低合金钢弯折开裂的分析与经济性改善

刘珊珊，孙 乾，徐瑞亮，尹海元，张金波，吴秀军

（1 山东钢铁股份有限公司营销总公司，山东 济南 271104；2 山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 济南 271104；3 山东鲁碧建材有限公司，山东 济南 271104）

1 前言

随着经济高速发展，低合金钢被广泛应用，在汽车、桥梁、船舶、建筑、机械、压力容器等各行业发光发热，推进工业化进程［1］，同时，现代工业对其拉伸、冲击等力学性能及弯折、焊接等工艺性能要求越来越高。热连轧钢带产品具有强度高、韧性好、易加工等优异的使用性能，广泛应用于制管行业，其中，355 MPa 级别低合金钢带因其具备较高的性价比，应用最为广泛。制管前需根据成品方管尺寸，对母材钢带进行纵剪分段，采用数控折弯机将分段钢带冷态下，利用制管设备将钢带折弯成型，在其钢带分剪、折弯时，因制造工艺、母材性能匹配等原因，常诱发系列问题，例如折弯开裂［2］。本文以某方管制造企业在对355 MPa 级别低合金钢带进行弯折制管加工过程中，出现的弯折导角开裂问题，采用金相组织观察、扫描电镜检测等方法，探讨了了其弯折开裂的原因，并提出优化措施。经与企业对接，按照其年产20 万t 的制管产能计算，优化工艺后，每年可节省40余万元质量赔付，有效提高了产品质量及其经济性。

2 情况简介

方管制造企业采用355 MPa 级别低合金钢带（规格11.75 mm×1 050 mm）进行弯折制管加工，母材钢带开卷后，沿钢带宽度方向纵剪，均匀切分为三段，对每段钢带分别进行弯折，其一边段钢带下料后，经90°垂直弯折，导角处出现裂纹，外侧裂纹长约19.7 mm，内侧深约8.9 mm，由钢带外侧端部开裂，裂纹内有一定锈蚀，钢带表面出现一定氧化铁皮，剪切边部质量较差，存在有毛刺等异物。

所述制管用355 MPa 级别低合金钢带生产工艺流程包括：铁水预处理→顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→卷取→检验→入库。其化学成分、力学性能指标执行GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》标准要求。

3 试样制备及检验

采用DK77系列线切割机床在钢带母材及弯折开裂处分割取样，采用钢研纳克SparkCCD 7000 直读光谱仪对试样进行化学成分检验；应用UTM-2460 万能拉伸试验机与JB-W450CYZ 全自动冲击试验机对其进行拉伸与冲击等力学性能检验；利用无水乙醇对断口超声波清洗，采用YJ-1000研究级正置明暗场透反射金相显微镜对其显微组织、夹杂物进行观察；采用HB-3000B布氏硬度计进行硬度检验；采用FEIQUANTA400扫描电镜进行微观组织及夹杂物观察，配合Quantax75TM系列专用EDS能谱仪进行夹杂物成分确定。

3.1 成分分析

试样经打磨、洗涤，进行化学成分检验，结果如表1 所示。从表1 可知，母材及弯折开裂处化学成分符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》标准要求。

表1 化学成分（质量分数） %

3.2 力学性能

为明确母材性能与弯折开裂出现的关联性，于开卷后弯折开裂的原始钢带靠近头部、尾部以及中间部位分别取横向拉伸样、纵向冲击试样各3 块。按照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》及GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，进行力学性能检验，结果统计于表2。由表2 可知，该钢带各部位力学性能均达到GB/T 1591—2018标准要求。

表2 力学性能

3.3 硬度检验

参照GB/T 231［2］.1—2009《金属材料布氏硬度试验》，在弯折开裂钢带两侧各取一块试样（规格45 mm×55 mm），修磨除锈后进行布氏硬度检验。试验参数：D=10 mm，P=3 000 kgf，T=20 s，试样依次测定10 个数据点，结果汇总于图1（单位HBW）。由图1 可知，裂纹样硬度波动较大，布氏硬度值分布区间为151～166 HBW，这主要是因为贝氏体的存在，强化了局部组织硬度。母材样布氏硬度值分布区间为148～18 HBW，硬度检测无明显异常。

图1 硬度试样取样分布图

3.4 夹杂物与金相分析

采用线切割将裂纹钢带进行分段切割，于母材基体及弯折开裂处各取一个金相样（规格为10 mm×20 mm），经酒精超声波清洗除污，采用180～800 目砂纸依次打磨，2.5 μm金刚石抛光剂抛光，超声清洗、吹干后，对试样通体进行夹杂物观察，如图2所示。

