Q355B 角鋼表面裂紋成因分析

劉宏春，趙海濤，王嬌嬌

（河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023）

Q355B 是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其使用領(lǐng)域主要集中在橋梁、車輛、船舶、建筑與壓力容器等方面。其綜合性能較為優(yōu)異，具有很好的耐低溫、可焊接性及切削性能。但其表面裂紋等質(zhì)量缺陷具有潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)給生產(chǎn)企業(yè)和用戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。某企業(yè)Q355B 角鋼在檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)部分成品出現(xiàn)表面裂紋。為查明裂紋形成的具體原因，對(duì)出現(xiàn)裂紋的角鋼進(jìn)行組織分析，并提出了減少或者消除冷彎斷裂的措施，使角鋼表面裂紋現(xiàn)象得到了有效控制。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 研究對(duì)象

截取軋制過程中的隨機(jī)缺陷材，即中間軋材和成品缺陷材，并對(duì)其宏觀形貌進(jìn)行觀察，如圖1 所示，中間軋材表面于不同位置處出現(xiàn)不同長度、寬度及深度的表面裂紋，成品材中也出現(xiàn)了一定長度的表面裂紋。利用ICP 發(fā)射光譜儀及氧氮分析儀對(duì)該熱軋角鋼進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果如表1 所示。

圖1 中間軋材及成品材裂紋宏觀形貌

表1 Q355B 角鋼化學(xué)成分 %

經(jīng)測(cè)定，其主要化學(xué)成分符合規(guī)定要求。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知[1]，我國北方優(yōu)質(zhì)廠生產(chǎn)角鋼中正常爐次的w（O）在10×10-6～20×10-6之間，w（N）在90×10-6左右。而試樣中的w（O）為22×10-6，w（N）為96×10-6，試樣中的w（O）稍高于正常值。

1.2 研究方法

首先對(duì)選取的試驗(yàn)樣品進(jìn)行超聲波清洗，以防止雜質(zhì)的存在而影響后續(xù)的實(shí)驗(yàn)觀察。通常在研究表面缺陷問題時(shí)，只對(duì)缺陷處進(jìn)行金相及掃描電鏡觀察。本實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步研究表面裂紋缺陷的成因，首先用光學(xué)顯微鏡觀察拋光腐蝕后試樣的金相組織特征，再借助掃描電鏡和能譜儀對(duì)裂紋缺陷處和基體進(jìn)行觀察和檢測(cè)。基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)Q355B 角鋼表面裂紋成因進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面裂紋微觀形貌及金相組織

對(duì)兩樣品進(jìn)行縱切制樣，經(jīng)磨制、拋光后，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察試樣表面裂紋的微觀形貌及金相組織。下頁圖2為中間軋材、成品材表面裂紋的微觀形貌及正常金相組織。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者裂紋附近均為鐵素體和少量的珠光體，且存在明顯的脫碳層，中間軋材脫碳層深度可達(dá)455 μm，而成品材脫碳層深度可達(dá)553 μm。同時(shí)從圖2-2 及圖2-4 中正常的兩金相組織對(duì)比來看，二者組織均為鐵素體、珠光體，隨著軋制道次的增加，晶粒組織也更細(xì)化。

圖2 中間軋材料、成品材裂紋微觀形貌及正常金相組織

2.2 裂紋電鏡分析

掃描電鏡下中間軋材延裂紋方向的電子圖像如圖3 所示，觀測(cè)到裂紋表面存在不同于基體的物質(zhì)，結(jié)合能譜儀結(jié)果顯示，顆粒狀物質(zhì)為鐵氧化物，存在的原因可能為坯料軋制加熱過程中[2]，裂紋表面的鋼基體被氧化。中間軋材垂直裂紋方向電子圖像如圖4 所示，對(duì)裂紋深處進(jìn)行EDS 線掃描發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1為正常基體成分，Si、Mn、O 元素至區(qū)域2 即裂紋位置時(shí)，含量突然升高，Si、Mn 元素至區(qū)域3 含量降低，而O 元素含量依然偏高。Fe 元素含量變化過程恰好與O 元素含量變化過程相反；C 元素含量在區(qū)域3 處稍有降低。根據(jù)該EDS 線掃結(jié)果來看，裂紋位置處出現(xiàn)Si、Mn、O 元素的富集，含量較高，可能存在MnO/SiO2氧化物夾雜[3]，而MnO、SiO2等屬于氧化物且不易變形的脆性夾雜，它們的存在加劇了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

