碳素钢在冶炼和轧制过程中有什么缺陷？

2025-03-28 10:29:38

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回答（1）：

碳素钢在冶炼和轧制（锻造）加工过程中，由于设备、工艺和操作等原因造成钢的欠缺。主要包括结疤、裂纹、缩孔残余、分层、白点、偏析、非金属夹杂、疏松和带状组织等。
一、结疤
钢材表面未与基体焊合的金属或非金属疤块。有的部分与基体相连，呈舌状；有的与基体不连接，呈鳞片状。后者有时在加工时脱落，形成凹坑。炼钢（浇铸）造成的结疤，疤下一般有肉眼可见的非金属夹杂。轧钢造成的结疤一般称“轧疤”，疤下一般仅有氧化铁皮。
炼钢（浇铸）造成结疤的主要原因有：
(1）上铸锭未采取防溅措施或下铸锭开铸过猛造成飞溅结疤。
(2）下铸锭保护渣性能不佳或模子不清洁、不干燥，造成钢锭（连铸坯）表面或皮下夹杂、气泡和重皮。
(3）模壁严重缺陷或铸温过高造成凸疤和粘模，经轧制或锻压加工演变为结疤。
轧钢方面造成结疤的原因有：
(1）成品前某道（架）轧辊或导卫装置缺陷或操作不当造成轧件凸包、耳子、划疤，经再轧形成结疤。
(2）钢坯火焰清理清痕过陡或残渣未除净，外物落在钢坯上被轧成结疤。
结疤缺陷直接影响钢材外观质量和力学性能。在成品钢材上不允许结疤存在。对结疤部位可进行磨修，磨修后钢材尺寸应符合标准规定。为了减少和消除结疤，一是炼钢、轧钢要改进有关工艺和操作，二是对钢坯表面缺陷部位进行重点清理或全面扒皮清理。
二、裂纹
按裂纹形状和形成原因有多种名称，如拉裂、横裂、裂缝、裂纹、发纹、炸裂（响裂）、脆裂（矫裂）、轧裂和剪裂等。从炼钢、轧钢到钢材深加工几乎每道工序都有造成裂纹的因素。
(1）炼钢方面
钢中硫、磷含量高，钢的强度、塑性低；铸锭浇铸（模铸、连铸）温度过高，浇铸速度过快，铸流不正；钢锭模、结晶器设计不合理；冷却强度不足或冷却不均，造成激冷层薄或局部应力过大；钢锭模有严重缺陷或保温帽安装不良造成钢锭凝固过程悬挂；保护渣性能不佳，模子潮和各种浇铸操作不良都能造成钢锭表面质量不佳，在钢材上形成裂纹。
(2）轧钢（锻造）方面
钢锭、钢坯加热温度不均或过烧造成裂纹；高碳钢加热或冷却过快，火焰清理或火焰切割钢材温度过低造成炸裂；钢材矫直应力过大，矫直次数过多而又未进行适当热处理时易产生矫裂；冷拔管、线钢料热处理不良或过酸洗造成裂纹；钢件在蓝脆区剪切易剪裂；焊接工艺不当造成焊缝或热影响区裂纹。
裂纹直接影响钢材的力学性能和耐腐蚀性能，成品钢材不允许裂纹存在。对于裂纹可以进行磨修，磨修后钢材尺寸应符合标准规定。为了防止或减少钢材裂纹，一是要改进炼钢、轧钢和钢材深加工及有关工序工艺操作；二是对钢坯缺陷部位要进行重点清理，对重要用途钢坯可以进行扒皮处理。
三、缩孔残余
钢水凝固过程中，由于体积收缩，在钢锭或连铸坯心部未能得到充分填充而形成的管状或分散孔洞。在热加工前，因为切头量过小或缩孔较深，造成切除不尽，其残留部分称为缩孔残余。
缩孔残余分布在钢锭上部中心处，并与钢锭顶部贯通的叫一次缩孔。由于设计的钢锭模细长或上小下大，在浇铸凝固过程中，钢锭截口以下锭中心仍有未凝固的钢水，凝固后期不能充分填充，形成的孔洞叫二次缩孔。一次缩孔和二次缩孔有本质差别，前者只出现在钢锭头部，后者在钢锭上、中、下部位都有可能出现。一次缩孔酸洗试片中心区域呈不规则的折皱裂缝或空洞。在其上或附近常伴有严重的夹渣、成分偏析和疏松。二次缩孔孔洞中或附近没有夹渣，但有偏析生成碳物。一次缩孔残余和空气贯通的二次缩孔在轧制（锻造）过程中不能焊合，与空气隔绝的二次缩孔和连铸坯缩孔在轧制时一般能够焊合，不影响钢材使用性能。
