摘 要:某鋼廠生產(chǎn)的鋼板表面經(jīng)常出現(xiàn)星形裂紋,采用宏觀觀察、金相檢驗(yàn)、掃描電子顯微鏡 分析和能譜分析等方法對該類裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,得出鋼板表面星形裂紋產(chǎn)生的主要原因是 鑄坯表面存在氣泡、晶間裂紋,或鑄坯的低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高。最后提出了相應(yīng)的改 進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞:鋼板;星形裂紋;氣泡;晶間裂紋;低熔點(diǎn)物質(zhì)

中圖分類號:TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)08-0036-03

某鋼廠生產(chǎn)的鋼板表面經(jīng)常出現(xiàn)星形裂紋[1-2], 其為一種類似于簇狀或不閉環(huán)多邊形等形狀的較為 復(fù)雜、深淺不一、清晰可見的裂紋。該類裂紋一般沿 軋制方向呈帶狀分布,密集程度不均勻。對于較淺 的星形裂紋,可以用機(jī)械方式修磨,對于有較深星形 裂紋的鋼板,可以直接判為廢品。筆者采用一系列 理化檢驗(yàn)方法對該類裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

如果鑄坯表面存在氣泡,經(jīng)軋制后,在鋼板表面 就會產(chǎn)生星形裂紋,用鹽酸水溶液熱酸洗鋼板試樣, 觀察鋼板星形裂紋的宏觀形貌,發(fā)現(xiàn)表面裂紋大部 分閉合且呈水滴狀,閉合環(huán)內(nèi)略有塌陷,部分裂紋呈 鉤狀,鉤內(nèi)側(cè)略有塌陷(見圖1)。塌陷的形態(tài)呈水 滴狀、橢圓、無規(guī)則閉環(huán)等。

如果鑄坯表面存在晶間裂紋,經(jīng)軋制后,在鋼板表 面也會產(chǎn)生星形裂紋。用鹽酸水溶液熱酸洗鋼板試 樣,觀察鋼板星形裂紋的宏觀形貌。試樣表面裂紋大 部分閉合,開口方向不一致,多邊形特征明顯(見圖2)。

如果鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)(如 Cu,Sn,Pb等)選擇 性氧化或其含量高,經(jīng)軋制后,鋼板表面也會產(chǎn)生星 形裂紋,裂紋的多邊形特征最為明顯,一般無鉤狀特 征,其形態(tài)類似皸裂(見圖3)。

1.2 金相檢驗(yàn)

用光學(xué)顯微鏡觀察鑄坯表面存在氣泡的鋼板試 樣,發(fā)現(xiàn)星形裂紋缺陷尾部圓鈍,缺陷處干凈,周圍 無氧化原點(diǎn)(見圖4)。用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒 精溶液腐蝕后,發(fā)現(xiàn)缺陷處組織為鐵素體+珠光體, 且明顯觀察到兩側(cè)組織晶粒大小不均(見圖5)。

用光學(xué)顯微鏡觀察鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼 板試樣,發(fā)現(xiàn)在裂紋周圍基體中存在大量二次氧化 顆粒,而鋼板表面未發(fā)現(xiàn)二次氧化顆粒。經(jīng)體積分 數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,發(fā)現(xiàn)裂紋處組織 為鐵素體+珠光體,存在脫碳現(xiàn)象(見圖6)。

對鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的 鋼板試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)裂紋深約 0.07mm,并向內(nèi)延伸至0.51mm 處,在裂紋周圍基體、裂紋 延伸處均存在大量二次氧化顆粒。用體積分?jǐn)?shù)為 4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,發(fā)現(xiàn)裂紋頭部組織為貝 氏體+鐵素體+少量珠光體,存在脫碳現(xiàn)象(見圖 7)。

1.3 能譜分析

對鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼板試樣進(jìn)行能譜 分析,發(fā)現(xiàn)裂紋周圍基體中存在二次氧化顆粒,其主要為含錳和硅的氧化顆粒(見圖8)。

對鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的 鋼板試樣進(jìn)行能譜分析,發(fā)現(xiàn)裂紋處存在低熔點(diǎn)元 素 Cu富集(沿著試樣表面裂紋的方向延伸聚集) (見圖9)。裂紋周圍基體及裂紋延伸處均存在大量 二次氧化顆粒,主要為含錳和硅元素的氧化顆粒(見 圖10)。

