鋼中最常見的有害元素砷和銅一般來源于鐵礦石、鐵合金以及廢鋼中。當這兩種有害元素含量超過一定值時,會嚴重影響鋼的性能,比如使鋼的抗拉強度、硬度和脆性增大,沖擊韌性和熱塑性降低,鍛造特性減弱等,嚴重影響材料的表面質(zhì)量。某企業(yè)生產(chǎn)的Q355B鋼近期出現(xiàn)表面開裂問題,Q355B鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF(鋼包精煉爐)精煉→連鑄→軋制→冷卻→矯直→上下表面檢查→成品。筆者采用一系列理化檢驗方法分析其開裂的原因,并提出相應的改進措施,以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

鋼板裂紋處的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋基本聚集在鋼板的邊部附近,呈縱向斷續(xù)分部,形態(tài)剛直。 

圖  1  鋼板裂紋處宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂鋼板上取樣,對試樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂鋼板的化學成分符合GB/T 1591—2018 《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》及內(nèi)控要求。 

1.3   金相檢驗

利用線切割設(shè)備在鋼板裂紋部位橫向取樣,將試樣進行粗磨、精磨、拋光、腐蝕處理,采用光學顯微鏡觀察試樣,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：試樣裂紋開口較寬,呈較鈍的形態(tài),裂紋深入基體約100 μm；裂紋附近未發(fā)現(xiàn)較大型夾雜物,周圍顯微組織為珠光體＋鐵素體,與基體正常組織基本一致；在裂紋較大開口左下方以及右下方均發(fā)現(xiàn)了較小的脫碳區(qū)域,脫碳區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了黑色斑點狀異常物質(zhì),推斷其為硅錳氧化物。 

圖  2  鋼板裂紋處顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在鋼板裂紋截面處取樣,對試樣進行掃描電鏡及能譜分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：脫碳區(qū)域內(nèi)二次氧化物析出點特征明顯,脫碳區(qū)域主要含有Si、Mn、O等元素,說明析出物為硅錳氧化物。 

圖  3  鋼板裂紋截面處SEM形貌及能譜分析結(jié)果

在裂紋開口處取樣,對試樣進行掃描電鏡及能譜分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣中可見2條明顯裂紋,裂紋內(nèi)氧化鐵皮與基體接觸界面處可見白色物質(zhì),白色物質(zhì)分布在氧化鐵皮內(nèi),顏色明顯異于氧化鐵皮的灰棕色；白色物質(zhì)中含有砷、銅等元素；2條裂紋沒有明顯開裂走向,只有脫碳及析出物,靠近白色物質(zhì)處可以觀察到沿晶界開裂的現(xiàn)象。 

圖  4  鋼板裂紋開口處的SEM形貌及能譜分析結(jié)果

2.   綜合分析

該開裂鋼板的裂紋處存在脫碳及內(nèi)氧化現(xiàn)象,說明鋼板在生產(chǎn)過程中處于高溫狀態(tài)。當溫度為950～1 200 ℃時,鋼板基體中的碳元素會與氧發(fā)生反應,并以氣體的形式逸出,造成附近基體發(fā)生脫碳現(xiàn)象。剩余較低濃度的氧則會進一步深入鋼板內(nèi)部,與脫碳區(qū)域中的強氧化性元素硅、錳結(jié)合,形成富集硅錳的氧化物顆粒,并沉積于基體中,形成硅錳氧化物析出。該過程通常會發(fā)生在鋼板的長時間保溫環(huán)節(jié)中[1-3]。該開裂鋼板的2條裂紋形成于連鑄環(huán)節(jié),后經(jīng)過軋制前的長時間保溫而形成了脫碳區(qū)域。脫碳區(qū)域內(nèi)析出了硅錳氧化物,說明該區(qū)域發(fā)生了內(nèi)氧化現(xiàn)象。該開裂鋼板表面寬大裂紋缺口形成原因為：鋼板存在原始裂紋,導致軋制過程中鋼板不斷受到碾壓、推展作用,最終導致鋼板產(chǎn)生原始裂紋。 

在鋼板的2條裂紋處存在砷元素及沿晶開裂現(xiàn)象,說明低熔點元素砷是造成裂紋形成的主要原因。砷元素的氧化位能低于鐵元素,且易發(fā)生偏聚現(xiàn)象,在二冷段高溫冷卻及回溫過程中,連鑄坯中的鐵元素優(yōu)先被氧化,當鐵元素的氧化速率大于砷元素在鋼基體中的擴散速率時,砷元素會在氧化鐵皮與鋼基體之間析出,這與裂紋處氧化鐵皮內(nèi)發(fā)現(xiàn)較多的砷元素相對應。同時砷元素還是低熔點元素,隨著其不斷地析出聚集,在連鑄坯表面逐漸形成低熔點富集相。 

在鋼板的2條裂紋處還發(fā)現(xiàn)了銅元素,銅元素和砷元素會相互增強其有害性。砷元素的聚集會降低銅元素在奧氏體中的熔解度,還會降低熔解相的熔點,增大熔解相向晶界擴散的程度,破壞晶界的結(jié)合性與連續(xù)性[4]。該鋼種的加熱溫度一般為950～1 240 ℃,明顯高于銅、砷的熔點,在加熱過程中,基體與氧化鐵皮界面之間極易形成較多的液態(tài)熔融相,液態(tài)熔融相不斷向晶界滲透,破壞晶界的連續(xù)性,降低鋼的熱塑性。特別是二冷階段,連鑄坯處于較強的氧化氣氛中,氧化現(xiàn)象更為嚴重,更易形成低熔點砷銅富集相。在拉應力的作用下,連鑄坯中的液相會浸潤晶界,導致表面產(chǎn)生熱脆裂紋。在軋制前加熱的過程中,帶有裂紋缺陷的連鑄坯發(fā)生脫碳及內(nèi)氧化現(xiàn)象。在軋制過程中原始裂紋被碾壓和擴展,原始裂紋的形態(tài)被改變,形成了開口較大的裂紋截面。 

3.   結(jié)論及建議

Q355B鋼板的原始裂紋形成于連鑄坯環(huán)節(jié),其產(chǎn)生原因為：連鑄坯中殘余的砷、銅元素在氧化鐵皮與基體之間形成了低熔點的富集相,從而弱化了晶界,破壞了基體的連續(xù)性,在拉應力的作用下,導致鋼板表面發(fā)生開裂現(xiàn)象。 

建議嚴格控制原材料中砷、銅等有害元素的含量。必要時應采用回歸方法進行相關(guān)統(tǒng)計,調(diào)研鐵水、鋼水中殘余元素含量對鑄坯質(zhì)量的影響,確定相關(guān)量化關(guān)系。對鑄坯氧化鐵皮進行清理,避免軋制過程中產(chǎn)生裂紋。在加熱過程中加快升溫速率,減少在爐加熱時間。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)