缩孔残余严重地破坏钢材的连续性，是钢材不允许存在的缺陷，轧制（锻造）时必然在钢坯上产生裂纹。为了防止缩孔的产生，要求正确设计钢锭模和保温帽尺寸，并采用性能优良的保护渣、保温剂（发热剂）和绝热板，把缩孔控制在钢锭头部，以保证在开坯时切掉。控制浇铸速度不要太快，温度不要过高可以防止缩孔产生。
四、分层
钢材基体上出现的互不结合的两层结构。分层一般都平行于压力加工表面，在纵、横向断面低倍试片上均有黑线。分层严重时有裂缝发生，在裂缝中往往有氧化铁、非金属夹杂和严重的偏析物质。
镇静钢钢锭的缩孔和沸腾钢锭的气囊及尾孔经轧制（锻造）不能焊合产生分层。钢中大型夹杂和严重成分偏析也能产生分层。分层是钢材中不允许存在的缺陷，严重影响钢材的使用。
防止分层缺陷的措施有：
(1）炼钢方面，要净化钢质，减少偏析、缩孔、气囊和大型非金属夹杂，防止连铸坯产生中间裂纹。
(2）轧钢方面，在钢锭加热时要严防内裂，初轧坯要切净缩孔和尾孔。
五、白点
在钢材纵、横断面酸浸试片上，出现的不同长度无规则的发纹。它在横向低倍试片上呈放射状、同心圆或不规则分布，多距钢件中心或与表面有一定距离。型钢在横向或纵向断口上，呈圆形或椭圆形白亮点。直径一般为3～10mm。
板钢在纵向、横向断口上白点特征不明显，而在z向断口上呈现长条状或椭圆状白色斑点。采用断口检查白点时，最好把试样先进行淬火和调质处理。
钢坯上出现白点，经压力加工后可变形或延伸，压下率较大时也能焊合。
白点缺陷对钢材力学性能（韧性和塑性）影响很大，当白点平面垂直方向受应力作用时，会导致钢件突然断裂。因此，钢材不允许白点存在。
白点产生的原因，一般认为是钢中氢含量偏高和组织应力共同作用的结果。奥氏体中溶解的氢，在冷却相变过程中，其溶解度显著降低，所析出的氢原子聚集在钢材微孔中或晶间偏析区或夹杂物周围，结合成氢分子，产生巨大局部压力，当这种压力与相变组织应力相结合超过钢的强度时，则产生裂纹，形成白点。
白点多在高碳钢，马氏体钢和贝氏体钢中出现。奥氏体钢和低碳铁素体钢一般不出现白点。
消除白点的措施主要是改进冶炼操作，采用真空处理，降低钢水氢含量和采用钢坯（钢材）缓冷工艺。
六、偏析
钢材成分的严重不均匀。这种现象不仅包括常见的元素（如碳、锰、硅、硫、磷）分布的不均匀性，还包括气体和非金属夹杂分布的不均匀性。
偏析产生的原因是钢水在凝固过程中，由于选分结晶造成的。首先结晶出来的晶核纯度较高，杂质遗留在后结晶的钢水中。因此，结晶前沿的钢水为碳、硫、磷等杂质富集。随着温度降低，杂质凝固在树枝晶间，或形成不同程度的偏析带。此外，随着温度降低，气体在钢水中溶解度下降，在结晶前沿析出并形成气泡上浮，富集杂质的钢水沿上山轨迹形成条状偏析带。由于偏析在钢锭上出现部位不同和在低倍试片上表现出形式各异，偏析可分为方形偏析、“V”、“^”形偏析、点状偏析、中心偏析和晶间偏析等。
另外，脱氧合金化工艺操作不当，可以造成严重的成分不均。保护渣卷入到钢水中造成局部增碳。这些因素使钢材产生偏析的程度往往超过由于选分结晶造成的偏析。
偏析影响钢材的力学性能和耐蚀性能。严重偏析可能造成钢材脆断，冷加工时还会损坏机械，故超过允许级别的偏析是不允许存在的。
偏析程度往往与锭型、钢种、冶炼操作和浇铸条件有关。合金元素、杂质和气体的偏析，随浇铸温度升高和浇铸速度加快，偏析程度愈严重。连铸钢采用电磁搅拌可以减轻偏析程度。另外，增加钢水洁净度是减轻偏析的重要措施。
七、非金属夹杂
钢中含有与基体金属成分不同的非金属物质。它破坏了金属基体的连续性和各向同性性能。
按非金属夹杂的来源可分为内生夹杂、外来夹杂及两者混合物。
（1）内生夹杂是由脱氧和结晶时进行的各种物理化学反应形成的，主要是钢中氧、硫、氮同其他成分间的反应产物，如Al2O3等。内生夹杂的特点是颗粒小，在钢内分布均匀，它与脱氧方法和化学成分有密切关系。