图2 裂纹试样夹杂物

非金属夹杂物破坏钢基体组织连续性，夹杂物形态、数量、尺寸及分布情况影响母材塑韧性。异常夹杂物的存在，将导致局部应力集中。在弯折受理时，极易诱发弯折开裂。由图2 可知，钢带夹杂物相对极少，母材纯净度较高，对母材基体及弯折开裂处两个试样通体扫描观察，仅发现长度约在15～50 μm范围内的A类MnS夹杂物，以及个别直径约5～10 μm范围内的DS 类球状颗粒夹杂物。结合冶炼工艺，夹杂物总量控制在1.5 级以内，夹杂物含量并不是造成弯折开裂的主因。

采用4%硝酸酒精溶液对试样腐蚀后，进行金相组织观察，参照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》等要求，进行组织分析与晶粒度评定，汇于表3。

表3 金相组织

由表3可知，母材基体与弯裂处的金相组织及晶粒度，均符合GB/T 1591—2018标准要求，其组织形貌分别如图3、图4所示。裂纹样1/4处晶粒约10级，组织以铁素体+珠光体为主，含有少量贝氏体，存在出现较窄的偏析带；贝氏体对基体韧性有一定影响，当钢带精轧终轧温度过高，并且水冷强度较大，卷取温度低时，易出现该类组织，尽管弯裂处发现贝氏体组织，但其含量较少，弯折性能影响有限；再者，裂纹两端未发现明显脱碳及Si、Mn 氧化物析出，可排除铸坯原始裂纹的可能。母材金相组织晶粒约9.5 级，组织为铁素体+珠光体，未发现异常组织。

图3 裂纹样1/4厚度处金相组织

图4 母材样1/4厚度处金相组织

3.4 裂纹处扫描电镜与元素能谱分析

采用扫描电子显微镜对裂纹处进行微观观察，判断其是否存在夹杂物、析出物等可能影响基体连续性的异物，并通过EDS能谱，对其种类、含量进行定性分析，结果见图5。

图5 裂纹断口处扫描电镜与能谱元素图

图5 可知，选择500、100 μm两尺度视场下对断口进行观察，深色为Fe-C基体，谱图1、谱图3对其基体打能谱点，主要为Fe、C、Mn、Si、O、Ti 等元素，符合成分要求，浅色区域为可能存在的异常组织。谱图2、谱图4所示，除Fe、C、Mn、Si、O、Ti等基本元素外，还包含Ca、Al、Na、Mg、S 等元素，Si-Ca-Al来自钢带冶炼精炼过程的脱氧产物，带入极少K等残余元素，同时，裂纹缝隙存在一定氧化，缝隙内部及边界出现点状氧化物。结合金相及夹杂物分析，认为夹杂物尺寸、数量总量较少，符合标准要求，残余夹杂物对钢基体连续性割裂效果不明显，不是造成弯折开裂的主要原因。

4 弯裂原因分析与讨论

低合金钢带可能出现的弯折断裂的常见原因，可能来自母材本身冶炼质量不高，存在割裂基体的大形脆性夹杂物，或者铸坯表面存在气泡、边角裂纹等缺陷；抑或者控轧控冷工艺波动大，钢带产品终端组织出现异常，导致性能不合。但经上述对广域弯裂钢带的成分、性能、硬度、组织、断口分析，认为母材组织存在少许问题，但不至于诱发大尺寸弯裂现场，是该类失效的次要原因。此外，钢带的分剪质量及弯折工艺作为制管成型的关键，其工艺质量合理性、稳定性对钢带成型质量起到决定性作用，结合文献查阅，对常见的该类低合金钢带可能诱发弯裂的常见原因，汇总如下。

（1）冶炼是钢水纯净度、成分调节控制的关键环节，是钢材性能保障的基础。如果钢液存在较高硫、磷、砷等易诱发裂纹元素，冶炼成分异常，极易诱发心部偏析，并且当有害元素处于分布不均、形态异常时，更易导致基体塑、韧性瞬时性下降，诱发钢材在外加载荷作用时，出现弯曲开裂［2-3］。

（2）钢液精炼是通过钢包底吹氩气搅拌加速钢-渣之间的物质传递，促进脱氧、脱硫反应的进行，加速夹杂物上浮，并能起到调节钢水温度与成分的均匀的作用；当冶炼时钢液未走精炼或精炼时间较短时，其中有害组织或夹杂物，未能及时排除。铸坯轧制成材后，因夹杂物对钢基体连续性割裂效果明显，导致母材塑性、韧性、弯曲性能的骤降；当弯曲直径很小也极易造成钢带角部开裂［2-4］。

（3）钢带加工前，先要进行开卷。当开卷过程承受过大的拉力、弯矩或剪切力，超过其母材本身极限应力，尤其是现场拉矫力控制不当，功率不稳，拉速波动大，又或者正常大载荷拉矫时，突然停机等突发状况，极易导致突发性脆性断裂［5-6］。

