帶鋼表面起皮裂紋的形貌特征及成因分析

李 丹

中國作為一個鋼鐵大國，每年的鋼鐵產(chǎn)能在世界位居首位，基本占據(jù)了全球鋼鐵總產(chǎn)能的半壁江山。從鋼水冶煉、板坯澆注、帶鋼生產(chǎn)、薄板軋制到與其相關(guān)的附屬產(chǎn)品，其產(chǎn)量和銷量均處于領(lǐng)先位置。盡管如此，中國鋼鐵仍然存在著大而不強(qiáng)、強(qiáng)而不精的問題和隱患。尤其是在某些特殊鋼種領(lǐng)域，產(chǎn)品質(zhì)量問題一直是人們關(guān)注和研究的焦點。

在快速、高產(chǎn)的軋鋼過程中，裂紋是較為常見的帶鋼缺陷之一，也會因其大小、深淺差異對產(chǎn)品表面質(zhì)量、綜合力學(xué)性能及后期產(chǎn)品使用造成不同程度的影響。通常情況下，我們所說的裂紋多指鋼材表面橫裂、縱裂等常見性缺陷，而本文主要研究了我公司生產(chǎn)的低合金高強(qiáng)度鋼和耐候鋼，對熱軋產(chǎn)品生產(chǎn)及加工過程中出現(xiàn)的表面形態(tài)類似的起皮裂紋進(jìn)行了深入而系統(tǒng)的分析，在檢驗的同時查找有關(guān)證據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)、工藝情況，確定缺陷產(chǎn)生的原因及環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出了可行性的預(yù)防和改進(jìn)措施。

1 缺陷分析

1.1 案例一缺陷的特征分析及成因追溯

熱軋廠生產(chǎn)的Q390D、Q355C、Q355D等系列低合金高強(qiáng)度鋼在軋制、開卷檢驗和后續(xù)加工過程均發(fā)現(xiàn)“起皮線”狀裂紋，裂紋長度各不相同，上下板面均有分布：

成品帶鋼Q390D，規(guī)格6*980mm，在開卷檢驗時發(fā)現(xiàn)裂紋沿軋制方向密集分布于帶鋼板面，宏觀上看缺陷呈長短不一的線狀，仔細(xì)觀察在線狀裂紋尾部有小的翹皮存在，翹皮處伴有大小不等的黑色印記。如此大量的線狀缺陷，首先讓筆者想到可能是由于軋輥粗糙度大等原因?qū)е碌陌迕娲竺娣e劃傷，可考慮到其分布無規(guī)律性，且存在起皮和黑印，故決定做進(jìn)一步的探索和研究。首先，我們在多條缺陷的線狀裂紋處和尾部翹皮部位分別取橫向試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)線狀缺陷部位試樣皮下裂紋深度最深0.15mm，內(nèi)部有明顯的氧化鐵團(tuán)和分叉裂紋，總體方向傾斜至表面，尚未形成明顯的表皮翹起；尾部黑印部位試樣裂紋基本平行于表面，深度約0.05mm，內(nèi)部氧化程度及氧化鐵含量高于裂口處，氧化鐵團(tuán)形態(tài)也相對扁平，已形成了存在較大裂口的表皮，從中間或一側(cè)破開。然后，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕試樣，觀察組織，缺陷處組織均存在輕微脫碳和晶粒長大現(xiàn)象，而且，后者脫碳和晶粒長大部位相對前者更靠近表面。至此，我們意識到該缺陷可能早期在內(nèi)部已經(jīng)優(yōu)先產(chǎn)生，后隨著軋制進(jìn)行被逐步壓平、壓近至表面，從而形成起皮現(xiàn)象。而尾部的翹皮、黑印也是在這種情況下由高溫水汽聚集、推進(jìn)、破裂而成。

