SS400熱軋帶鋼表面網(wǎng)狀裂紋缺陷

供稿|左海霞，蘇崇濤，王亞芬，海超 / ZUO Hai-xia, SU Chong-tao, WANG Ya-fen, HAI Chao

內(nèi)容導(dǎo)讀

利用光學(xué)金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線(xiàn)能譜儀(EDS)，對(duì)SS400帶鋼在熱軋生產(chǎn)中出現(xiàn)的一例表面網(wǎng)狀裂紋缺陷進(jìn)行分析，結(jié)果表明，此例熱軋帶鋼表面網(wǎng)狀裂紋缺陷的產(chǎn)生系鑄坯表面裂紋和中間裂紋缺陷綜合所致，要避免或減少此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生，必須嚴(yán)格控制鋼中有害元素含量，選擇合適的結(jié)晶器及保護(hù)渣，優(yōu)化連鑄生產(chǎn)工藝，嚴(yán)格控制連鑄生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，獲得合理的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)，從而提高軋材的合格率。

熱軋帶鋼表面質(zhì)量缺陷有表面裂紋、邊裂、紅鐵銹、孔洞、異物壓入、氧化鐵皮壓入、非金屬夾雜物等[1-2]。表面缺陷因種類(lèi)多、產(chǎn)生原因復(fù)雜、對(duì)用戶(hù)及后續(xù)加工產(chǎn)生的影響不明確等，是所有缺陷中最為復(fù)雜的，也是生產(chǎn)中亟待解決的棘手問(wèn)題之一。表面缺陷的產(chǎn)生可能涉及煉鋼、連鑄、加熱、熱連軋等工序，因此，針對(duì)每一類(lèi)缺陷分析其產(chǎn)生原因和影響因素，了解其演變規(guī)律，才能更好的控制和降低同類(lèi)缺陷的產(chǎn)生，對(duì)于提高軋材產(chǎn)成率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等都有著可觀的實(shí)際意義[3-5]。本文通過(guò)光學(xué)金相顯微觀察、掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜(EDS)等分析手段，對(duì)生產(chǎn)中遇到的一例SS400熱軋帶鋼表面裂紋缺陷產(chǎn)生原因進(jìn)行分析及討論。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

SS400熱軋帶鋼的生產(chǎn)工藝流程為：DS→LD→精煉→寬板坯連鑄→加熱→2300軋制→層冷→卷取→檢驗(yàn)→包裝出廠。本實(shí)驗(yàn)所用樣品截取自現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中出現(xiàn)表面裂紋缺陷的熱軋帶鋼，產(chǎn)品厚度為10 mm，化學(xué)成分如表1所示。

對(duì)生產(chǎn)中遇到的一例SS400熱軋帶鋼表面裂紋缺陷進(jìn)行宏觀和微觀檢驗(yàn)分析，缺陷部位局部區(qū)域宏觀形貌如圖1所示。首先，取垂直于軋制方向且包含裂紋缺陷的試樣橫截面作為金相檢驗(yàn)面，經(jīng)研磨、拋光后，在金相顯微鏡下觀察樣品橫截面上的裂紋形態(tài)及分布情況，并對(duì)檢驗(yàn)面上的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)；其次，借助掃描電鏡及能譜儀對(duì)試樣截面上裂紋內(nèi)的填充物及裂紋延伸區(qū)域夾雜物進(jìn)行成分定性分析；最后，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察分析樣品的顯微組織。

表1 SS400化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

宏觀檢驗(yàn)

此例缺陷裂紋集中分布在帶鋼寬度方向邊部到1/4區(qū)域范圍內(nèi)，多沿軋制方向分布，寬度0.5~3 mm，且長(zhǎng)短、深淺不一，個(gè)別部位裂紋開(kāi)口較大，此次缺陷較為嚴(yán)重，裂紋缺陷表面及截面局部區(qū)域形貌如圖1所示。

微觀檢驗(yàn)

