200系節(jié)鎳奧氏體不銹鋼邊部縱裂成因分析

楊 光，許榮君，田偉光，徐佳林，郭曉蒙，張 鵬

（1.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529533；2.廣東省高端不銹鋼研究院有限公司，廣東 陽江 529533；3.廣東省高品質不銹鋼技術研發(fā)企業(yè)重點實驗室，廣東 陽江 529533）

200 系奧氏體不銹鋼為節(jié)鎳Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼，它是在傳統18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼基礎上，使用一定量的Mn與N元素部分替代貴金屬Ni而發(fā)展起來的奧氏體不銹鋼[1]。200系不銹鋼仍然具有室溫全為奧氏體的組織結構，其合金成本相對較低，綜合性能優(yōu)良，能夠滿足大部分家用電器，裝潢材料，化學，化工等領域的應用需求，且隨著國民經濟的持續(xù)、快速發(fā)展，各領域對不銹鋼的使用需求越來越大，200系奧氏體不銹鋼的市場將會不斷擴大。

但是，200系奧氏體不銹鋼合金含量相對較低，又由于鋼中錳、氮含量高，固溶強化效果強，加工硬化率急劇上升，其高溫塑性也相對于傳統18Cr-8Ni不銹鋼有較大程度的下降，在熱加工過程中容易出現邊裂與表面起皮等缺陷[2]。邊裂與表面起皮等缺陷的存在不僅影響產品的質量，同時也降低了產品效益[3]。

本文于存在邊部裂紋缺陷的200系奧氏體不銹鋼熱軋板坯上取樣，利用掃描電鏡觀察裂紋形貌，利用能譜儀對缺陷部位進行成分分析，結合生產過程中煉鋼與熱軋生產的工藝參數分析其形成原因，并探討200系奧氏體不銹鋼熱軋邊部裂紋的形成機理，為優(yōu)化200系不銹鋼工業(yè)化生產工藝提供參考。

1 實驗方法

本文研究對象為1780mm熱軋機組生產時取得的200系不銹鋼板坯，在粗軋機組和精軋機組不同位置取得熱軋不同變形量的試樣。1#樣厚度30mm（粗軋后精軋前厚度），壓下率85%，2#樣厚度12.8mm，壓下率93.6%，3#樣厚度4.7mm，壓下率97.6%。該不銹鋼試樣的化學成分經過直讀光譜儀，電感耦合等離子體光譜儀（ICP）、碳硫分析儀、氧氮氫分析儀（LECOTCH600）進行檢測，三次測量取平均值，其平均化學成分如表1所示。試樣經過200目、600目和100目的SiC砂紙逐級打磨后利用金剛石拋光膏進行拋光，利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌，利用能譜儀對裂紋缺陷部位進行成分分析。

表1 實驗用不銹鋼的化學成分（質量分數）

2 試驗結果

2.1 裂紋宏觀形貌

不同熱軋變形量的熱軋板坯寬面邊部均存在裂紋缺陷，缺陷樣品宏觀形貌如圖1所示，裂紋沿帶鋼軋制方向分布，裂紋缺陷主要分布在鋼帶邊部約15mm的位置，裂紋缺陷形貌為近直線狀，無宏觀分支，局部有起皮現象。隨著熱軋變形量的增加，裂紋缺陷的程度有所減輕，這可能是由于熱軋過程中存在部分裂紋的愈合。

圖1 不同熱軋變形量試樣的裂紋宏觀形貌（a）85%，（b）93.6%，（c）97.6%

2.2 裂紋表面微觀分析

變形量為85%的試樣裂紋微觀分析如圖2所示，宏觀縱裂大裂紋寬度約1mm，大裂紋內部凹凸不平，裂紋邊部呈剝落臺階狀。在宏觀裂紋放大處發(fā)現微裂紋，微裂紋寬度小于10μm。對裂紋附近能譜分析發(fā)現成分均為Fe、Cr氧化物，為典型氧化皮成分，無鋼渣如Ca、Mg、Al和保護渣F、K、Na等成分的夾雜物。

圖2 變形量為85%試樣的裂紋表面微觀形貌

對熱軋變形量更大樣品進行掃描電鏡分析，其微觀形貌如圖3所示。觀察發(fā)現邊部裂紋經過精軋繼續(xù)軋制后，宏觀裂紋寬度變小，寬度約為0.2mm～0.5mm，且沒有發(fā)現更細小的微裂紋。對其不同部位進行能譜分析結果顯示各部位成分無明顯差異，為氧化鐵皮成分?？赏茰y裂紋表面附近均為加熱和熱軋制過程中發(fā)生氧化形成的表面氧化物，硬脆的氧化層在劇烈熱變形時部分發(fā)生剝落。并且隨著熱軋制的進行，部分裂紋存在一定的愈合現象，變形量更大的試樣裂紋嚴重程度較變形量較小的試樣程度低。

