SPA-H是一種低合金結(jié)構(gòu)鋼，通過加入Cu、Ni、Cr、P、Si等合金元素增強(qiáng)耐海洋環(huán)境大氣腐蝕，多用于生產(chǎn)集裝箱板。由于集裝箱的加工制造和使用環(huán)境過程較為復(fù)雜，對力學(xué)性能、冷成形性能、焊接性能、耐腐蝕性能等性能均有較高的要求，同時對表面質(zhì)量、尺寸公差、板形等要求嚴(yán)格。Cu添加SPA-H鋼中可在其表面二次析出，形成陰極，促進(jìn)與其相接觸的鋼材陽極鈍化，起到減緩腐蝕的作用；還可在鋼的表層形成富銅相，并在表面腐蝕層與富銅相之間形成致密而強(qiáng)的粘附中間層，減輕鋼的腐蝕[1−2]。

耐候鋼生產(chǎn)中易出現(xiàn)“銅脆”引起缺陷[3−5]，2022年5月某廠生產(chǎn)的SPA-H表面出現(xiàn)表面裂紋和起皮缺陷，技術(shù)評估認(rèn)為缺陷對客戶使用影響較大，為了解決表面裂紋和起皮質(zhì)量問題展開技術(shù)攻關(guān)。

1.   缺陷檢測分析

1.1   宏觀特征

在SPA-H軋制過程中，由表面檢查儀發(fā)現(xiàn)通卷分布的表面裂紋和起皮缺陷，上下表面均有，多為上表面裂紋伴有起皮，表面裂紋和起皮缺陷主要分布距軋制邊40~110 mm，最長約10 mm，缺陷輕微表現(xiàn)為表面裂紋，缺陷嚴(yán)重表現(xiàn)為起皮。取樣板缺陷宏觀特征如圖1所示。

1.2   微觀特征

表面裂紋和起皮的長度方向平行于軋制方向，垂直于軋制方向取表面裂紋缺陷位置橫向截面，觀察缺陷形貌、金相組織，如圖2所示。對試樣裂紋處及其周邊進(jìn)行能譜分析如圖3所示，主要成分結(jié)果如表1所示。

由圖2可以看出表面裂紋周邊母材無明顯脫碳，表面裂紋周邊沒有因氧化后軋入母材的氧化圓點，表面裂紋的深度≤20 μm，呈現(xiàn)出裂紋淺、無明顯氧化的現(xiàn)象，由此可知表面裂紋不是鑄坯進(jìn)入加熱爐前產(chǎn)生的。由圖3、表1可以看出表面裂紋內(nèi)分布著大量的氧化鐵，由此可知裂紋產(chǎn)生在軋鋼過程之前，裂紋隨著軋制不斷變形，氧化鐵進(jìn)入裂紋內(nèi)部。表面裂紋內(nèi)部的氧化鐵皮存在較多的Cu元素，并呈現(xiàn)出局部富集的現(xiàn)象，由此可知鑄坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中，隨著表面不斷氧化形成氧化鐵皮的同時，Cu元素不斷富集，為“銅脆”創(chuàng)造了條件。綜上，Cu元素的富集過程是鑄坯在加熱爐中產(chǎn)生的，加熱工藝的合理性對Cu元素富集有較大影響。

2.   工藝回查

本次生產(chǎn)的SPA-H采用冷坯入爐，相比熱坯入爐，加熱溫度更高、加熱爐停留時間更長。生產(chǎn)中軋制過程出現(xiàn)故障，處理故障耗時100 min，導(dǎo)致后續(xù)生產(chǎn)的鑄坯在加熱爐內(nèi)停留時間最長達(dá)387 min。統(tǒng)計加熱時間與表面裂紋和起皮缺陷對應(yīng)關(guān)系，產(chǎn)生表面裂紋的鋼卷在加熱爐停留時間≥220 min，加熱時間超過300 min的鋼卷都存在表面起皮現(xiàn)象，即加熱時間越長，出現(xiàn)缺陷的程度越嚴(yán)重。

3.   表面裂紋和起皮產(chǎn)生的原因

產(chǎn)品在加熱爐內(nèi)加熱時，鋼坯與弱氧化性的爐氣發(fā)生氧化反應(yīng)，由于加熱時間長、溫度高，在鑄坯表層形成較厚的氧化鐵皮。鐵的氧化優(yōu)先于銅，隨著鑄坯氧化的進(jìn)行，銅含量相對增加，直到銅不能完全溶解，未被溶解的部分銅會沿晶界擴(kuò)散，形成網(wǎng)絡(luò)富銅相[6−7]。由于鋼坯的加熱溫度1200~1290 ℃，高于銅的熔點（1083 ℃），所以富銅相處于熔化狀態(tài)。熔化狀態(tài)的富銅相弱化奧氏體晶界，軋制時會導(dǎo)致表面缺陷，形成“銅脆”裂紋缺陷[8]。

