分享：Q355B宽带钢表面开裂原因

钢中最常见的有害元素砷和铜一般来源于铁矿石、铁合金以及废钢中。当这两种有害元素含量超过一定值时,会严重影响钢的性能,比如使钢的抗拉强度、硬度和脆性增大,冲击韧性和热塑性降低,锻造特性减弱等,严重影响材料的表面质量。某企业生产的Q355B钢近期出现表面开裂问题,Q355B钢的生产工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→LF(钢包精炼炉)精炼→连铸→轧制→冷却→矫直→上下表面检查→成品。笔者采用一系列理化检验方法分析其开裂的原因,并提出相应的改进措施,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

钢板裂纹处的宏观形貌如图1所示。由图1可知：裂纹基本聚集在钢板的边部附近,呈纵向断续分部,形态刚直。 

图  1  钢板裂纹处宏观形貌

1.2   化学成分分析

在开裂钢板上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂钢板的化学成分符合GB/T 1591—2018 《低合金高强度结构钢》及内控要求。 

1.3   金相检验

利用线切割设备在钢板裂纹部位横向取样,将试样进行粗磨、精磨、抛光、腐蚀处理,采用光学显微镜观察试样,结果如图2所示。由图2可知：试样裂纹开口较宽,呈较钝的形态,裂纹深入基体约100 μm；裂纹附近未发现较大型夹杂物,周围显微组织为珠光体＋铁素体,与基体正常组织基本一致；在裂纹较大开口左下方以及右下方均发现了较小的脱碳区域,脱碳区域中发现了黑色斑点状异常物质,推断其为硅锰氧化物。 

图  2  钢板裂纹处显微组织形貌

1.4   扫描电镜(SEM)及能谱分析

在钢板裂纹截面处取样,对试样进行扫描电镜及能谱分析,结果如图3所示。由图3可知：脱碳区域内二次氧化物析出点特征明显,脱碳区域主要含有Si、Mn、O等元素,说明析出物为硅锰氧化物。 

图  3  钢板裂纹截面处SEM形貌及能谱分析结果

在裂纹开口处取样,对试样进行扫描电镜及能谱分析,结果如图4所示。由图4可知：试样中可见2条明显裂纹,裂纹内氧化铁皮与基体接触界面处可见白色物质,白色物质分布在氧化铁皮内,颜色明显异于氧化铁皮的灰棕色；白色物质中含有砷、铜等元素；2条裂纹没有明显开裂走向,只有脱碳及析出物,靠近白色物质处可以观察到沿晶界开裂的现象。 

图  4  钢板裂纹开口处的SEM形貌及能谱分析结果

2.   综合分析

该开裂钢板的裂纹处存在脱碳及内氧化现象,说明钢板在生产过程中处于高温状态。当温度为950～1 200 ℃时,钢板基体中的碳元素会与氧发生反应,并以气体的形式逸出,造成附近基体发生脱碳现象。剩余较低浓度的氧则会进一步深入钢板内部,与脱碳区域中的强氧化性元素硅、锰结合,形成富集硅锰的氧化物颗粒,并沉积于基体中,形成硅锰氧化物析出。该过程通常会发生在钢板的长时间保温环节中[1-3]。该开裂钢板的2条裂纹形成于连铸环节,后经过轧制前的长时间保温而形成了脱碳区域。脱碳区域内析出了硅锰氧化物,说明该区域发生了内氧化现象。该开裂钢板表面宽大裂纹缺口形成原因为：钢板存在原始裂纹,导致轧制过程中钢板不断受到碾压、推展作用,最终导致钢板产生原始裂纹。 

在钢板的2条裂纹处存在砷元素及沿晶开裂现象,说明低熔点元素砷是造成裂纹形成的主要原因。砷元素的氧化位能低于铁元素,且易发生偏聚现象,在二冷段高温冷却及回温过程中,连铸坯中的铁元素优先被氧化,当铁元素的氧化速率大于砷元素在钢基体中的扩散速率时,砷元素会在氧化铁皮与钢基体之间析出,这与裂纹处氧化铁皮内发现较多的砷元素相对应。同时砷元素还是低熔点元素,随着其不断地析出聚集,在连铸坯表面逐渐形成低熔点富集相。 

在钢板的2条裂纹处还发现了铜元素,铜元素和砷元素会相互增强其有害性。砷元素的聚集会降低铜元素在奥氏体中的熔解度,还会降低熔解相的熔点,增大熔解相向晶界扩散的程度,破坏晶界的结合性与连续性[4]。该钢种的加热温度一般为950～1 240 ℃,明显高于铜、砷的熔点,在加热过程中,基体与氧化铁皮界面之间极易形成较多的液态熔融相,液态熔融相不断向晶界渗透,破坏晶界的连续性,降低钢的热塑性。特别是二冷阶段,连铸坯处于较强的氧化气氛中,氧化现象更为严重,更易形成低熔点砷铜富集相。在拉应力的作用下,连铸坯中的液相会浸润晶界,导致表面产生热脆裂纹。在轧制前加热的过程中,带有裂纹缺陷的连铸坯发生脱碳及内氧化现象。在轧制过程中原始裂纹被碾压和扩展,原始裂纹的形态被改变,形成了开口较大的裂纹截面。 

3.   结论及建议

Q355B钢板的原始裂纹形成于连铸坯环节,其产生原因为：连铸坯中残余的砷、铜元素在氧化铁皮与基体之间形成了低熔点的富集相,从而弱化了晶界,破坏了基体的连续性,在拉应力的作用下,导致钢板表面发生开裂现象。 

建议严格控制原材料中砷、铜等有害元素的含量。必要时应采用回归方法进行相关统计,调研铁水、钢水中残余元素含量对铸坯质量的影响,确定相关量化关系。对铸坯氧化铁皮进行清理,避免轧制过程中产生裂纹。在加热过程中加快升温速率,减少在炉加热时间。 

文章来源——材料与测试网