圖3 中間軋材裂紋處顆粒狀物質(zhì)

圖4 中間軋材裂紋EDS 線掃描

掃描電鏡下成品材沿裂紋方向電子圖像如圖5所示，觀測(cè)到裂紋表面存在不同于基體的物質(zhì)，結(jié)合能譜儀結(jié)果顯示，Ca、Mg、O 元素集中分布，Si 元素稍有集中，該顆粒物質(zhì)可能為鈣鎂硅氧化物，其來源可能為結(jié)晶器保護(hù)渣。成品材裂紋方向電子圖像如圖6 所示，對(duì)裂紋深處進(jìn)行EDS 線掃描發(fā)現(xiàn)，區(qū)域1為裂紋區(qū)域成分，O 元素含量較高；區(qū)域2 即裂紋位置，Si 含量突然增加，至區(qū)域3 各個(gè)元素含量恢復(fù)正常。Fe 元素含量變化過程恰好與O 元素含量變化過程相反。

圖5 成品材裂紋處顆粒狀物質(zhì)

圖6 成品材裂紋EDS 線掃描

2.3 分析與討論

中間軋材及成品材裂紋處均有脫碳層，而脫碳一般要求具有較高溫度（約在800 ℃以上），并要有足夠時(shí)間使碳原子由內(nèi)向外進(jìn)行擴(kuò)散，才能與空氣中的O 形成CO 或者CO2，從而導(dǎo)致裂紋周圍脫碳[4]。而軋鋼過程不滿足脫碳條件，基本不會(huì)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。因此，裂紋的產(chǎn)生可能源于鑄坯在加熱爐加熱過程中的鑄坯表面裂紋或者氣孔的氧化。

鑄坯表面形貌如下頁圖7 所示，通過觀察發(fā)現(xiàn)，坯料表面存在一定長度的表面裂紋及一定數(shù)量的氣孔，進(jìn)一步說明了成品裂紋起源于鑄坯。鑄坯的表面缺陷在加熱過程中，內(nèi)部進(jìn)一步氧化，同時(shí)，裂紋周邊存在鈣、鎂、硅氧化物，基體連續(xù)性遭到破壞，使鋼材在軋制過程中裂紋發(fā)生延伸和擴(kuò)大。而在軋鋼過程中無法將此缺陷焊合，通過中間軋材與成品材的線掃結(jié)果來看，各元素含量變化的一致性也證明了這一點(diǎn)。

圖7 鑄坯表面形貌

3 結(jié)論

本批次生產(chǎn)的Q355B 鋼成品材表面裂紋缺陷主要起源于鑄坯的表面裂紋及氣泡，鑄坯經(jīng)加熱爐加熱后，缺陷部位產(chǎn)生一定的脫碳、鐵氧化物，并伴有不易變形的鈣、鎂、硅等氧化物脆性夾雜，在后續(xù)軋鋼過程中無法焊合，從而產(chǎn)生了此成品材的宏觀縱向表面裂紋。故針對(duì)此缺陷，分別從冶煉和連鑄環(huán)節(jié)分析制定糾正措施，著重控制脫氧、脫氣環(huán)節(jié)，降低鋼種氣體含量，提高鑄機(jī)對(duì)弧精度，改善二冷強(qiáng)度等，降低了機(jī)械應(yīng)力及熱應(yīng)力，改善了鑄坯表面質(zhì)量，基本消除了Q355B 角鋼表面裂紋的現(xiàn)象。