成品帶鋼Q355C，規(guī)格15.2mm*1125mm，加工制做彎管的過程中在角部外弧及附近同樣發(fā)生了“起皮裂”現(xiàn)象，多處取樣觀察，發(fā)現(xiàn)其顯微狀態(tài)下的部分缺陷形貌與Q390D近乎相同，裂紋最深的約為0.3mm，彎角缺陷處帶鋼表皮在彎應(yīng)力的作用下從中間或一側(cè)呈破開狀，且略微翹起。此外，在試樣內(nèi)部我們還觀察到了星狀內(nèi)氧化裂紋，兼有少量二次氧化顆粒，用4%的硝酸酒精溶液侵蝕后組織同樣伴隨脫碳和晶粒長大現(xiàn)象，只脫碳和晶粒長大程度略有不同。這里“內(nèi)氧化裂紋”和“氧化圓點”的存在是一個重要信號，祝桂合等前輩早在“鋼板表面裂紋及氧化圓點形成條件模擬試驗”的研究中就已說明，只有在具備以下三個條件下才能形成二次氧化圓點：一是材料必須滿足高溫狀態(tài)，有文獻(xiàn)認(rèn)為至少要在900℃以上的半固熔狀態(tài)；二是要有氧的氛圍，首先使基體脫碳；三是要經(jīng)歷較長的時間，時間不能太短，否則只能在鋼表面生成氧化鐵皮，而無法在皮下再生成二次氧化顆粒。這些信號和現(xiàn)象的存在說明缺陷早期已經(jīng)產(chǎn)生并處于相對閉合狀態(tài)，而又因為氧化鐵皮覆蓋、缺陷深度、產(chǎn)品厚度等因素差異，導(dǎo)致部分產(chǎn)品缺陷出廠前不易被發(fā)現(xiàn)，最終在彎管過程呈現(xiàn)“微爆皮”現(xiàn)象。由此可基本排除軋制原因。

同時，我們在顯微觀察中還發(fā)現(xiàn)試樣表面的裂紋數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出宏觀所見，為了證明其在皮下有所隱藏，用比例為1：1的鹽酸水溶液對帶鋼試樣表面進(jìn)行浸泡、酸洗，隱藏裂紋逐漸顯現(xiàn)，幾乎布滿整個帶鋼板面，并最終呈現(xiàn)出拉長的網(wǎng)格狀，故懷疑此缺陷為鑄坯網(wǎng)裂缺陷。為探求究竟，我們隨即對Q390D熱裝退爐坯進(jìn)行追蹤檢驗，在其表面進(jìn)行火焰吹掃，吹掃深度約1mm左右，結(jié)果吹掃后的Q390D退爐鑄坯皮下果然有“網(wǎng)裂”存在。未經(jīng)變形的網(wǎng)狀裂紋分布于鑄坯皮下，與所述的酸洗后帶鋼表面的拉長網(wǎng)格相呼應(yīng)，事實證明缺陷在軋制前就已經(jīng)產(chǎn)生，只是在受到軋制應(yīng)力后變形、拉長，而我們之前宏觀所看到的只是部分表象而已，這種隱匿型缺陷只有在去除掉氧化皮的情況下才能更多的被呈現(xiàn)。

通過上述檢驗分析，已經(jīng)可以斷定缺陷源于鑄坯，但要從根本上解決此類問題，還需要知道具體的產(chǎn)生原因和主要影響環(huán)節(jié)，下一步為了確定裂紋產(chǎn)生的時間，我們又結(jié)合煉鋼廠技術(shù)科對同期生產(chǎn)的Q390D鑄坯做了多次下線吹掃試驗，但吹掃后并未發(fā)現(xiàn)明顯的皮下網(wǎng)狀裂紋，只是偶見少量針孔和微裂，說明該網(wǎng)狀裂紋主要成型于鑄坯熱送及加熱過程。

根據(jù)一份關(guān)于Q355D-1表面裂紋質(zhì)量問題的通報顯示：2021年4月，煉鋼廠1#鑄機(jī)生產(chǎn)的Q355D-1鋼種共17爐128支鑄坯，在軋制5.85*1350mm規(guī)格帶鋼時，就檢出67卷類似的表面裂紋二級品。調(diào)查煉鋼生產(chǎn)情況時發(fā)現(xiàn)，其中11爐氮成分內(nèi)控超出50ppm，最高達(dá)75ppm。而針對客戶反饋的Q355C管裂試樣進(jìn)行的氮、氧分析結(jié)果也顯示：氮含量為0.0069%，超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，同系列缺陷產(chǎn)品都或多或少存在不同程度的氮超標(biāo)現(xiàn)象。缺陷鋼種呈現(xiàn)Q390D、Q355C、D系列嚴(yán)重，Q355B系列輕微，其余鋼種無相同缺陷特征，說明問題集中在鋼種上。又Q390D和Q355C/D、Q355B系列為低合金含鋁鋼，故推斷缺陷是由于含鋁鋼本身氮含量偏高，伴隨入爐溫度不合理，導(dǎo)致AlN的析出在晶界引起的熱脆裂紋。

