准如表1 所示。

表1 钢材“黑心”判定标准

2 原因分析

对不同规格不同程度出现“黑心”超标试样进行低倍、成分偏析、晶粒度和金相组织分析，结果表明，由于成分C、Mn 偏聚在钢坯中心，造成心部大颗粒珠光体产生。因此，成分偏析是导致非调质钢1E1106 冷蚀“黑心”的主要原因。

2.1 低倍热蚀

为验证“黑心”是否为中心疏松造成，选取在低倍冷蚀检验过程中“黑心”直径较大的低倍片做热蚀试验，结果如图1 所示。由此可见，中心疏松并非造成“黑心”的原因。

图1 中心疏松0.5 级

2.2 成分偏析检验

为验证“黑心”是否为中心成分偏析造成，选取在低倍冷蚀检验过程中“黑心”直径不同的低倍片做成分偏析试验。选取炉号X33200、X33201，黑心直径为5 mm 和0 mm（合格成品）的低倍片为试验样品，低倍检验，进行成分偏析试验。具体取样方法见图2。

图2 取样方法图

试验结果如图3 所示。从图3 的C 成分和Mn 成分偏析分布图可看出，“黑心”直径5 mm 的炉次偏析明显严重。

图3 C、Mn 成分偏析分布图

2.3 组织分析

取中心存在“黑心”的试样小块观察金相组织，用2%的硝酸酒精溶液腐蚀20 s，其宏观形貌出现“黑心”，且“黑心”周围存在环状白亮区域。放大100 倍发现，“黑心”部位以粗大珠光体为主，而白亮区域出现大量细小铁素体，如图4 所示。

图4 钢材黑心部位组织图

取Φ125 mm 钢材的边缘、1/2R 处和中心处三种不同位置组织，放大200 倍后，发现钢材不同位置存在明显的组织差异，具体结果如图5 所示。

图5 规格Φ125 mm 钢材不同位置组织图

2.4 晶粒度分析

分别从三种钢材Φ110 mm、Φ125 mm 和Φ140 mm的表面、1/2R 处和中心处取样，采用面积法，测定晶粒度级别，具体结果如表2 所示。由表2 可知，钢材从表面至心部晶粒度存在极差，不同规格晶粒度不同。

表2 不同规格钢材晶粒度

3 结语

非调质钢因其省略调质热处理工序，对钢的化学成分及成分偏析控制有很高的要求。通过分析可知，由于成分C、Mn 偏聚在钢坯中心，造成心部大颗粒珠光体产生。“黑心”处存在较严重C、Mn 成分偏析，摩擦焊将导致杆心部生成马氏体，产生很大的组织应力，造成心部开裂，最终产生废品。因此可知，造成非调质钢1E1106 冷蚀“黑心”的原因应为成分偏析。通过控制过热度，调整拉速，使电磁搅拌与拉速最佳配合，减轻铸坯芯部偏析，产品在摩擦焊接后心部就不出现马氏体组织。高温大压下对钢坯进行粗轧，使钢坯心部充分焊合，枝晶充分破碎细化，精轧前进行控温，精轧后快速冷却，对控轧控冷技术的精确掌握，可大幅度降低“黑心”废品。