3.1   溫度對Cu擴(kuò)散的影響

Cu在高溫環(huán)境下的擴(kuò)散方式如圖4所示[5]，既有滲透過程又有擴(kuò)散過程。滲透過程是Cu沿奧氏體晶界滲透，易產(chǎn)生“銅脆”缺陷；擴(kuò)散過程是Cu在鋼和氧化鐵皮中均勻化的過程，可減少Cu富集程度，不易產(chǎn)生“銅脆”缺陷。由圖4可見，當(dāng)加熱溫度低于1080 ℃時，滲透速度大于擴(kuò)散速度，Cu的擴(kuò)散以滲透過程為主，易于生產(chǎn)“銅脆”缺陷。當(dāng)加熱溫度高于1080 ℃時，擴(kuò)散速度大于滲透速度，Cu的擴(kuò)散以擴(kuò)散過程為主，不易生產(chǎn)“銅脆”缺陷。因此鑄坯在加熱爐中加熱時，快速升到1080 ℃以上，是解決“銅脆”缺陷的有效方法。有文獻(xiàn)[9]研究表明鋼坯表層富銅相在1100 ℃左右開始熔化是造成“銅脆”現(xiàn)象的根本原因，因此，將加熱溫度快速提升到1100 ℃以上，有助于解決“銅脆”缺陷。

3.2   加熱溫度對氧化層厚度的影響

有研究[10]表明：鋼在加熱爐內(nèi)加熱時氧化反應(yīng)隨著溫度的升高不斷發(fā)生變化，加熱溫度小于1100 ℃時，氧的擴(kuò)散速率慢，氧化反應(yīng)主要發(fā)生在晶界，氧化過程較慢；當(dāng)加熱到1100～1200 ℃時，氧的擴(kuò)散速度快，氧化反應(yīng)同時發(fā)生在晶內(nèi)、晶界，氧化過程快速；當(dāng)加熱到大于1200 ℃時，前期快速氧化產(chǎn)生的氧化層以及氧化活性較低的合金元素在基體與氧化層界面聚集，降低了氧的擴(kuò)散，氧化反應(yīng)速度相對前一階段有所降低，氧化過程達(dá)到了一種不快不慢的平臺狀。

3.3   在爐時間對氧化層厚度的影響

氧化層厚度隨在爐時間的增加呈線性變厚，但氧化層妨礙了鋼基體與氧氣的接觸，氧化層變厚的速度比較平緩，加熱時間對銅鋼氧化過程的影響沒有加熱溫度對氧化過程的影響顯著[10]。而韓樂等[11]研究認(rèn)為在其設(shè)定的加熱工藝制度下，在爐時間對“銅脆”缺陷的影響顯著。

4.   改善措施

1）加熱爐內(nèi)采用弱氧化氣氛，減少鑄坯表面氧化，減少Cu元素因選擇性氧化產(chǎn)生富集，從而減少“銅脆”的產(chǎn)生。

2）加熱爐一加熱段溫度由1220 ℃降低為1150 ℃，減少冷坯在一加熱段時表層和次表層的溫差，使鑄坯均勻加熱；二加熱段溫度提高至1220 ℃，使鑄坯快速加熱到1080 ℃以上，抑制銅液的滲透速度，減少“銅脆”缺陷的產(chǎn)生。

3）增加SPA-H前其它產(chǎn)品作為過渡材，減少為了保障加熱時間導(dǎo)致SPA-H在均熱段停留時間過長。

4）因事故導(dǎo)致鑄坯在爐時間≥220 min時，鑄坯做退回處理，不進(jìn)行軋制。

5.   改善結(jié)果

實施改善措施后，SPA-H沒有批量出現(xiàn)表面裂紋和起皮缺陷，在后續(xù)多批次軋制中出現(xiàn)過2卷邊部起皮，即個別鋼卷存在問題。金相組織顯示起皮位置的裂紋周邊有明顯的脫碳現(xiàn)象，如圖5所示；利用掃描電鏡觀察缺陷，發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物如圖6所示，能譜分析結(jié)果鋁元素及氧元素異常偏高，正常位置則沒有大量的鋁元素及氧元素，如表2所示。查詢煉鋼工藝時發(fā)現(xiàn)該鋼卷對應(yīng)的板坯在連鑄過程中有拉速波動等工藝異常，這種工藝異常易導(dǎo)致結(jié)晶器液面波動，進(jìn)而導(dǎo)致卷渣，鑄坯產(chǎn)生局部缺陷。工藝波動與微觀檢測結(jié)果有一定對應(yīng)關(guān)系，由此可推斷起皮缺陷是由鑄坯裂紋遺傳到鋼卷。

6.   結(jié)論

（1）1100 ℃以下是含銅鋼產(chǎn)生表面裂紋的敏感溫度區(qū)間，快速通過該溫度，并且控制較短的在爐時間，可以減少銅液的滲透、避免產(chǎn)生“銅脆”現(xiàn)象。

（2）加熱時間對SPA-H表面裂紋和起皮缺陷影響較大，SPA-H在爐時間不宜超過220 min。

（3）除了“銅脆”造成的表面裂紋和起皮外，拉速波動導(dǎo)致的卷渣問題也會導(dǎo)致起皮缺陷。

文章來源——金屬世界