430不銹鋼BA板沖壓開裂原因分析與改進措施

李 翠，蔣 鵬，曹 鵬，吳月龍

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

1 前言

鐵素體不銹鋼的產量占不銹鋼總產量的30%左右，因其不含鎳，性能優良，使用量逐年增加。430 不銹鋼是典型的鐵素體不銹鋼，具有較好的塑性，深沖性能優良，廣泛應用于建筑裝飾、餐具、衛生器具、家庭用器具等領域。

某不銹鋼廠為國內主要的400 系不銹鋼生產基地，其生產的430 不銹鋼酸洗板經客戶生產BA板后進行沖壓制品作業時出現了批量開裂缺陷事件，為查明開裂原因，取樣進行檢測分析并提出改善措施。

2 開裂樣品缺陷分析

2.1 宏觀形貌檢測結果

圖1a 所示為送檢樣品整體形貌，表面未發現明顯的表面凹坑、擦劃等缺陷，樣品中有5 組沖壓制成的圓形結構，其中左側兩組圓形結構深度約15 mm，底部r 弧位置均出現開裂，開裂形貌見圖1b，中間的1 組圓形結構和右側的2 組圓形結構深度均＜12 mm，未出現開裂現象。

圖1 樣品宏觀檢測結果

2.2 化學成分檢測結果

對樣品截取成分樣品使用電火花直讀光譜儀進行化學成分檢測，結果見表1，各元素含量均滿足GB/T 4237《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》要求。

表1 化學成分檢測結果（質量分數）%

2.3 金相檢測結果

在斷口及附近位置截取金相樣品，鑲嵌、磨制、拋光后進行金相觀察，發現檢測面僅有少量的B類夾雜物和C類夾雜物存在，級別均為0.5級，斷口附近未發現大尺寸夾雜物，也未發現小尺寸夾雜物聚集現象。

在垂直于斷口位置截取金相樣品，鑲嵌、磨制、拋光后經三氯化鐵溶液侵蝕后進行金相檢測，結果見圖2。遠離斷口的基體部位組織為鐵素體＋碳化物組織，在厚度方向1/4 處發現明顯的碳化物偏析條帶（見圖2a）；斷口位置存在明顯的變形流線，同樣有碳化物偏析現象存在（見圖2b）。

圖2 斷口位置金相檢測結果

2.4 掃描電鏡能譜檢測結果

對斷口位置在掃描電鏡下觀察，結果見圖3。斷口被分割為兩種不同形態的斷裂形貌，其中上端2/3 的斷口為正常的剪切韌窩斷口，能夠發現明顯的塑形變形痕跡。下端1/3 斷口無明顯的變形趨勢，較為接近脆性斷口的特點。對不同斷裂形態的結合部位進行觀察，發現結合部位底部存在大尺寸的韌窩，韌窩呈線性分布在結合部位；對該韌窩進行觀察發現，韌窩底部有明顯的顆粒物存在，對顆粒物進行能譜分析發現，顆粒物中Cr 元素含量明顯高于基體部位的Cr元素含量，最高接近40%。

圖3 斷口位置電鏡能譜檢測結果

將垂直于斷口位置金相樣品在掃描電鏡下進行觀察，檢測面均發現大量條狀腐蝕溝存在，對腐蝕溝位置放大后觀察，發現腐蝕溝內部有少量顆粒物殘留。對顆粒物進行能譜分析，結果見圖4，顆粒物位置Cr元素含量明顯高于基體位置的Cr元素含量，Cr元素最大值同樣接近40%。

圖4 斷口位置能譜分析結果

2.5 開裂原因分析

宏觀檢測斷口及附近位置，未發現明顯的凹坑及擦劃傷等表面缺陷，可基本排除因表面缺陷引起的開裂?；瘜W成分檢測結果可知，各元素含量均滿足GB/T 4237 規定的范圍，可排除因化學成分不合格造成的沖壓開裂缺陷。夾雜物檢測結果可知，斷口及附近位置僅發現少量B 類夾雜物和C 類夾雜物，級別均為0.5 級，未發現大尺寸夾雜物，也未發現夾雜物聚集現象存在，夾雜物控制較好，可以排除因夾雜物因素造成的沖壓開裂缺陷。