1.2 案例二缺陷的特征分析及成因追溯

2021年1月份我公司在軋制3.12*1140mm含銅耐候鋼SPA-H1時，表面檢測儀顯示板面出現(xiàn)類似案例一的起皮線狀缺陷，線條相對短小，個別尾端仍伴有起皮黑印，不同的是該缺陷主要集中在帶鋼上表面，下表面很少?；谥暗姆治鼋?jīng)驗，我們先用1：1的鹽酸水溶液對試樣進(jìn)行了酸洗檢驗，酸洗后的板面缺陷果然暴露的更加完全，宏觀上呈現(xiàn)出交錯互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)狀，與案例一相似，接著我們又查看了缺陷卷的成分，結(jié)果為：0.075%C、0.353%Si、0.449%Mn、0.088%P、0.008%S、0.274%Cu、0.045%AlS、0.386%Cr、0.036%Ti、0.015%Ni，各成分均在內(nèi)控范圍內(nèi)，氮、氧含量也正常。為了查找原因，截取較嚴(yán)重的缺陷部位進(jìn)行金相顯微觀察，發(fā)現(xiàn)試樣表面分布多處裂紋，裂紋深度較淺，約位于皮下0.02mm～0.05mm范圍，方向不定，裂紋存在分叉現(xiàn)象，放大500或1000倍后在裂紋尾部和附近觀察到少量二次氧化顆粒及分散質(zhì)點，侵蝕后局部組織伴有較明顯脫碳和晶粒長大現(xiàn)象。

對皮下裂紋處進(jìn)行電鏡（SEM）掃描和能譜分析，結(jié)果顯示主要元素和質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為：Fe69.2%、O15.7%、Cu4.3%、Si5.6%、Mn2.2%、C1.7%、Cr0.7%。不僅發(fā)現(xiàn)了Si、Mn、Cr的二次氧化顆粒，還有少量Cu元素的富集相。根據(jù)案例一關(guān)于“氧化圓點”的論述，缺陷表面是在一定溫度下發(fā)生了氧化，形成脫碳，當(dāng)氧原子繼續(xù)透過基體向內(nèi)部擴(kuò)散時，Si、Mn、Cr等親氧原子優(yōu)先被氧化，從而形成分散的二次氧化顆粒及質(zhì)點，這是一個需要充足時間的緩慢過程。由此可見，該缺陷的產(chǎn)生勢必經(jīng)歷了長時和高溫的環(huán)境條件。通過大量的能譜掃點采集，發(fā)現(xiàn)銅的富集現(xiàn)象從裂紋內(nèi)一直延續(xù)至表面，考慮到缺陷的集中性和材質(zhì)本身的特性，故認(rèn)定此網(wǎng)狀缺陷是在較長時間的高溫過程中產(chǎn)生的“銅裂”缺陷。針對此問題，我們對軋鋼廠生產(chǎn)工藝進(jìn)行了回查，結(jié)果顯示問題卷的實際在爐時間高出其它正常卷近60min，從而進(jìn)一步佐證了我們的觀點。

