鐵素體不銹鋼冷軋橫裂原因分析及工藝改進

王永勝，王宏霞，何 敏

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100）

1 前言

鐵素體不銹鋼由于其成本低、抗氯化物應力腐蝕能力強等優(yōu)勢，在部分行業(yè)有逐漸取代奧氏體不銹鋼的趨勢。而430不銹鋼是鐵素體不銹鋼中生產(chǎn)和使用量最大的一種，其應用主要集中在家電和汽車等行業(yè)［1-2］。430鐵素體不銹鋼大多數(shù)都是冷軋后再使用，在冷軋過程中，材料的變形抗力、塑性、韌性等性能都會發(fā)生顯著變化，而這些性能又往往是冷軋工藝的合理制定和最終高精度冷軋產(chǎn)品獲得的重要參數(shù)。塑性和韌性是設定道次變形量、前后張力等參數(shù)的重要依據(jù)［3］。

近些年，為降低生產(chǎn)成本，部分廠家對不銹鋼熱軋鋼帶不經(jīng)退火直接冷軋，在冷軋過程中時常出現(xiàn)邊裂，甚至斷帶問題。本文針對冷軋過程中出現(xiàn)的橫裂問題進行系統(tǒng)分析，并通過制定合理的工藝改進措施，避免了冷軋過程中橫裂缺陷的發(fā)生。

2 試驗方法

原料規(guī)格為3.5 mm×1 520 mm的430熱軋鋼帶，利用18輥冷軋機進行生產(chǎn)，目標軋制厚度為0.26 mm。當軋制到0.36 mm時因橫裂缺陷發(fā)生斷帶，為明確冷軋板橫裂缺陷產(chǎn)生原因，在缺陷部位取樣，進行金相和掃描電鏡能譜分析。金相試樣經(jīng)磨制、拋光后，用三氯化鐵溶液侵蝕，利用GX51金相顯微鏡進行組織觀察，并采集圖像。采用Sigma500進行掃描電鏡檢測，對組織異常部位進行能譜微區(qū)成分分析。

3 試驗結果

3.1 宏觀分析

試樣橫裂缺陷長度較長，大部分缺陷為一條條密集的小橫裂紋沿軋制方向呈條帶分布，與正常部位表面狀態(tài)明顯不同。嚴重的橫裂部位已穿透呈孔洞，裂紋部位較脆，用手即可掰斷。冷軋板橫裂缺陷形貌如圖1所示。

圖1 冷軋板橫裂缺陷形貌

3.2 金相分析

磨制縱向試樣在金相顯微鏡下觀察，試樣上主要存在氧化鋁類夾雜物，評級為B1.5級，典型夾雜物如圖2所示。

圖2 典型夾雜物

觀察橫裂缺陷部位試樣，發(fā)現(xiàn)有的裂紋從表面往基體里擴展（見圖3），在裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物等異?，F(xiàn)象。試樣腐蝕后，發(fā)現(xiàn)基體上存在條狀偏析帶，且裂紋內存在分層現(xiàn)象，分層位置有亮白色的顆粒狀析出物，如圖4所示。

3.3 掃描電鏡能譜分析

掃描電鏡下觀察橫裂缺陷試樣，發(fā)現(xiàn)在條狀偏析帶內存在密集的顆粒狀物質，如圖5所示。對圖5顆粒狀析出物進行微區(qū)成分分析見圖6，發(fā)現(xiàn)Cr元素含量較高的析出物內C、P元素也較高，具體結果見表1，說明該部位顆粒狀物質為Cr的碳化物。

圖3 橫裂部位

圖4 裂紋內析出物

圖5 偏析帶內的析出物

圖6 析出物能譜分析

表1 能譜分析結果%

3.4 斷口試樣檢測

在橫裂較嚴重的部位截取斷口試樣進行掃描電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)在開裂的部位存在塊狀物（見圖7）。由表2的能譜分析結果可知，該區(qū)域Cr含量較高。未出現(xiàn)明顯橫裂缺陷的部位也存在條帶狀分層現(xiàn)象，經(jīng)分析同樣存在Cr含量高的現(xiàn)象。

圖7 橫裂部位斷口形貌

表2 斷口能譜分析結果%

通過對冷軋板橫裂缺陷試樣分析，在裂紋部位存在Cr含量較高的析出相，這種析出物與前期分析的430中間裂紋處析出物相似，均含有較高的Cr含量，從金相看亮白色的析出物是由板坯內部裂紋處偏析所致。

3.5 板坯低倍檢測

在430板坯上取低倍試樣，經(jīng)檢測低倍試樣上存在中間裂紋，如圖8所示。通過對不同生產(chǎn)批次的板坯低倍檢測，發(fā)現(xiàn)均存在中間裂紋，裂紋在1.0～2.0級，中間裂紋多位于板坯厚度的1/4左右，靠近白亮帶位置。

圖8 板坯低倍檢測結果

板坯中間裂紋部位存在網(wǎng)狀分布的碳化物，碳化物周圍存在貧鉻區(qū)，如圖9所示。繼續(xù)對試樣進行腐蝕，發(fā)現(xiàn)腐蝕5 min左右，碳化物周圍的基體完全被侵蝕，碳化物呈骨架狀，說明碳化物的抗腐蝕能力要優(yōu)于其相鄰基體的抗腐蝕能力。當碳化物最終失去基體支撐時脫落，隨著腐蝕時間的進一步增長，孔洞進一步增大［4］。

