SS400熱軋帶鋼表面網狀裂紋缺陷

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

內容導讀

利用光學金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)，對SS400帶鋼在熱軋生產中出現的一例表面網狀裂紋缺陷進行分析，結果表明，此例熱軋帶鋼表面網狀裂紋缺陷的產生系鑄坯表面裂紋和中間裂紋缺陷綜合所致，要避免或減少此類缺陷的產生，必須嚴格控制鋼中有害元素含量，選擇合適的結晶器及保護渣，優化連鑄生產工藝，嚴格控制連鑄生產過程的穩定性，獲得合理的鑄坯凝固結構，從而提高軋材的合格率。

熱軋帶鋼表面質量缺陷有表面裂紋、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]。表面缺陷因種類多、產生原因復雜、對用戶及后續加工產生的影響不明確等，是所有缺陷中最為復雜的，也是生產中亟待解決的棘手問題之一。表面缺陷的產生可能涉及煉鋼、連鑄、加熱、熱連軋等工序，因此，針對每一類缺陷分析其產生原因和影響因素，了解其演變規律，才能更好的控制和降低同類缺陷的產生，對于提高軋材產成率、降低生產成本、提高產品市場競爭力等都有著可觀的實際意義[3-5]。本文通過光學金相顯微觀察、掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜(EDS)等分析手段，對生產中遇到的一例SS400熱軋帶鋼表面裂紋缺陷產生原因進行分析及討論。

實驗材料與方法

SS400熱軋帶鋼的生產工藝流程為：DS→LD→精煉→寬板坯連鑄→加熱→2300軋制→層冷→卷取→檢驗→包裝出廠。本實驗所用樣品截取自現場生產中出現表面裂紋缺陷的熱軋帶鋼，產品厚度為10 mm，化學成分如表1所示。

對生產中遇到的一例SS400熱軋帶鋼表面裂紋缺陷進行宏觀和微觀檢驗分析，缺陷部位局部區域宏觀形貌如圖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面，經研磨、拋光后，在金相顯微鏡下觀察樣品橫截面上的裂紋形態及分布情況，并對檢驗面上的非金屬夾雜物進行評級；其次，借助掃描電鏡及能譜儀對試樣截面上裂紋內的填充物及裂紋延伸區域夾雜物進行成分定性分析；最后，使用體積分數為4%的硝酸酒精溶液對拋光后的試樣進行腐蝕，在光學顯微鏡下觀察分析樣品的顯微組織。

表1 SS400化學成分(質量分數，%)

實驗結果與討論

宏觀檢驗

此例缺陷裂紋集中分布在帶鋼寬度方向邊部到1/4區域范圍內，多沿軋制方向分布，寬度0.5~3 mm，且長短、深淺不一，個別部位裂紋開口較大，此次缺陷較為嚴重，裂紋缺陷表面及截面局部區域形貌如圖1所示。

微觀檢驗

沿板厚方向隨機截取裂紋區域橫截面作為金相檢驗面，磨平、拋光后在光學顯微鏡下觀察，試樣橫截面上裂紋根部粗，尾端細，由表面向鋼基內延伸，裂紋較平直，最深處距離表面垂直深度約為4 mm。裂紋內填充有大顆粒的氧化鐵，裂紋周圍伴有大量密集分布的氧化物質點，裂紋擴展末端延伸部位存在硫化物及氧化物夾雜，如圖2所示。利用能譜儀對裂紋附近氧化物質點及裂紋末端硫化物夾雜進行分析，結果表明，裂紋附近的氧化物質點成分主要含有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，具體分析位置及結果如圖3、表2、表3所示(其中表2對應圖3(a)，表3對應圖3(b))。就檢驗面而言，除上述區域存在非金屬夾雜物外，試樣橫截面正常區域的非金屬夾雜物評定結果為A1.0，B1.0，C0，D0.5。

表2 裂紋內填充物及裂紋附近氧化物質點的主要成分(質量分數，%)

表3 裂紋末端夾雜物的主要成分(質量分數，%)

試樣經體積分數為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，中心偏析在開口部位段呈上拋物線形態。裂紋開口區域按截面形貌及組織形態從板寬方向分為左側、右側，板厚方向表面到基體分為三層(表層、次層、基體)。左側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；右側表層為網狀鐵素體+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。右側翹皮的延伸部位、網狀硫化物夾雜較嚴重，如圖4(d)所示。此外，在試樣板厚方向上，心部及1/4區域存在偏析，如圖4(e)~(f)所示。