在生產(chǎn)耐候鋼的過程中，此類缺陷后續(xù)也有發(fā)生，程度較輕時集中在帶鋼頭部100m～160m長度內(nèi)，邊部和上表面。表檢儀中呈短細(xì)線狀零星分布，為了徹底弄清形成該缺陷的影響因素，從根本上減少和避免缺陷的產(chǎn)生，我們對燕鋼集團(tuán)2021年8月計劃生產(chǎn)過的一批規(guī)格為4mm*1440mm的SPA-H“銅裂”事故進(jìn)行了調(diào)查研究，統(tǒng)計了10877303010、108773020……10877303090和10877707010、10877707020等11個鋼卷產(chǎn)品信息，其中前一個計劃共計9卷，客戶反饋使用中發(fā)現(xiàn)卷板表面較嚴(yán)重重皮、細(xì)微裂、制管后R角裂縫起皮等問題，剩余兩卷為另一計劃軋制，表面質(zhì)量良好。通過查詢工藝信息得知：由于當(dāng)時高爐休風(fēng)、煤氣受限、停軋待溫，板坯在爐時間長達(dá)350min～360min，從而導(dǎo)致此類缺陷批量產(chǎn)生。另一計劃表面質(zhì)量良好的兩卷帶鋼其入爐溫度、在爐時間明顯低于前者，入爐溫度平均530℃，在爐時間平均210min。對比兩個計劃，缺陷卷中即使存在入爐溫度相近的卷也受其在爐時間過長影響發(fā)生了“銅裂”?？梢?，在爐時間對缺陷的產(chǎn)生有主要而直接的影響。相關(guān)文獻(xiàn)表明：“入爐溫度、在爐時間、出爐溫度、減寬量、厚度和銅鎳比均可作為銅裂的影響因素，而且各因素之間客觀存在著相互促進(jìn)和相互抑制的交互作用。其中在爐時間的影響最為明顯，出爐溫度、厚度和減寬量次之，影響最小的為入爐溫度和銅鎳比”。出爐溫度能直接反應(yīng)板坯在加熱爐內(nèi)的加熱情況，在實際生產(chǎn)中，經(jīng)過一段時間的試驗、摸索，我們發(fā)現(xiàn)，板坯的加熱均熱溫度對銅裂缺陷的產(chǎn)生確實也具有十分重要的影響，即使在出爐時間不長的情況下，加熱均熱度過高時，缺陷的發(fā)生率也會明顯升高。

2 缺陷產(chǎn)生的原因機(jī)理及對策

2.1 案例一低合金高強(qiáng)度鋼缺陷的原因機(jī)理及對策

研究表明鋼水熔點（初始凝固溫度）～600℃間有三個脆性溫度區(qū)，第一脆性溫度區(qū)間為熔點～1200℃；第二脆性溫度區(qū)間為1200℃～950℃；950℃～600℃屬第三脆性溫度區(qū)，而碳、氮化物析出是第三脆性溫度區(qū)脆化的主要原因。如果第三脆性溫度區(qū)細(xì)分，又由奧氏體+鐵素體（r+a）兩相區(qū)高溫域和奧氏體r低溫域兩個脆化區(qū)組成，同時脆化機(jī)理也會因鋼種不同存在差異，有的只受單一脆化機(jī)理影響，有的則受到兩種脆化機(jī)理的同時作用影響。有資料顯示，當(dāng)奧氏體中有鐵素體轉(zhuǎn)變出現(xiàn)時，AlN在奧氏體+鐵素體（r+a）兩相間的析出速度遠(yuǎn)大于在均勻奧氏體中的析出速度，其在750℃～900℃溫度范圍內(nèi)就擁有最大的析出速度。案例一缺陷存在于Q390D、Q355C/D等系列低合金高強(qiáng)度含鋁鋼中，含有裂紋敏感元素，由于伴隨提產(chǎn)要求，生產(chǎn)節(jié)奏較快，當(dāng)時大多采用熱裝入爐工藝，導(dǎo)致溫度較長時間處于第三脆性溫度區(qū)間，AlN在奧氏體晶界不斷析出、聚集，從而引起應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力值超過晶粒間的親和力時，就會在晶界產(chǎn)生微孔、小裂紋，后期演變?yōu)闅馀轄?、網(wǎng)狀等不同形態(tài)缺陷，在加熱、軋制、加工過程逐步擴(kuò)展暴露。

此類鋼在裝入加熱爐時應(yīng)盡量避開第三脆性溫度區(qū)，為此我們特意進(jìn)行了實驗研究，組織了冷送、熱裝以及溫送的對比實驗。按照澆鑄順序?qū)Σ煌瑺t號鑄坯分1#、2#、3#三種情況進(jìn)行軋制試驗：1#鑄坯下線冷卻至室溫后再送上線軋制；2#鑄坯下線冷卻至500℃以下再上線軋制；3#鑄坯不下線直接熱送軋制。最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)果1#、2#情況下鑄坯裂紋率明顯低于3#情況，這表明實行冷裝或者緩冷控溫后裝爐對減少缺陷的產(chǎn)生具有十分重要的意義。相對于熱裝，冷裝鑄坯使裂紋得到較好的抑制，而且部分輕微裂紋在更長的加熱過程被燒淺，直至延平；其次，要不斷提高鋼水成分、節(jié)奏控制的穩(wěn)定性。做好保護(hù)澆鑄，減少并嚴(yán)控冶煉各環(huán)節(jié)的增氮情況，使氮含量盡量控制在40ppm以下；并進(jìn)行下線鑄坯吹掃抽查，預(yù)先判知排除鑄坯在矯直冷卻過程中是否已經(jīng)產(chǎn)生了此類缺陷。實際上，鑄坯在澆注后的矯直冷卻過程就開始受到沉淀析出的影響，只是這種第三脆性溫度區(qū)的初期影響很難掌控，要時刻關(guān)注結(jié)晶器和二冷情況，恒定拉速，采用高溫矯直都能有效提高鑄坯質(zhì)量，還要加大檢查力度，進(jìn)一步細(xì)化表面裂紋的檢查和評判標(biāo)準(zhǔn)。這樣多管齊下，事半功倍。