金相檢驗結果表明，鑄坯的裂紋是沿鐵素體和奧氏體相界開裂，說明受到的外力（熱應力、鼓肚力、拉輥壓力、矯直力）超過了鑄坯的斷裂強度，形成鑄坯中間裂紋，鐵素體晶界上存在大量的碳化物析出相（見圖9），這種沿晶界的析出物將加速裂紋的擴展，致使鑄坯更容易發(fā)生脆性斷裂。

圖9 碳化物析出相

對出現(xiàn)板坯中間裂紋的部位取斷口試樣，對圖10中各區(qū)域進行能譜分析，由表3的能譜分析結果可知，個別區(qū)域Cr、P含量遠遠高于基體，且Cr含量高的區(qū)域存在N、V元素，說明斷口上存在Cr的C、N化合物析出和P元素偏析現(xiàn)象。

圖10 中間裂紋部位的斷口

4 工藝改進措施及實施效果

4.1 工藝改進措施

由分析結果可知:冷軋板橫裂部位碳化物偏析嚴重，且偏析條帶和板坯中間裂紋區(qū)域均有較高的P元素，說明存在P偏析；推測冷軋板軋制過程中出現(xiàn)的橫裂缺陷與板坯中間裂紋缺陷有關。

表3 板坯中間裂紋區(qū)域能譜分析結果%

帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機的運行過程中，各種力作用與高溫坯殼上產(chǎn)生的變形超過了鋼的允許強度和應變是產(chǎn)生裂紋的外因，鋼對裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內因，而連鑄機設備和工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件，板坯內各種缺陷如圖11所示。一般認為板坯產(chǎn)生中間裂紋的原因主要有以下幾方面:

1）鋼的化學成分決定了其高溫力學性能，對中間裂紋的產(chǎn)生起著決定性的作用，鋼中S、P等雜質元素的晶間偏析是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的內因，而輥縫收縮、二冷配水曲線、鑄速、鋼水過熱度是裂紋產(chǎn)生和擴展的外因。

2）板坯內部中間裂紋的主要原因是鑄坯帶液芯矯直時，在凝固前沿受矯直力作用產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶晶界擴展；低拉速和強配水的工藝可以改善鑄坯內部質量，其原因在于低拉速、強配水可以減少鑄坯液芯長度，同時強配水可以減輕偏析從而降低鑄坯裂紋敏感性。

3）二次冷卻是影響鑄坯中間裂紋發(fā)生的最主要因素，合理的二冷水量、分布及合適的冷卻強度將大大降低裂紋發(fā)生的頻率和級數(shù)。采用低溫和強均勻冷卻可以有效控制中間裂紋。

圖11 板坯內部缺陷示意圖

板坯的中間裂紋多出現(xiàn)在鑄坯內弧，少量出現(xiàn)在外弧，大部分中間裂紋存在于內弧表面至鑄坯中心的1/2厚度區(qū)域［5］。根據(jù)低倍所示的裂紋位置，裂紋尖端至鑄坯表面的距離e，參照:

式中:K為凝固系數(shù)；V為拉速，m/mim；H為結晶器液面到鑄坯產(chǎn)生裂紋所在連鑄機位置的距離，m。

板坯低倍檢測可知柱狀晶長度50～55 mm，裂紋大約起始位置55 mm，終了位置75 mm，通過上述凝固平方根定律計算坯殼厚度h=Kt1/2，K=25.5時，至液面距離為4.65 m、8.65 m，對應鑄機20#和34#輥的位置。板坯中間裂紋靠近電磁攪拌的白亮線位置，電磁攪拌可以有效減輕合金枝晶微觀偏析。但也有研究表明，如參數(shù)選擇不當，熔體的強迫流動可能反而會加重成分偏析。

鑒于板坯中間裂紋的位置，制定以下工藝改進措施:

1）提高鑄機的對弧精度，避免凝固初期固液界面上應力過大，防止沿晶裂紋的產(chǎn)生，足輥出口對弧精度0.5 mm，零段出口對弧精度0.33 mm，一段出口對弧精度0.27 mm，減小4～11段驅動輥壓力。

2）適當加快連鑄速度，通過提高噴嘴質量、噴射角度及在一定范圍內增大冷卻水量、提高水的流速、降低水溫等方法實現(xiàn)強制冷卻，加強鑄坯表面冷卻的均勻性，減小板坯中心溫度與角部溫度的差異；板坯在500℃附近快速冷卻，避免脆性相的產(chǎn)生，電磁攪拌電流由360 A調整為300 A，輕壓下由1.9～2.2 mm調整為1.4～1.6 mm。

3）鋼中硬而脆的第二相顆粒的存在會影響裂紋的性質，鐵素體晶界上存在大量的碳化物析出相，這種沿晶界的析出物將加速裂紋的擴展，致使鑄坯更容易發(fā)生脆性斷裂。嚴格控制鋼種成分，尤其是C、N含量的控制，在不過分增加生產(chǎn)成本的前提下，要求C+N含量＜300×10-6。

4.2 實施效果

采取以上措施后，板坯中間裂紋、中心疏松均控制在0.5級以內，等軸晶率達到50%以上，板坯內部質量顯著改善，有效消除了430不銹鋼冷軋橫裂缺陷的產(chǎn)生。

5 結語

通過分析確定，430不銹鋼內部存在的碳化物偏析是導致冷軋板橫裂缺陷的主要原因，而碳化物的偏析與板坯中間裂紋缺陷有關。通過優(yōu)化電磁攪拌、動態(tài)輕壓下和驅動輥壓力等工藝，有效減輕了板坯中間裂紋缺陷，解決了430不銹鋼冷軋過程中出現(xiàn)的橫裂問題。