圖3 變形量為93.6%和97.6%試樣的裂紋微表面觀形貌

2.3 裂紋橫截面微觀分析

對變形量為85%的試樣裂紋的截面進行掃描電鏡與金相組織觀察，其結果如圖4所示。分析發(fā)現大裂紋內部出現多條單獨向內部延伸的微裂紋，如圖4（a）和（b），裂紋無分支，裂紋尖端一直往內部延伸，與典型的熱軋鋼卷線鱗缺陷截面形貌不一致，典型線鱗缺陷截面靠近表面處有層狀氧化物[4，5]。對裂紋內部能譜成分分析沒發(fā)現鋼渣等夾雜物，無其他元素偏析，均為Fe、Cr、Mn氧化物，這是由于氧元素在熱軋過程中隨著裂紋的擴展，進一步入侵基體，造成裂紋內部氧化。對裂紋截面金相觀察發(fā)現，裂紋源部位晶粒大小均勻，無沒有明顯長大現象，裂紋尖端以穿晶斷裂的方式向內部延伸，如圖4（c）和（d）所示。

圖4 變形量為85%試樣的裂紋截面掃描電鏡圖片和金相圖片

3 討論分析及改善措施

為尋求該200系奧氏體不銹鋼邊部縱裂紋的成因，結合以上試驗數據以及生產大數據進行分析。以上試驗分析結果顯示，裂紋形貌為剝落凹坑狀，裂紋表面凹坑以及裂紋尖端內部均為基體Fe、Cr、Mn氧化物，其他元素無明顯偏析，可以排除由于煉鋼夾雜物在熱軋過程產生應力集中而產生的裂紋[6]。并且經過裂紋截面金相觀察，裂紋起始于鋼板的表面，且裂紋源周圍的晶粒組織無明顯長大，排除鋼坯過燒造成導致表面熱塑性降低而產生裂紋的原因[7]。結合生產大數據煉鋼與熱軋的制程工藝分析，該鋼卷的熱軋生產工藝參數與同時期其他鋼卷一致，無明顯差異，但出現邊部縱裂紋鋼卷絕大多數集中在連鑄開澆的第一爐，如圖5（a）所示。經對比連鑄生產時的工藝參數發(fā)現，開澆守爐的拉速較低，連鑄拉速在上升階段，拉速波動較大，但其結晶器水量并未隨拉速的變化及時減小，導致鋼水在結晶器內冷卻強度過大。同時，如圖5（b）所示數據分析發(fā)現，鋼水過熱度越大，其邊部縱裂發(fā)生比例越高，這是由于200系節(jié)鎳奧氏體不銹鋼相比于傳統18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼以及碳鋼具有更大的熱膨脹系數，其在冷卻過程中體積變化率較大[8]。當鋼坯在結晶器中寬面的冷卻速率比窄面冷卻速率低時，鋼坯窄面受到壓應力，二鋼坯寬面受到拉應力，從而容易導致板坯縱向熱裂。因此，原始鋼坯邊部裂紋可能是導致熱軋鋼卷邊部縱裂的原因。經過進一步提升鋼水的純凈度，嚴格控制鋼水澆鑄溫度和連鑄拉速，減小連鑄開澆第一爐的連鑄結晶器水量、優(yōu)化二冷區(qū)的水量分配以及對鋼坯抽檢進行邊部探傷，對存在皮下裂紋的鋼坯進行修磨處理等方法，目前，200系奧氏體不銹鋼生產過程中的邊部縱裂比例大幅度下降，熱軋鋼卷品質得到極大的提升。

圖5 邊部縱裂與連鑄序號和中包溫度相關性

4 結論

（1）200系奧氏體不銹鋼板坯邊部縱裂紋表面以及裂紋截面均無鋼渣和連鑄保護渣等成分夾雜物，均為基體Fe、Cr、Mn氧化物，且隨著熱軋變形量的增加，裂紋嚴重程度有所下降。

（2）200系奧氏體不銹鋼板坯邊部縱裂紋的裂紋源周圍晶粒大小均勻，無明顯晶粒異常長大現象，裂紋以穿晶斷裂的方式向內延伸。

（3）原始鋼坯邊部裂紋可能是導致熱軋鋼卷邊部縱裂的直接原因，通過進一步提升鋼水的純凈度，嚴格控制鋼水澆鑄溫度和連鑄拉速，合理分配連鑄結晶器水量、優(yōu)化二冷區(qū)的水量分配等措施，可以有效防止200系奧氏體不銹鋼熱軋邊部縱裂缺陷的發(fā)生。

致謝

感謝基金項目：廣東省科技計劃項目（2018B030323018）；廣東揚帆計劃引進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊項目（2017YT05C047），廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項資金項目（163-2018-XMZC-0001-8802324）的支持。