200(CrMnN)系奧氏體熱軋板邊裂的影響因素及控制措施

陳茂敬

(山東泰山鋼鐵集團有限公司新材料研究所，山東271100)

1 不銹鋼熱軋板邊裂的幾種表現(xiàn)形態(tài)

某廠采用爐卷軋機生產(chǎn)200(CrMnN)系奧氏體熱軋板時，在一段時期內(nèi)邊裂嚴重。如圖1(a)所示，中間坯在粗軋第二、第三道次時，兩邊部通條出現(xiàn)裂紋。從試樣的邊裂形態(tài)來看，邊部開裂沿軋制方向拉裂呈三角狀，拉開長度達55 mm，邊裂由邊部向里延伸寬度達20 mm；由圖1(b)可見，鋼卷試樣整卷兩邊部邊緣呈鋸齒狀，從整卷的端面看類似破城墻狀，兩邊部脫落掉塊嚴重。從裸露外圈看最寬處達80 mm、最長處達300 mm。

圖2所示為2#鋼卷邊裂形貌圖。試樣卷的兩邊部都存在邊裂，主要集中在卷的外圈，并且局部出現(xiàn)脫落掉塊現(xiàn)象。

2 奧氏體不銹鋼熱軋板邊裂原因分析

2.1 加熱溫度偏高與軋制變形配合不佳對熱軋板塑性的影響

對試樣進行光譜分析，結(jié)果見表1。

圖3所示，中間坯試樣主裂紋處未發(fā)現(xiàn)夾雜物，次裂紋的延伸線上氧化嚴重,裂紋沿條狀α相開裂，裂紋末端與α相相連接(另一端已開裂至α相盡頭), α相含量平均為4.7%。

(a)中間坯試樣

(b)1#鋼卷試樣

圖4所示，1#鋼卷試樣主裂紋處未發(fā)現(xiàn)夾雜物，次裂紋的延伸線上氧化嚴重,裂紋末端沿條狀α相多處斷續(xù)開裂，貫串起來形成裂紋, α相(面積)含量平均為15.93%。

1#鋼卷試樣在室溫下和不同溫度熱處理后的組織如圖5所示，α相含量見表2。室溫下α相呈條狀大量分布；熱處理溫度為1 200℃時，試樣組織內(nèi)α相呈橢圓、圓狀分布且數(shù)量較少；熱處理溫度為1 260℃、1 300℃時，試樣經(jīng)硫酸銅腐蝕，α相呈灰色不規(guī)則形狀，數(shù)量較多。

從熱處理情況來看(圖6所示)，試樣有隨溫度升高α相含量增加的趨勢(室溫點α相含量只作對比用)。鋼卷試樣室溫下實測α相含量高于1 260℃熱處理試樣，鋼卷試樣原料坯的實際加熱溫度應(yīng)高于1 260℃。

圖2 2#鋼卷試樣邊裂形貌圖Figure 2 Sample edge crack of 2# strip coil

表1 熱軋板化學成分實測值(質(zhì)量分數(shù)，%)

(a) 次裂紋內(nèi)氧化物 100× (b)裂紋沿α相開裂 500×

(a)次裂紋內(nèi)氧化物 100× (b)裂紋沿α相開裂形貌 1000×

室溫 500× 1 200℃ 500×

1 260℃ 200× 1 300℃ 100×

表2 1#鋼卷試樣中的α相含量(%)

圖6 鋼卷試樣熱處理前后α相含量折線圖Figure 6 Line chart of α phase content before and after strip coil sample heat treatment

邊裂產(chǎn)生原因分析：中間坯、1#鋼卷試樣裂紋均沿α相開裂，中間坯試樣α相平均含量為4.7%、1#鋼卷試樣α相平均含量為15.93%。鐵素體與加熱溫度有關(guān)，鐵素體含量隨著加熱溫度的升高逐漸增加(1 100～1 300℃)。中間坯試樣邊部開裂沿軋制方向拉裂呈三角狀，中間坯試樣邊裂、脫落掉塊嚴重，也就是說材料所受軋制力超過了材料允許的斷裂強度。這是因為奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，密度大，而鐵素體為體心立方結(jié)構(gòu)，密度小，所以，當奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變時，體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當應(yīng)力超過鋼的強度極限時，在兩相界面處就產(chǎn)生了微裂紋。同時，由于鐵素體與奧氏體在強度和塑性上有較大的差異，因此，在軋制變形時原有微裂紋迅速擴展為肉眼可見的裂口，這種裂口主要出現(xiàn)在板邊上，就形成裂紋。結(jié)合對J4連鑄坯進行高溫塑性熱模擬試驗得出的結(jié)果(見圖7)可知，在1 000～1 050℃材料塑性直線下降，1 050℃為低谷。材料內(nèi)鐵素體在1 050℃脆性大、塑性極差，在該溫度下軋制，道次變形量超過了材料允許變形量就會開裂。由此可知，加熱溫度偏高導致鐵素體含量較高，以及軋制溫度不合理是邊裂缺陷形成的主要原因。