分析與討論

裂紋內填充大量的氧化鐵，且裂紋兩側存在氧化物質點，裂紋開口處相對于基體有明顯的脫碳和晶粒長大現象，可見高溫長時間氧化特征明顯。能譜分析裂紋兩側氧化物質點成分主要包含O、Ti、Mn、Fe等元素，屬于裂紋附近鋼基經過高溫加熱后內氧化的產物；脫碳和氧化物質點的形成需滿足兩個條件： 脫碳一般在700~800℃以上較高的溫度下產生；?要有足夠長的時間。碳原子由鋼基體向外擴散，與空氣中的氧結合生成CO或CO2氣體排放，從而導致裂紋附近鋼基脫碳。氧化物質點的形成則需要更高的溫度和更長的時間，需要在950~1200℃加熱保溫時間達到0.5 h以上。因此鋼板中存在的脫碳和氧化物質點是軋制前連鑄坯在加熱爐內長時間高溫加熱和保溫形成的結果。如果裂紋是在軋制過程中產生的，則裂紋只能發生輕微的氧化，并不會產生脫碳及氧化物質點。由此可以判斷，鑄坯在進加熱爐之前就已經存在表面裂紋缺陷，因鑄坯原始表面被氧化鐵皮覆蓋使得裂紋未被發現。能譜分析裂紋開口處的填充物未見保護渣的主要元素Na和K，說明裂紋不是在結晶器內產生的，或者說在結晶器內沒有暴露在表面。

裂紋沿板寬方向向基體內部擴展，最終沿板厚方向1/4區域擴展延伸，即裂紋位于板面與中心之間，相當于原鑄坯的柱狀晶區；由能譜分析結果可見，裂紋末端夾雜物成分除氧化物外還有P、S等元素，說明裂紋末端存在P、S元素的偏析。P、S等偏析元素易在枝晶周圍形成液相膜，使鋼的高溫脆性增大，這些特征與鑄坯中間裂紋相類似，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： 二冷區冷卻不均勻，導致鑄坯反復回溫產生相變和熱應力；支撐輥對中不良或輥子變形，使鑄坯反復鼓肚，固-液界面受到張應力，固-液界面又處于凝固脆性區而產生裂紋，并沿柱狀晶界面擴展。因此，必須嚴格控制鋼中有害元素含量，尤其注意S、P、Mn的含量和Mn/S，優化二次冷卻的水量分布，控制連鑄機的對中精度，采取壓縮澆鑄、電磁攪拌等技術，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，有效擴大鑄坯的等軸晶區，從而達到降低或消除連鑄坯產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構。

宏觀、微觀組織特征表明，試樣橫截面上裂紋開口區域存在三層不同組織，左側：表層為貝氏體，次層為鐵素體+珠光體，右側：表層為網狀鐵素體+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。相對于基體，表層組織強度、硬度較高，延展性低，在鋼板軋制過程中，表層組織較硬，變形量低于其他部位，這種形變不協調導致表面裂紋開口處拉裂變大；在進一步的軋制過程中基體受擠壓對開口處進行填充，形成橫截面上拋物線狀的偏析線。綜上所述，此次實驗分析的熱軋帶鋼表面網狀裂紋缺陷實為鑄坯表面裂紋和中間裂紋共同作用的結果。

結束語

(1) 軋材表面裂紋缺陷向基體內部延伸，裂紋內存在大顆粒氧化鐵，裂紋周邊存在氧化物質點，且裂紋邊緣有一定程度的脫碳和晶粒長大現象，說明此類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，說明在鑄坯凝固過程中，樹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生網狀裂紋缺陷，必須要保證原料鑄坯的表面及內部質量，首先，要選擇合適的結晶器及保護渣，嚴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，要嚴格控制連鑄生產過程的穩定性，重視日常維護，控制連鑄機的對中精度，確保坯殼不變形；最后，優化連鑄工藝，采用合理的二次冷卻制度，壓縮澆鑄、電磁攪拌等技術，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，有效擴大鑄坯的等軸晶區，從而達到降低或消除連鑄坯產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構。