φ50 mm英标热轧带肋钢筋冷弯不合格原因分析

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王晶，管庆刚，赵蕾，于祝敏

(莱芜钢铁集团有限公司品质保证部，山东莱芜，271104)

摘要：自去年以来，公司为开拓国际市场，研制开发了直径为50mm规格的英标热轧带肋钢筋，从质量检验情况看，弯曲性能不稳定。尤其是今年4月份出现大批量的弯曲试验不合格，给公司造成了巨额损失。本文从气体分析、夹杂和金相组织等方面分析了英标φ50mm热轧带肋钢筋冷弯不合格原因，认为本批钢筋的氧含量偏高，含有较大和较多颗粒的夹杂物，并提出了炼钢过程中需控制有害气体，提高钢水的纯净度等科学的预防措施，对于指导车间生产具有一定的意义。

关键词：裂断；夹杂；金相组织；氧含量

1 情况简介

为了满足市场需求，我公司研制开发了英标φ50mm规格热轧带肋钢筋，棒材厂中小型车间负责轧制成材。由于轧制温度、工艺参数等技术指标掌握的不太成熟，质量不太稳定。4月份中小型车间生产一批Φ50英标460级钢筋共36炉，其中冷弯出现裂断、裂缝、裂纹等15炉不合格，合格率仅有58.3％，公司遭受巨额的损失。螺纹钢筋产品主要用于建筑类，产品质量不合格会带来严重的后果，为了稳定产品质量，提高合格率，我们利用现有设备对本批不合格的钢材进行了原因分析。为了便于分析，我们抽取其中的3炉样品分别标为1-3号样品，具体不合格情况如表1所示。

2 理化检验

2.1 冷弯裂缝、裂断宏观分析

1号、2号样品为冷弯裂断，断口较平齐，为脆性断裂形貌，裂纹源位于弯曲外侧受拉应力的部位，形成一个颜色较深的圆形区，后面跟随的扩展区呈放射线花样，扩展区和断裂区颜色较浅，断裂区同时可见有两条明显裂缝，见图1。每支冷弯试样裂缝的位置为1-3处，均处于标记或横肋的根部，长度最大达到了37mm，深度最深为6mm，宽度最宽为2mm。观察横肋或标记与内径圆弧过渡，排除有应力集中的可能，见图2（3号样品）。

表1 英标螺纹钢筋冷弯不合格情况

Table 1 British standard thread failure in cold-formed steel

生产编号	炉号	钢种	规格	冷弯	备注
804-744	082-6347	460	Φ50	裂缝	3号样品
804-746	082-6349	460	Φ50	裂缝
804-749	082-6352	460	Φ50	裂缝
804-750	082-6353	460	Φ50	裂断	1号样品
804-751	082-6354	460	Φ50	裂缝
804-752	082-6355	460	Φ50	裂缝
804-754	082-6360	460	Φ50	裂缝
804-757	082-6364	460	Φ50	裂断
804-761	082-6368	460	Φ50	裂断	2号样品
804-763	081-6409	460	Φ50	裂缝
804-768	082-6369	460	Φ50	裂纹
804-769	082-6363	460	Φ50	裂缝
804-739	083-6403	460	Φ50	裂纹
804-740	083-6404	460	Φ50	裂缝
804-741	083-6405	460	Φ50	裂断

2.2 化学分析

1-3号样品的熔炼成分均符合BS4449-1988标准要求的范围以内，具体数值见表2。

2.3 气体分析

在1-3号样品的母体上切取试样，为了便于对比，在正常合格的样品中也切取了试样，一同在车床上加工为直径6mm的试样做气体分析，使用设备为EMGA-620日本进口氮氧仪，所得结果为氮含量均正常，1号、3号样品的氧含量比正常样品高出许多。具体数值见表3。

