分享：钢板表面星形裂纹的形成原因

童云峰 

(福建三钢集团有限责任公司 技术中心,三明 365000) 

摘 要:某钢厂生产的钢板表面经常出现星形裂纹,采用宏观观察、金相检验、扫描电子显微镜 分析和能谱分析等方法对该类裂纹产生原因进行分析,得出钢板表面星形裂纹产生的主要原因是 铸坯表面存在气泡、晶间裂纹,或铸坯的低熔点物质选择性氧化或其含量高。最后提出了相应的改 进措施。

关键词:钢板;星形裂纹;气泡;晶间裂纹;低熔点物质 

中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0036-03

某钢厂生产的钢板表面经常出现星形裂纹[1-2], 其为一种类似于簇状或不闭环多边形等形状的较为 复杂、深浅不一、清晰可见的裂纹。该类裂纹一般沿 轧制方向呈带状分布,密集程度不均匀。对于较浅 的星形裂纹,可以用机械方式修磨,对于有较深星形 裂纹的钢板,可以直接判为废品。笔者采用一系列 理化检验方法对该类裂纹的产生原因进行了分析。

1 理化检验 

1.1 宏观观察

如果铸坯表面存在气泡,经轧制后,在钢板表面 就会产生星形裂纹,用盐酸水溶液热酸洗钢板试样, 观察钢板星形裂纹的宏观形貌,发现表面裂纹大部 分闭合且呈水滴状,闭合环内略有塌陷,部分裂纹呈 钩状,钩内侧略有塌陷(见图 滴状、椭圆、无规则闭环等。 1)如果铸坯表面存在晶间裂纹,经轧制后,在钢板表 图2 钢板表面星形裂纹宏观形貌(铸坯表面存在晶间裂纹) 面也会产生星形裂纹。用盐酸水溶液热酸洗钢板试 样,观察钢板星形裂纹的宏观形貌。试样表面裂纹大 部分闭合,开口方向不一致,多边形特征明显(见图2)。

如果铸坯中低熔点物质(如 Cu,Sn,Pb等)选择 性氧化或其含量高,经轧制后,钢板表面也会产生星 形裂纹,裂纹的多边形特征最为明显,一般无钩状特 征,其形态类似皲裂(见图3)。 

1.2 金相检验 

用光学显微镜观察铸坯表面存在气泡的钢板试 样,发现星形裂纹缺陷尾部圆钝,缺陷处干净,周围 无氧化原点(见图4)。用体积分数为4%的硝酸酒 精溶液腐蚀后,发现缺陷处组织为铁素体+珠光体, 且明显观察到两侧组织晶粒大小不均(见图5)。

用光学显微镜观察铸坯表面存在晶间裂纹的钢 板试样,发现在裂纹周围基体中存在大量二次氧化 颗粒,而钢板表面未发现二次氧化颗粒。经体积分 数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后,发现裂纹处组织 为铁素体+珠光体,存在脱碳现象(见图6)。 

对铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的 钢板试样进行金相检验,发现裂纹深约 0.07mm,并向内延伸至0.51mm 处,在裂纹周围基体、裂纹 延伸处均存在大量二次氧化颗粒。用体积分数为 4%的硝酸酒精溶液腐蚀后,发现裂纹头部组织为贝 氏体+铁素体+少量珠光体,存在脱碳现象(见图 7)。 

1.3 能谱分析 

对铸坯表面存在晶间裂纹的钢板试样进行能谱 分析,发现裂纹周围基体中存在二次氧化颗粒,其主要为含锰和硅的氧化颗粒(见图8)。 对铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的 钢板试样进行能谱分析,发现裂纹处存在低熔点元 素 Cu富集(沿着试样表面裂纹的方向延伸聚集) (见图9)。裂纹周围基体及裂纹延伸处均存在大量 二次氧化颗粒,主要为含锰和硅元素的氧化颗粒(见 图10)。 