（4）钢带成型过程中，如遇到切边剪锈蚀、钝化、磨损或者剪切频率、速度控制不稳定等情况，使得钢带分剪切边质量极差，出现切边裂纹、毛刺、尖角、缺口等极易造成应力集中的凹槽或缺陷点。当进行外部受载时，应力沿缺陷处分梯度延展，最终断裂，甚至形成事故［7］。

（5）钢带已分剪加工成材后，在其服役时，受载面存在规律或不规律循环载荷，接触面长期摩擦、点蚀。当接近疲劳破坏极限时，极易出现疲劳点蚀下的突发性脆断［8］。

（6）钢带弯曲时，弯芯直径对弯曲部位可能引起开裂也有一定作用，需保证弯芯直径与弯曲方向的合理匹配，能有效避免弯曲断裂失效［9］。

（7）因钢带性能与轧制方向有关。平行于轧制方向，生产上称为纵向；垂直于轧制方向，即为横向。因其组织形态不同，其纵向、横向性能差异较大。一般而言，纵向塑性指标优于横向。当折弯方向垂直于轧制方向弯曲时，弯曲性能要优于横向弯曲，能有效发挥弯曲性能，不易开裂［10］。

综上所述，结合对弯裂钢带的成分、硬度、力学性能及金相组织、夹杂物分析等检测，认为钢带的弯折开裂是各类细微缺陷、应力集中的综合诱导下，在大载荷冲压时造成的应力开裂。具体分析：弯裂钢带边部边缘常存在细小毛刺，切边质量差，已形成大尺寸切削毛刺、表面锈蚀等易造成应力集中的缺陷点；在剪切后，弯曲时折弯半径过小，易形成应力集中造成折裂，外层金属变形程度已大于变形极限是诱发弯折开裂主要原因。再者弯裂钢带规格偏厚（规格11.75 mm×1 050 mm），并且心部存在珠光体偏析，组织中包含韧性较差的粒状贝氏体，强度偏高；同时，钢带仓储环境较潮湿，表面质量较差，存在较重的氧化铁皮，一系列问题加剧了开裂风险。

5 措施与经济性改善

在实际生产中，钢厂原料钢带供应必须做好低合金钢带的冶炼控制，严控P、S等裂纹诱发系数高的元素含量，减少内生夹杂产生机制，连铸环节可开启电磁搅拌，有效控制铸坯心部质量，合理调控铸坯偏析；优化冷却工艺，可适当降低终轧温度，提高卷取温度，保证钢带上下表面组织性能均匀性，减少韧性较差的贝氏体含量。同时，下游钢带分剪成型厂，钢带纵剪分条时，选用性能较好、硬度较高的优质锋利刀具，定期做好设备维护及刀具保养、更换，杜绝切边缺口、拉丝、大尺寸毛刺的出现；分条后钢带进行弯折成型时，做好钢带表面及切边处的精度处理，清理掉可能存在的毛刺、铁锈等可能带来应力集中隐患的缺陷，根据钢带厚度规格及强度级别，选择合理的弯折圆角半径，匹配合理的成型工艺，使折弯成型时钢材内部流动阻力尽可能减小，可有效避免该类低合金钢带弯折开裂的实际问题。

经与制管成型厂对接，该公司年产20万t弯折管件。根据以往数据统计，因该类弯折故障引起停机造成的异议赔付约合100元/t（包括下线换带、修磨以及用户抱怨及订单交付期保供不及时问题的综合赔付），停机故障率约5%，每年造成经济性损失高达100万元。经优化工艺后，故障停机率降至＜1%，每年可节省80余万元质量赔付，有效提高了企业产品质量，提升了客户满意度。

6 结论

针对某制管企业应用355 MPa 级别低合金钢带弯折加工时，出现的弯折开裂问题。经多角度试验分析，钢带的成分、性能、组织、晶粒度等指标均满足要求。经综合分析，认为钢带剪切质量差，存在锈蚀及毛刺等边部缺陷，同时弯折弯半径过小，在边部缺陷处形成应力集中，外层金属变形程度超过变形极限是导致弯裂的主原。钢带心部存在珠光体偏析与表面存在氧化铁皮，并带有塑韧性较差的贝氏体组织，各类因素综合加剧了弯裂的可能。

通过上游钢厂严控有害元素及夹杂物含量，配合电磁搅拌工艺，保证铸坯心部质量；做好轧制控制，保证组织均匀性；下游成型厂做好钢带分剪及切边质量，合理选定弯角半径，可有效避免该类问题。经统计，优化工艺后故障停机率由过去的5%降至＜1%，按制管厂年产20万t计算，每年可节省80 余万元的异议赔付，有效提高了企业产品美誉度。