表2 1-3号样品的熔炼成分

Table 2 1-3 samples of melting components %

序号	C	Si	Mn	P	S	V
1号样品	0.18	0.22	1.35	0.017	0.022	0.117
2号样品	0.20	0.25	1.35	0.028	0.030	0.112
3号样品	0.19	0.25	1.34	0.020	0.023	0.106

2.4 夹杂分析

在1-3号样品断口、裂缝附近切取纵截面试样，磨制抛光以后，在100倍的显微镜下观察，发现夹杂较多，颗粒较大，分布密集，圆形密集的夹杂带贯穿于试样整个视场，持续延伸，并可见大块状的外来夹杂物存在。图3所示的大颗粒连串的夹杂物在受力的时候，夹杂物与金属基体产生缝隙，缝隙扩大使一连串的夹杂物贯通，可形成较长的内部裂纹。具体情况见图3～6。

2.5 组织分析

在1-3号试样的断口、裂缝附近沿横向、纵向切取金相试样，试样磨制抛光以后，用4％硝酸酒精溶液侵蚀以后，用100倍显微镜观察金相组织，其基体组织为珠光体＋铁素体，边部组织均比心部组织细小，并呈现明显的轧制方向性，晶粒均匀，组织正常，纵向截面的组织可见晶粒明显沿轧制方向伸长，组织也正常。经与晶粒度标准系列评级图对比，1、2号样品晶粒度为8.5级，3号样品的晶粒度为8级，具体情况见图7～13。

表3 1-3号样品与正常样品气体分析情况

Table 3 1-3 samples and gas samples of normal situation

项目	N含量(ppm)	O含量(ppm)
1号样品	131.9	203.4
2号样品	111.4	133.8
3号样品	154.4	174.5
正常样品	143.9	117.6

2.6 电镜分析

为了进一步分析样品中的夹杂物形态及成分，我们对1、2号样品的断口进行了电镜扫描及能谱分析，发现夹杂物的化学成分主要含有氧、硅、锰，断口形貌及能谱分析图见图14～16。

3 分析与讨论

通过与GB/T10561-2005标准图片进行对比和能谱分析，确定上述图片3、5、6的夹杂物为氧化物类夹杂物，它们是在钢材冶炼和浇铸过程中形成的残余内生夹杂物，是较为严重的冶金缺陷。图4是明显的外来夹杂物，是在冶炼和浇铸的过程中带来的。夹杂物是显微裂纹的发源地，当钢的一侧承受弯曲拉应力的时候，夹杂物破裂或夹杂与钢基界面产生空隙而成为裂纹源。随着拉应力的逐步增大，裂纹源开裂的程度也越大，最后瞬时断裂，或者是形成长度、宽度较大的裂缝。钢中的非金属夹杂物与气体含量有关，钢中的氧含量过高，在炼钢的过程中形成的氧化物夹杂也就越多，钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷，并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性，冲击韧性等加工性能。所以在炼钢过程中应提高钢水的纯净度，钢材纯净度的要求主要是对氧含量的要求，所以需控制有害气体，减少夹杂物产生的几率，从而提高成品钢材的塑性。

4 结论

(1)造成本批φ50mm热轧带肋钢筋冷弯大量不合格的原因为：一是钢中氧含量过高，过高的氧含量促进了氧化物夹杂的形成。二是钢基体中的夹杂物较多，较多的夹杂物存在使钢的基体组织遭到破坏，在弯曲试验力的作用下产生裂缝，严重的出现裂断。

(2)在冶炼过程中充分去除有害气体，特别是控制氧含量，防止出现过多的氧化物类夹杂。

(3)炼钢工序中采用保护浇铸，提高钢水的纯净度，减少外来及内生的夹杂物数量。

参考文献：

[1]《理化检验》 2008.1 上海材料研究所

[2]《热处理工艺学》1982 机械工业出版社

[3] "physical and chemical testing" of the Shanghai Institute of 2008.1

[4] "Heat Treatment Technology" 1982 Machinery Industry Press

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