2 綜合分析

對于鑄坯表面存在氣泡的鋼板試樣,其顯微組 織的形態(tài)特征為周圍無氧化原點(diǎn),兩側(cè)組織的晶粒 大小不同。說明缺陷為淺表層缺陷,其在軋制時破 裂,造成缺陷兩側(cè)組織的晶粒大小不同。一般鑄坯 距離皮下10mm 范圍內(nèi)的氣泡[3]在軋制過程中會 傳到鋼板表面并形成缺陷。小氣泡在后續(xù)軋制過程 中可以愈合,而大氣泡則很難愈合。淺層的皮下氣泡在軋制過程中破裂形成星形裂紋;皮下很淺的氣 泡在鑄坯加熱時,因燒損而被消除;皮下較深的氣泡 在軋制過程中無破裂現(xiàn)象產(chǎn)生,也不會形成星形裂 紋。皮下氣泡在軋制過程中,形狀由原來的球形、橄 欖形變得扁平,且距表面越來越近,最終破裂形成星 形裂紋。星形裂紋形成后,如軋制過程還在持續(xù),則 部分缺陷會被軋合。

對于鑄坯表面存在晶間裂紋的鋼板試樣,裂紋 周圍基體中存在二次氧化顆粒,腐蝕后裂紋處組織 存在脫碳現(xiàn)象。能譜分析結(jié)果表明:這些氧化物主 要為含 硅 和 錳 的 氧 化 顆 粒。 二 次 氧 化 顆 粒 的 形 成[1-3]十分緩慢,必須將鋼板置于高溫下,且較長時 間放置于有氧的環(huán)境中。如果鋼板處于高溫環(huán)境的 時間較短,就只能在表皮形成氧化鐵[4-5]。如果精軋 和粗軋持續(xù)的時間較短,就不能生成二次氧化顆粒。 同時,由于軋制過程中鋼板的表面處在氧含量高的 環(huán)境下,因此迅速生成了氧化鐵保護(hù)膜,阻止了氧氣 的進(jìn)入,不能產(chǎn)生二次氧化顆粒。這也可以證明,二 次氧化顆粒不是在軋制過程中產(chǎn)生的,而是在加熱 爐內(nèi)長時間放置產(chǎn)生的,因此該類星形裂紋為鑄坯 上的晶間裂紋。

對于鑄坯中低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其含量高的 鋼板,由能譜分析結(jié)果可知:裂紋處發(fā)現(xiàn)低熔點(diǎn)元素Cu 富集,就說明該裂紋的產(chǎn)生與Cu元素富集有關(guān)。

熱軋鋼材表面及次表面的 Cu元素富集[4-5]包 含兩種機(jī)制:一是選擇性氧化,選擇性氧化的機(jī)理是 鋼基體中 Cu元素含量較高,當(dāng)鋼坯處在高溫時,由 于 Cu元素較 Fe,Si,Mn等元素活潑性差,Si,Mn, Fe等元素首先被選擇性氧化,Cu元素殘余富集于 氧化鐵皮下 的 基 體 中,形 成 Cu 元 素 的 富 集,而 且 Cu原子在高溫下有較高的自由能,容易向晶界擴(kuò)散 并富集在初生的奧氏體晶界上;二是鋼坯表面富集 Cu,富集于晶界的機(jī)理是 Cu原子在高溫下有較高 的自由能,容易向原子排列不整齊的晶界擴(kuò)散并富 集在初生的奧氏體晶界上。

3 改進(jìn)措施

(1)減少鑄坯皮下氣泡破裂形成的鋼板星形裂 紋的措施為:首先應(yīng)該通過檢測鋼坯中的氣體總量 來判斷氣泡是內(nèi)生的還是外生的。對氣體總量高引 起的氣泡,應(yīng)從減少氣體總量入手(如加強(qiáng)脫氧),從 而防止在連鑄過程中因溫度降低而使氣體在鋼中逸出。對于外生氣泡,應(yīng)該考慮保護(hù)渣的干燥度及保 護(hù)渣的適應(yīng)性,以避免氣體從外部進(jìn)入坯表形成皮 下氣泡或針孔。

(2)減少鑄坯表面存在晶間裂紋形成的鋼板星 形裂紋的措施為:判斷晶間裂紋的產(chǎn)生工序,對相應(yīng) 的連鑄工藝進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

(3)減少鑄坯表面低熔點(diǎn)物質(zhì)選擇性氧化或其 含量高引起的鋼板星形裂紋的措施為:控制鋼中殘 余元素的含量;在1100 ℃以上的高溫加熱區(qū),保證 爐膛呈還原性或略呈還原性,或者噴涂降低氧化的 涂料,以減輕鋼基體的氧化程度;改進(jìn)連鑄工藝和提 高結(jié)晶器質(zhì)量,降低結(jié)晶器鍍層的破損幾率。

4 結(jié)語

總結(jié)了3種類型鋼板星形裂紋的產(chǎn)生原因。根 據(jù)其宏觀特征、微觀特征、缺陷分布、出現(xiàn)幾率等,可 區(qū)分和判別鋼板星形裂紋的特征及根源,以指導(dǎo)鋼 廠快速應(yīng)對生產(chǎn)問題。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>58卷>8期(pp:36-38)>