圖7 連鑄板坯高溫塑性測試結(jié)果曲線圖Figure 7 Curved diagram of high temperature plasticity test result for the continuously cast slabs

2.2 材料中大量的顯微氣泡對熱軋板塑性的影響

圖8顯示，裂紋中部、尾端裂紋兩旁的組織與正常組織無差別，裂紋兩端有氧化。

圖9(a)、圖9(b)顯示，在試樣邊裂起源處有大量的圓形顆粒，多個圓顆粒貫串起來形成裂紋，隨著裂紋向里延伸基體上的圓形顆粒大量減少；圖9(c)、圖9(d)顯示，正常基體上長條狀顆粒明顯比邊裂處少、短。

(a)裂紋中部組織形貌 500× (b)裂紋尾端組織形貌 200×

(a)邊裂起源處 (b) 正常基體上(橫向)

(c)邊裂邊部磨平后(縱向) (d) 正?；w上(縱向)

對試樣的氣體進行分析，結(jié)果見表3。試樣內(nèi)氧、氮含量較高，可見鋼水的純凈度不高，冶煉工藝控制較差。

電鏡能譜分析如圖10所示，2#鋼卷邊裂試樣中圓形、長條形顆粒為大量的氣泡；微區(qū)分析(譜圖2、5)正常部位主要有：Fe 、Cr、Mn、Cu、Ni、S及少量的Si。氣孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)夾雜物，微區(qū)分析結(jié)果與基體幾乎無差別。微區(qū)分析結(jié)果見表4。

圖11所示為電鏡俄歇能譜儀分析的J4斷裂面形貌，圖12所示為俄歇能譜檢測結(jié)果。表5為晶界處原子濃度。根據(jù)俄歇能譜檢測結(jié)果分析，晶界處的成分主要為C、N、O、Cr、Fe、Mn，而且C、N、O的含量遠遠超過了基體的平均含量。其中O含量是基體的3 000多倍。

通過試驗分析來看，材料的熱軋工藝基本合理，與材料的塑性變化相吻合。但試樣內(nèi)氣泡較多，特別是邊裂處氣泡排列較密，個別氣泡貫串起來形成裂紋。試樣內(nèi)O、N氣體含量較高，致使顯微氣泡大量成排存在，在軋制過程中形成裂紋。通過對J4試樣斷口俄歇能譜檢測結(jié)果的分析可知，晶界部位C、N、O的總含量占41%，氣體元素在晶界部位的富集嚴重影響了晶界的塑性，導致材料在軋制過程中形成裂紋。

表3 2#鋼卷試樣N、O氣體分析結(jié)果

3 預(yù)防措施

3.1 加熱溫度與軋制道次變形量的合理配合

在合理的Cr/Ni當量比的前提下，制定合理的加熱軋制溫度可有效降低材料中的α相含量。最高加熱溫度應(yīng)控制在1 180～1 240℃。

3.2 加強冶煉工藝的控制，減少鋼中氣體含量

一般情況下，N含量應(yīng)控制在1 500×10-6以內(nèi)、O含量控制在35×10-6以內(nèi)。

(a)微區(qū)形貌 (b)邊裂試樣微區(qū)分析點圖

表4 能譜微區(qū)分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

圖11 2#鋼卷試樣斷裂面形貌圖Figure 11 Fracture surface of 2# strip coil sample

圖12 俄歇能譜檢測結(jié)果Figure 12 Auger spectrum test result

表5 J4晶界處原子濃度 (%)

另外，氧含量與碳含量關(guān)系較大。碳含量0.08%是突變點，低于0.08%鋼水易產(chǎn)生過氧化，必須改進措施，降低氧含量。

4 應(yīng)用效果

通過對200系列熱軋板進行系統(tǒng)解剖分析檢測，了解了該系列鋼的基本工藝參數(shù)；通過對最初生產(chǎn)的連鑄坯進行不同溫度的熱處理試驗摸索出合適的加熱溫度、時間，并根據(jù)不同溫度下鐵素體的含量、沖擊韌性的變化，優(yōu)化了加熱、軋制工藝；確定了基本成分配比，控制N含量在1 500×10-6、 O含量在35×10-6以內(nèi)；結(jié)合所做高溫塑性熱模擬試驗，確定了軋制溫度及道次變形量。通過一系列的措施解決了邊裂問題，板材合格率明顯提高。

[1] 肖紀美.不銹鋼的金屬學問題.北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

[2] 王肇愉.鉻錳氮鋼中氣體問題的探討[J].鑄工，1981(3).