通過對斷口位置和基體部位進行金相檢測可知，基體厚度方向1/3位置處存在碳化物偏析條帶，斷口位置處也存在碳化物偏析現象，斷口位置和基體位置的碳化物分布形態基本一致。通過電鏡分析發現斷口位置存在兩種不同的斷裂形態，2/3 斷口為正常的剪切韌窩斷口，存在明顯的塑性變形特點，1/3 斷口變形量較小，有一定的脆性斷口的特點。兩種斷裂形態的結合部位有大尺寸的韌窩，韌窩底部發現有顆粒物存在，使用能譜對韌窩底部的顆粒物進行微區成分檢測，發現顆粒物Cr 元素含量遠高于基體部位Cr 元素含量，最高接近40%，由此可判斷該結合處即為碳化物偏析處，碳化物實際成分為碳化鉻。因碳化物條帶硬度較高，易引起應力集中，同時，碳化物的存在會割裂基體，影響材料的延續性，在沖壓過程中變形量達到一定的程度就會引起開裂。

2.6 小結

通過系統分析發現，造成材料沖壓開裂的直接原因是材料1/3厚度位置存在的碳化物偏析條帶降低材料的塑形，變形量達到一定程度后在碳化物偏析條帶位置處出現開裂現象。

3 工藝改進措施與驗證

3.1 開裂原因追溯

通過上述分析發現，厚度方向1/3 位置處存在的碳化物偏析條帶是造成沖壓開裂的直接原因。為驗證碳化物偏析的分布是否具有偶然性，對該批次生成的430 酸洗板經其他客戶制作成的2B 板截取全寬樣品1 組，對整個寬度方向截開、鑲嵌、磨制、拋光后經三氯化鐵溶液腐蝕后進行金相觀察，結果見圖5。樣品兩端為正常的鐵素體＋碳化物組織，中部位置基體組織同樣為鐵素體＋碳化物組織，但是在厚度方向1/4至1/3位置處存在明顯的碳化物偏析條帶。

圖5 金相組織檢測結果

通過對上述全截面樣品金相組織拼接后進行碳化物偏析條帶分布規律研究，結果見圖6。碳化物偏析基本位于沿中心線兩側1/4至1/3位置處，且全部分布于中部位置，兩端未發現碳化物偏析條帶，這與上述開裂樣品中基體組織中的碳化物偏析條帶分布情況基本吻合，即上述沖壓開裂缺陷的形成并非偶然，而是與材料組織有著密切的關系。

圖6 碳化物條帶分布規律圖

430熱軋板在酸洗前首先在罩式退火爐中進行退火處理，酸洗板冷軋之后也會進行一道退火工藝處理，即從熱軋板到BA板之間進行兩次退火處理。退火處理過程有助于組織的恢復和碳化物的消散，在BA 板中發現如此明顯的碳化物偏析條帶，原因只能是鑄坯中的碳化物偏析在后續的熱軋及退火工序未能完全消除，因此，要改善430 不銹鋼2B 板組織中的碳化物偏析需從鑄坯入手。

查看該開裂樣品對應同批次的鑄坯低倍樣組織，檢測結果見圖7。參照YB/T 4003—2016《連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級圖》進行評級，結果為：中間裂紋1.5級、三角區裂紋0級、角裂紋0級、中心偏析為C0.5 級、中心疏松0.5 級、等軸晶率48.62%。除中間裂紋外其他項目均控制較好，該鋼種中間裂紋缺陷一般控制在0.5級以內，該樣品1/4厚度位置存在5處明顯的中間裂紋缺陷，中間裂紋形貌見圖7b，裂紋并非完全連成線狀，局部為簇狀或點狀分布，與常見的應力裂紋有一定差別。