2.2 案例二耐候鋼缺陷的原因機(jī)理及對策

含銅耐候鋼長時間處于高溫含氧氛圍，坯料表面的鐵會先于銅發(fā)生氧化反應(yīng)，致使鐵含量降低，銅含量相對增高，進(jìn)而形成富銅相。當(dāng)溫度高于銅的熔點（1083℃）時，富銅相處于熔融狀態(tài)，靠近上表面的銅慢慢沿奧氏體晶界分散、聚集、并進(jìn)一步下滲，晶界間的結(jié)合力被消弱、破壞，在皮下形成氣孔、微裂，最終在軋制變形后形成近似案例一的氣泡狀翹皮或網(wǎng)裂缺陷，即“銅脆”現(xiàn)象?？拷卤砻嫒廴诘你~則下沉至表面，在除鱗時被去除，這也是該缺陷往往主要集中在上表面而下表面很少的原因。

耐候鋼受鋼種特性影響，表面質(zhì)量不好控制。銅裂的存在嚴(yán)重影響了其外觀和綜合質(zhì)量，為了有效改善這種情況，可以通過以下途徑來預(yù)防和減少缺陷的產(chǎn)生：①有文獻(xiàn)指出，在含銅鋼中適當(dāng)增加鎳含量，合理調(diào)增鎳銅比，使其達(dá)到鎳（Ni）：銅（Cu）=1：3～1：2，這樣有助于晶間銅鎳化合物的產(chǎn)生，銅鎳化合物具有超過1200℃的高熔點，對限制富銅相生成有一定作用，不過這種方法成本較高，而且影響相對較小。著眼我公司實際情況，要求鎳含量控制在原有標(biāo)準(zhǔn)上限，同時嚴(yán)控銅含量。②結(jié)合生產(chǎn)部協(xié)調(diào)調(diào)度，在軋制耐候鋼時確保煤氣供應(yīng)、使用充足，準(zhǔn)確把控在爐時間。當(dāng)在爐時間過長時，盡量改軋薄規(guī)格產(chǎn)品。③結(jié)合現(xiàn)場及外部環(huán)境，制定出不同條件下的加熱方案，避免由加熱溫度過高、出爐溫度不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的銅裂發(fā)生。另外，適當(dāng)采用高溫快燒法，縮短選擇性氧化溫度區(qū)，也可減緩銅富集現(xiàn)象。四、加強(qiáng)質(zhì)量意識，精細(xì)工藝管理，嚴(yán)格按照操作規(guī)程生產(chǎn)，耐候鋼表面質(zhì)量重點關(guān)注，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，避免事故擴(kuò)大化。

3 結(jié)語

（1）兩個案例在某種程度上既存在一定共性，又有較大差異：低合金含鋁鋼和耐候鋼表面的“起皮線”狀裂紋均屬于“隱藏性”熱脆裂紋，前者是由于AlN在晶界析出引起，后者是高溫下Cu元素的滲透導(dǎo)致，兩者宏觀形貌相近，但微觀形態(tài)、分布位置、皮下延展深度及產(chǎn)生節(jié)點卻各不相同。

（2）通過低倍酸洗、顯微觀察、電鏡掃描可以對缺陷進(jìn)行系統(tǒng)的檢驗分析，從而有理有據(jù)的確定產(chǎn)生缺陷的環(huán)節(jié)、具體原因，并結(jié)合生產(chǎn)實際，采取嚴(yán)格控制鋼水成分及生產(chǎn)節(jié)奏，穩(wěn)定生產(chǎn)條件、優(yōu)化工藝操作等方法針對性的解決問題，從而真正實現(xiàn)有效控制，減少缺陷的發(fā)生，提升產(chǎn)品外觀及綜合質(zhì)量。