沿板厚方向隨機(jī)截取裂紋區(qū)域橫截面作為金相檢驗(yàn)面，磨平、拋光后在光學(xué)顯微鏡下觀察，試樣橫截面上裂紋根部粗，尾端細(xì)，由表面向鋼基內(nèi)延伸，裂紋較平直，最深處距離表面垂直深度約為4 mm。裂紋內(nèi)填充有大顆粒的氧化鐵，裂紋周?chē)橛写罅棵芗植嫉难趸镔|(zhì)點(diǎn)，裂紋擴(kuò)展末端延伸部位存在硫化物及氧化物夾雜，如圖2所示。利用能譜儀對(duì)裂紋附近氧化物質(zhì)點(diǎn)及裂紋末端硫化物夾雜進(jìn)行分析，結(jié)果表明，裂紋附近的氧化物質(zhì)點(diǎn)成分主要含有O、Ti、Mn等元素，裂紋末端硫化物成分主要含有S、P、Ti、Mn等元素，具體分析位置及結(jié)果如圖3、表2、表3所示(其中表2對(duì)應(yīng)圖3(a)，表3對(duì)應(yīng)圖3(b))。就檢驗(yàn)面而言，除上述區(qū)域存在非金屬夾雜物外，試樣橫截面正常區(qū)域的非金屬夾雜物評(píng)定結(jié)果為A1.0，B1.0，C0，D0.5。

表2 裂紋內(nèi)填充物及裂紋附近氧化物質(zhì)點(diǎn)的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 裂紋末端夾雜物的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，中心偏析在開(kāi)口部位段呈上拋物線(xiàn)形態(tài)。裂紋開(kāi)口區(qū)域按截面形貌及組織形態(tài)從板寬方向分為左側(cè)、右側(cè)，板厚方向表面到基體分為三層(表層、次層、基體)。左側(cè)表層顯微組織為貝氏體，如圖4(a)所示；次層為鐵素體+珠光體，呈條帶狀分布，其中條狀分布的為硫化物夾雜，如圖4(b)所示；右側(cè)表層為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體+貝氏體，次層為珠光體+貝氏體少量，如圖4(c)所示。其余正常部位為鐵素體+珠光體+貝氏體少量。右側(cè)翹皮的延伸部位、網(wǎng)狀硫化物夾雜較嚴(yán)重，如圖4(d)所示。此外，在試樣板厚方向上，心部及1/4區(qū)域存在偏析，如圖4(e)~(f)所示。

分析與討論

裂紋內(nèi)填充大量的氧化鐵，且裂紋兩側(cè)存在氧化物質(zhì)點(diǎn)，裂紋開(kāi)口處相對(duì)于基體有明顯的脫碳和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，可見(jiàn)高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化特征明顯。能譜分析裂紋兩側(cè)氧化物質(zhì)點(diǎn)成分主要包含O、Ti、Mn、Fe等元素，屬于裂紋附近鋼基經(jīng)過(guò)高溫加熱后內(nèi)氧化的產(chǎn)物；脫碳和氧化物質(zhì)點(diǎn)的形成需滿(mǎn)足兩個(gè)條件： 脫碳一般在700~800℃以上較高的溫度下產(chǎn)生；?要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。碳原子由鋼基體向外擴(kuò)散，與空氣中的氧結(jié)合生成CO或CO2氣體排放，從而導(dǎo)致裂紋附近鋼基脫碳。氧化物質(zhì)點(diǎn)的形成則需要更高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間，需要在950~1200℃加熱保溫時(shí)間達(dá)到0.5 h以上。因此鋼板中存在的脫碳和氧化物質(zhì)點(diǎn)是軋制前連鑄坯在加熱爐內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱和保溫形成的結(jié)果。如果裂紋是在軋制過(guò)程中產(chǎn)生的，則裂紋只能發(fā)生輕微的氧化，并不會(huì)產(chǎn)生脫碳及氧化物質(zhì)點(diǎn)。由此可以判斷，鑄坯在進(jìn)加熱爐之前就已經(jīng)存在表面裂紋缺陷，因鑄坯原始表面被氧化鐵皮覆蓋使得裂紋未被發(fā)現(xiàn)。能譜分析裂紋開(kāi)口處的填充物未見(jiàn)保護(hù)渣的主要元素Na和K，說(shuō)明裂紋不是在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的，或者說(shuō)在結(jié)晶器內(nèi)沒(méi)有暴露在表面。