(2)外来夹杂是指钢中混入耐火材料、炉渣、钢包渣和模内保护渣等外来物质。外来夹杂的特点是尺寸大，成分结构复杂，分布不规则，具有很大的偶然性。空气对钢水的二次氧化会形成外来夹杂。在炼钢过程中，外来夹杂与内生夹杂往往会形成两者的混合物，具有两者的共同特点，使检验者难以分辨其来源。非金属夹杂按颗粒大小可分为亚显微、显微和大颗粒夹杂三种，其颗粒尺寸分别为100μm。大颗粒夹杂往往出现在钢锭沉淀晶区和皮下位置。连铸钢上弧区有时也发现大颗粒夹杂。
按非金属夹杂本身性质，可以分为塑性夹杂和脆性夹杂两种。
(1）塑性夹杂在热加工过程中，随金属一起发生变形，如MnS；而脆性夹杂，随热加工金属的变彤发生破碎，如Al2O3。当非金属夹杂熔点特别高时，在钢中一生成就以固态形式存在，这类非金属夹杂物在热加工时既不变形，也不破碎，保持其原来形状，如TiN。对于熔点很低的夹杂，从最后结晶母液中排除，此时多沿初生奥氏体晶界呈网状薄膜析出，如FeS。
钢中非金属夹杂对钢材的强度、伸长率、韧性和疲劳强度有不同程度的影响。按使用要求，根据中国国家非金属夹杂标准评定钢材夹杂级别。钢材中不允许存在严重危害钢材性能的大颗粒夹杂。
保证出钢和浇铸系统清洁，采用吹氩、渣洗、喷粉、真空处理等炉外精炼措施及保护浇铸措施，可以减少钢中非金属夹杂。
八、疏松
钢材截面热酸蚀试片上组织不致密的现象。在钢材横断面热酸蚀试片上，存在许多孔隙和小黑点子，呈现组织不致密现象，当这些孔隙和小黑点子分布在整个试片上时叫一股疏松，集中分布在中心的叫做中心疏松。在纵向热酸蚀试片上，疏松表现为不同长度的条纹，但仔细观察或用8～10倍放大镜观察，条纹没有深度。用扫描电子显微镜观察孔隙或条纹，可以发现树枝晶末梢有金属结晶的自由表面特征。
疏松的成因与钢水冷凝收缩和选分结晶有关。钢水在结晶时，先结晶的树枝晶晶轴比较纯净，而枝晶问富集偏析元素、气体、非金属夹杂和少量未凝固的钢水，最后凝固时，不能够全部充满枝晶间，因而形成一些细小微孔。
钢材在热加工过程中，疏松可大大改善，但当钢锭疏松严重时，压缩比不足或孔型设计不当时，热加工后疏松还会存在。严重的疏松视为钢材缺陷，当疏松严重时，钢材的力学性能会受到一定影响。但根据钢材使用要求，可以按标准图片评定钢材疏松级别。
采用提高钢水纯净度、加快冷却速度、连铸用电磁搅拌和减少枝晶等措施，可以减少疏松。
九、带状组织
热加工后的低碳结构钢，其显微组织铁素体和珠光体沿轧向平行排列，呈带状分布，形成钢材带状组织。
带状组织形成的机制一般有3种：
(1）通常，在低碳钢中，当树枝晶间富集磷、硫等杂质，钢材经热加工后，非金属夹杂被拉长。如硫化物，而奥氏体在冷却过程中先共析铁素体沿硫化物夹杂形核和长大，形成铁素体条带。同时，铁素体形成时向铁素体条带两侧排碳，也形成了珠光体条带。
(2）当低碳钢中含锰较高时，先凝固的树枝晶晶干成分较纯，形成铁素体条带。而枝晶间含锰、碳、硫、磷等杂质，而且铁素体条带也向枝晶间排碳，形成珠光体条带。
(3）当热加工终轧温度较低时，在双相区轧制也能形成带状组织。
带状组织实质上是钢材组织不均匀的一种表现，影响钢材性能，产生备向异性。带状组织降低钢材塑性、冲击韧性和断面收缩率，特别是对横向力学性能影响较大。
根据钢材的使用要求，可以按中国国家带状组织评级标准图片来评定钢材带状组织的级别。
降低钢中夹杂和树枝晶成分偏析是减轻钢中带状组织的主要措施。
注意事项：
碳素钢淬火时通常采用水冷，但对小尺寸的中碳钢，尤其是直径为8—12mm的45号钢淬火时容易产生裂纹，这是一个较为复杂的问题。采取的措施是淬火时试样在水中快速搅动，或者采用油冷，可避免出现裂纹。包装，裸装，国产钢按钢号在端部进行涂色，详见GB/T699-88标准规定。

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