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碳素结构钢中磷偏析的形成开裂浅析

  目前,国内钢厂提供的碳素结构钢盘条、棒料普通规格均是φ5.5-φ45,较为成熟的范围是φ6.5-φ30。对小规格的盘条、棒料原材料中磷偏析造成的质量事故较多。下面谈谈磷偏析的影响,以及形成开裂的分析,供同行参考。

磷加入铁中可相应地使铁碳相图中的奥氏体相区封闭,因此,必然扩大固相线与液相线之间的距离。当含磷的钢从液态冷却至固态 时,需要通过较宽的温度区域。磷在钢中的扩散速度较慢,此时含磷浓度高的铁液(溶点较低)充填在首先凝固的枝晶的夹缝中,从而形成磷的偏析。

在冷镦或冷挤压工艺时,常常看见开裂的产品,对开裂的产品进行金相检测分析可知,铁素体与珠光体呈带状分布,基体中可明显看到一条条带状白色铁素体,在这条带状铁素体基体上有断续带状浅灰色硫化物夹杂,这种由于硫磷化物偏析而造成的带状组织称为“鬼线”。这是由于磷偏析严重的区域其磷富集带呈现白亮带。由于白亮带磷含量偏高,而使富集磷的白亮带中碳的含量减少或碳含量极少,这样富集磷的带在连铸钢坯过程中,连铸坯的柱状晶均向中央发展。钢坯在凝固时先从钢液中析出奥氏体的枝晶,在这些枝晶中所含的磷、硫减少,但在最后凝固的钢液中,富含磷、硫杂质元素,它凝固于枝晶轴间,由于其中含磷、硫元素较高,此时硫便形成硫化物,磷则固溶于基体中,它不易扩散,并且有排碳作用,碳熔不进去,所以磷固溶体周围(铁素体白亮带的两侧边)含碳量较高。碳元素在铁素体带的两侧,即在富集磷区域的两侧,分别形成一条与铁素体白亮带平行的、较窄的、断续的珠光体带,并把毗邻的正常组织隔开。钢坯在受热压力时,轴间就会顺轧制加工方向延伸,正由于铁素体带含有较高的磷,即严重的磷偏析导致形成严重的宽亮铁素体带状组织,明显的铁素体宽亮带内又存在着浅灰色条状硫化物,这种分布有长条状硫化物的富磷铁素体带,就是我们通称作“鬼线”组织(见图1-2)。

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图1   碳素钢SWRCH35K 中的鬼线  200X
 

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图2    普碳钢Q235 中的鬼线  500X

 

钢在热轧制时,只要钢坯存在磷偏析,要想获得均匀的显微组织是根本不可能的,更何况由于严重的磷偏析,已经形成“鬼线”组织,势必都会降低材料的力学性能。

磷在碳结钢中的偏析是常见的,只是程度不同,当磷严重偏析时(出现“鬼线”组织),会给钢带来极为不利的影响。显然,磷的严重偏析,是材料在冷镦过程中开裂的祸首,因为钢中粗细不同的晶粒都有不同的磷含量,所以也就使材料有不同的强度和硬度;另一方面,也使材料产生内应力,它会促使材料容易发生内裂。存在“鬼线”组织的材料中,正是由于硬度、强度、断后伸长率和断面收缩率的减少,尤其是冲击韧性的降低,会导致材料的冷脆性,所以磷含量与钢的组织性能有着十分密切的关系。

金相检测在视场中心“鬼线”组织内,存在大量浅灰色细长条硫化物。结构钢中的非金属夹杂物主要以氧化物和硫化物的形式存在,依据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量标准评级图显微检验法》,此时的B类夹杂物硫化物级别达到2.5级及以上。众所周知,非金属夹杂物就是潜在的裂纹源,它的存在会严重破坏钢材显微组织的连续性和致密性,大大降低钢的晶间强度。由此推断,钢材内部的组织“鬼线”中硫化物的存在,就是最容易开裂的位置。所以,大量紧固件生产现场出现冷镦开裂、热处理淬火裂纹就是大量浅灰色细长硫化物造成,这种不良织织的出现破坏了金属性能的连续性,同时增大了热处理的风险。“鬼线”无法通过正火等方式去除,应从冶炼上或原材料进厂前对杂质元素进行严格控制。

而非金属夹杂物又根据其成分组成和变形能力分为氧化铝(A类)硅酸盐(C类)和球状氧化物(D类)。它们的存在隔断了金属的连续性,剥落后就成凹坑或裂纹,在冷镦成形时极易形成裂纹源,在热处理时造成应力集中,产生淬火开裂。因此,对非金属夹杂物须严格控制,现行的钢材GB/T700-2006《碳素结构钢》和GB/T699-2015《优质碳素结构钢》标准中对非金属夹杂物并未做明确要求。对重要的零部件一般对A、B、C类粗系、细系不大于1.5级,D、Ds类粗系、细系不大于2级为佳。

 

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