圖7 低倍檢測結果

對上述低倍樣品中間裂紋位置處截取金相樣品，磨制、拋光經三氯化鐵溶液腐蝕后進行金相觀察，結果見圖8，發現裂紋末端及附近位置處均發現了數量較多的大顆粒碳化物存在。結合中間裂紋的形態特征，可判斷出低倍檢測結果中體現出來的中間裂紋缺陷并非常規的應力裂紋缺陷，而是因為碳化物的耐蝕性極差，在低倍侵蝕過程中被率先侵蝕掉表現出的宏觀裂紋形貌。通過低倍檢測結果以及在低倍樣品金相檢測過程中發現的碳化物現象的存在，可以充分證明430 不銹鋼BA 板中發現的碳化物偏析條帶遺傳自鑄坯中的碳化物。

圖8 鑄坯樣品金相檢測結果

3.2 工藝改善措施與驗證

由鑄坯低倍組織檢測結果以及對鑄坯樣品進行檢測結果可知，要從根本上解決430 不銹鋼BA板中的碳化物偏析現象，避免再次出現沖壓開裂等缺陷，就必須從連鑄工藝優化入手，采取如下措施進行改善。

（1）化學成分控制。嚴格控制鋼種成分，尤其注重碳、氮含量的控制。根據試驗研究，低碳氮和高碳氮控制相比，高溫組織基本一致沒有明顯的差別，但是室溫組織差別極大，低碳氮條件下鑄坯室溫組織以鐵素體為主，僅在晶界存在少量的馬氏體組織，但是高碳氮條件下，組織中的馬氏體組織為針狀馬氏體組織且馬氏體組織明顯粗大，因此，要求嚴格控制碳氮含量≤300×10-6。

（2）二冷水控制。二冷水強度用比水量來反映，比水量大，說明冷卻強度大。比水量小，鋼水凝固過程的溫度梯度也小，在凝固前沿就會析出更多的晶核，從而在鑄坯中達到組織、成分的均勻穩定。從提高430不銹鋼板坯中等軸晶率角度考慮，二次冷卻制度應采用弱冷工藝，即采用低的比水量。但實際生產中，430不銹鋼二冷水比水量過小，容易引起鑄坯裂紋缺陷。因此二次冷卻水控制2～4區各區間水量＞280 L/min均勻冷卻，在電磁攪拌前給予足夠的冷卻量，5～7區采取緩冷減緩澆注強度。

（3）電磁攪拌控制。電磁攪拌在連鑄工序中的工作原理為：強烈的電磁攪拌使得鋼水中的溫度梯度相對減少，攪拌力破碎已經凝固的樹枝晶，形成游離的晶核并增殖，使低倍組織中等軸晶率提高、化學成分均勻，避免偏析現象的發生。攪拌電流越大，磁感應強度的增加越明顯，鋼液所受的電磁力也就越大，較大的電磁力有利于鋼液的攪拌和換熱及溫度場的均勻化，電磁攪拌力越大，熔體的攪拌越劇烈，劇烈攪拌可促進熔體的換熱，攪拌越劇烈，熔體的熱交換也越劇烈，溫度場也越均勻，也越有利于等軸晶的形成和化學成分的均勻穩定分布。電磁攪拌原控制參數電流為250～300 A、頻率4.0～5.0 Hz，為此，需將電磁攪拌電流提高至350 A、頻率穩定在5.0 Hz。

工藝改進后，低倍檢測結果表明中間裂紋有效控制在≤0.5級，鑄坯中的碳化物析出問題得到了有效控制。

4 結語

430 不銹鋼BA 板沖壓開裂的主要原因為組織中的碳化物偏析條帶減低材料的塑性，碳化物偏析為鑄坯中的碳化物偏析遺傳所致。通過優化成分、二冷水強度和電磁攪拌參數，可有效控制鑄坯中的碳化物現象，從而避免沖壓開裂缺陷的出現。