裂紋沿板寬方向向基體內(nèi)部擴(kuò)展，最終沿板厚方向1/4區(qū)域擴(kuò)展延伸，即裂紋位于板面與中心之間，相當(dāng)于原鑄坯的柱狀晶區(qū)；由能譜分析結(jié)果可見(jiàn)，裂紋末端夾雜物成分除氧化物外還有P、S等元素，說(shuō)明裂紋末端存在P、S元素的偏析。P、S等偏析元素易在枝晶周?chē)纬梢合嗄?，使鋼的高溫脆性增大，這些特征與鑄坯中間裂紋相類(lèi)似，由此可以判斷，連鑄坯可能存在中間裂紋缺陷。鑄坯中間裂紋的形成原因有： 二冷區(qū)冷卻不均勻，導(dǎo)致鑄坯反復(fù)回溫產(chǎn)生相變和熱應(yīng)力；支撐輥對(duì)中不良或輥?zhàn)幼冃?，使鑄坯反復(fù)鼓肚，固-液界面受到張應(yīng)力，固-液界面又處于凝固脆性區(qū)而產(chǎn)生裂紋，并沿柱狀晶界面擴(kuò)展。因此，必須嚴(yán)格控制鋼中有害元素含量，尤其注意S、P、Mn的含量和Mn/S，優(yōu)化二次冷卻的水量分布，控制連鑄機(jī)的對(duì)中精度，采取壓縮澆鑄、電磁攪拌等技術(shù)，盡可能避免帶液芯矯直，防止鑄坯在凝固末期受力變形；抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，有效擴(kuò)大鑄坯的等軸晶區(qū)，從而達(dá)到降低或消除連鑄坯產(chǎn)生中間裂紋缺陷的可能性，減輕1/4及中心偏析，獲得合理的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)。

宏觀、微觀組織特征表明，試樣橫截面上裂紋開(kāi)口區(qū)域存在三層不同組織，左側(cè)：表層為貝氏體，次層為鐵素體+珠光體，右側(cè)：表層為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體+貝氏體，次層為珠光體+貝氏體少量，基體顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體。相對(duì)于基體，表層組織強(qiáng)度、硬度較高，延展性低，在鋼板軋制過(guò)程中，表層組織較硬，變形量低于其他部位，這種形變不協(xié)調(diào)導(dǎo)致表面裂紋開(kāi)口處拉裂變大；在進(jìn)一步的軋制過(guò)程中基體受擠壓對(duì)開(kāi)口處進(jìn)行填充，形成橫截面上拋物線(xiàn)狀的偏析線(xiàn)。綜上所述，此次實(shí)驗(yàn)分析的熱軋帶鋼表面網(wǎng)狀裂紋缺陷實(shí)為鑄坯表面裂紋和中間裂紋共同作用的結(jié)果。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 軋材表面裂紋缺陷向基體內(nèi)部延伸，裂紋內(nèi)存在大顆粒氧化鐵，裂紋周邊存在氧化物質(zhì)點(diǎn)，且裂紋邊緣有一定程度的脫碳和晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，說(shuō)明此類(lèi)裂紋是在高溫下形成并遺傳所致。

(2) 裂紋末端填充物成分含有P、S等偏析元素，說(shuō)明在鑄坯凝固過(guò)程中，樹(shù)枝晶間偏析元素富集，在外力作用下易形成晶間裂紋。

(3) 要防止熱軋板表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋缺陷，必須要保證原料鑄坯的表面及內(nèi)部質(zhì)量，首先，要選擇合適的結(jié)晶器及保護(hù)渣，嚴(yán)格控制鋼中有害元素含量，尤其是S、P、Mn的含量和Mn/S；其次，要嚴(yán)格控制連鑄生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，重視日常維護(hù)，控制連鑄機(jī)的對(duì)中精度，確保坯殼不變形；最后，優(yōu)化連鑄工藝，采用合理的二次冷卻制度，壓縮澆鑄、電磁攪拌等技術(shù)，盡可能避免帶液芯矯直，防止鑄坯在凝固末期受力變形，抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，有效擴(kuò)大鑄坯的等軸晶區(qū)，從而達(dá)到降低或消除連鑄坯產(chǎn)生表面裂紋及中間裂紋缺陷的可能性，減輕1/4及中心偏析，獲得合理的鑄坯凝固結(jié)構(gòu)。