2 综合分析

对于铸坯表面存在气泡的钢板试样,其显微组 织的形态特征为周围无氧化原点,两侧组织的晶粒 大小不同。说明缺陷为浅表层缺陷,其在轧制时破 裂,造成缺陷两侧组织的晶粒大小不同。一般铸坯 距离皮下10mm 范围内的气泡[3]在轧制过程中会 传到钢板表面并形成缺陷。小气泡在后续轧制过程 中可以愈合,而大气泡则很难愈合。浅层的皮下气泡在轧制过程中破裂形成星形裂纹;皮下很浅的气 泡在铸坯加热时,因烧损而被消除;皮下较深的气泡 在轧制过程中无破裂现象产生,也不会形成星形裂 纹。皮下气泡在轧制过程中,形状由原来的球形、橄 榄形变得扁平,且距表面越来越近,最终破裂形成星 形裂纹。星形裂纹形成后,如轧制过程还在持续,则 部分缺陷会被轧合。 对于铸坯表面存在晶间裂纹的钢板试样,裂纹 周围基体中存在二次氧化颗粒,腐蚀后裂纹处组织 存在脱碳现象。能谱分析结果表明:这些氧化物主 要为含 硅 和 锰 的 氧 化 颗 粒。 二 次 氧 化 颗 粒 的 形 成[1-3]十分缓慢,必须将钢板置于高温下,且较长时 间放置于有氧的环境中。如果钢板处于高温环境的 时间较短,就只能在表皮形成氧化铁[4-5]。如果精轧 和粗轧持续的时间较短,就不能生成二次氧化颗粒。 同时,由于轧制过程中钢板的表面处在氧含量高的 环境下,因此迅速生成了氧化铁保护膜,阻止了氧气 的进入,不能产生二次氧化颗粒。这也可以证明,二 次氧化颗粒不是在轧制过程中产生的,而是在加热 炉内长时间放置产生的,因此该类星形裂纹为铸坯 上的晶间裂纹。 对于铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的 钢板,由能谱分析结果可知:裂纹处发现低熔点元素Cu 富集,就说明该裂纹的产生与Cu元素富集有关。 热轧钢材表面及次表面的 Cu元素富集[4-5]包 含两种机制:一是选择性氧化,选择性氧化的机理是 钢基体中 Cu元素含量较高,当钢坯处在高温时,由 于 Cu元素较 Fe,Si,Mn等元素活泼性差,Si,Mn, Fe等元素首先被选择性氧化,Cu元素残余富集于 氧化铁皮下 的 基 体 中,形 成 Cu 元 素 的 富 集,而 且 Cu原子在高温下有较高的自由能,容易向晶界扩散 并富集在初生的奥氏体晶界上;二是钢坯表面富集 Cu,富集于晶界的机理是 Cu原子在高温下有较高 的自由能,容易向原子排列不整齐的晶界扩散并富 集在初生的奥氏体晶界上。 

3 改进措施 

(1)减少铸坯皮下气泡破裂形成的钢板星形裂 纹的措施为:首先应该通过检测钢坯中的气体总量 来判断气泡是内生的还是外生的。对气体总量高引 起的气泡,应从减少气体总量入手(如加强脱氧),从 而防止在连铸过程中因温度降低而使气体在钢中逸出。对于外生气泡,应该考虑保护渣的干燥度及保 护渣的适应性,以避免气体从外部进入坯表形成皮 下气泡或针孔。 (2)减少铸坯表面存在晶间裂纹形成的钢板星 形裂纹的措施为:判断晶间裂纹的产生工序,对相应 的连铸工艺进行优化和调整。 (3)减少铸坯表面低熔点物质选择性氧化或其 含量高引起的钢板星形裂纹的措施为:控制钢中残 余元素的含量;在1100 ℃以上的高温加热区,保证 炉膛呈还原性或略呈还原性,或者喷涂降低氧化的 涂料,以减轻钢基体的氧化程度;改进连铸工艺和提 高结晶器质量,降低结晶器镀层的破损几率。 4 结语 总结了3种类型钢板星形裂纹的产生原因。根 据其宏观特征、微观特征、缺陷分布、出现几率等,可 区分和判别钢板星形裂纹的特征及根源,以指导钢 厂快速应对生产问题。 

参考文献: [1] 赵鹏,潘清红,邹宗树.Q235钢板表面裂纹形成原因 分析[J].理化检验(物理分册),2016,52(3):4. [2] 祝桂合,万友堂,张继明,等.钢板表面裂纹及氧化物 圆点形成条件模拟试验[J].山东冶金,2012,34(2): 30-33. [3] 许庆太,魏伯,赵晓飞,等.钢板表面纵向裂纹的金相 检验和分析[J].理化检验(物理分册),2006,52(12): 634-636. [4] 祝桂合,蒋雪军.钢板表面裂纹成因分析[J].河北冶 金,2014(3):21-24. [5] 范益,王青峰,杨英,等.低合金钢铸坯高温氧化行为 探讨[J].物理测试,2017,35(2):16-20.

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