厚規格耐候鋼表面裂紋缺陷的分析與研究

張振申　夏志升　?！〕⊥跣轮尽⊥踔嗅?/p>

(安陽鋼鐵股份有限公司)

?

厚規格耐候鋼表面裂紋缺陷的分析與研究

張振申夏志升牛超王新志王中岐

(安陽鋼鐵股份有限公司)

針對厚規格耐候鋼板熱軋時出現表面裂紋缺陷，通過研究分析其產生原因，并提出控制方法。結果表明，成分設計時提高Ni:Cu比；采用高溫快燒的加熱工藝，并保證加熱爐呈還原性氣氛；減少軋制道次，提高每道次的壓縮比，通過以上措施能有效降低厚規格耐候鋼板表面裂紋發生的幾率。

厚規格耐候鋼表面裂紋銅

0　概述

耐候鋼是指通過添加銅、磷、鉻、鎳等耐腐蝕合金元素，使其在大氣中或者其他介質中具有良好的耐腐蝕性能的合金鋼。耐候鋼除具有良好的耐腐蝕性外，還具有優良的力學、焊接等使用性能，在國內外廣泛應用于集裝箱、橋梁、鐵路車輛、汽車、鍋爐、煙草、電力、建筑和海洋工程等行業[1]。但耐候鋼產品在研制生產過程中也出現很多問題，在軋制生產耐候鋼中厚板時，尤其厚規格(厚度≥25 mm)時，鋼板表面容易產生微裂紋，影響了產品的質量。

1　表面裂紋形貌特征

厚規格耐候鋼表面裂紋為網狀或曲折狀，如圖1所示。肉眼觀察可見，一般裂紋較淺，寬度在0.1 mm左右，深度在0.3 mm以內。由表面裂紋的宏觀形貌可見，裂紋沿軋制方向延伸，由鋼板表面及內，裂紋逐漸變小，裂紋中未見外來夾雜物。

(a) 宏觀形貌

(b) 微觀形貌

2　厚規格耐候鋼的生產及鋼板表面裂紋產生原因分析

2.1耐候鋼成分及生產工藝

1)化學成分。耐候鋼的化學成分中采用了添加Cr、P、Ni、Cu耐蝕性元素保證產品的耐蝕性能，耐候鋼的化學成分見表1。

表1　Q355GNHB 化學成分

由表1可知，Cu含量在0.30%左右，Ni含量在0.07%，Ni:Cu比為0.23。由于Ni為較貴重合金，Ni含量加入量，需要滿足耐候鋼標準GB/4171-2008中對應的Q355GNH系列鋼的化學成分規定，為節約合金成本，采用了低Ni:Cu比成分體系。

2)板坯加熱。該鋼種由于Cu含量較高，容易產生熱脆等缺陷，加熱時采取高溫快燒的加熱工藝，加熱爐微正壓控制且爐內氣氛采用還原性氣氛。又因該鋼種加入一定量的Ni合金，鋼坯極易由于溫度波動或加熱時間過長，造成板坯表面質量缺陷和表面粘性氧化鐵皮除鱗不凈，因此要避免各段爐溫波動和板坯在爐時間過長，加熱時間一般控制在3 h以內，板坯加熱溫度在1240 ℃～1260 ℃。

3)軋制工藝。耐候鋼采用再結晶區和未再結晶區兩階段控制軋制工藝。板坯開軋溫度為1060 ℃左右，再結晶區軋制溫度控制在1000 ℃以上，通過軋制道次間的反復再結晶，充分細化奧氏體組織。再結晶區軋制完成后，中間坯采用空冷待溫。未再結晶區軋制在950 ℃以下，通過未再結晶區內的變形，增加相變形核位置，未再結晶區累積變形量大于50%。終軋溫度設定為850 ℃以下。

2.2耐候鋼表面裂紋形成機理及原因分析

2.2.1耐候鋼表面裂紋形成機理

由于耐候鋼的成化學成分中加入了一定含量的Cu，因為Cu的熔點為1083 ℃，為低熔點合金元素，在強氧化性氣氛中長時間高溫加熱，存在選擇性氧化，氧化性氣氛下先和鋼坯發生氧化反應，使表層的鐵元素發生燒損，而銅元素相對富集，直至超過其在鐵中的溶解度，就會沿晶界擴散，形成網絡富銅相。這時如果加熱溫度高于銅的熔點1083 ℃時，富銅相達到熔融狀態，達到一定程度時，軋制時就會導致表面開裂，形成裂紋缺陷。裂紋一旦產生，在軋制時，受到軋制切應力的作用下，沿平行于鋼板表面軋制方向擴展，隨著軋制過程的進行，裂紋逐漸被趨于分散變小，裂紋逐漸在軋制力作用下，當軋制壓縮比較大時，軋制力較大，裂紋在軋制過程能夠焊合；當壓縮比較小時，軋制較小，較大的裂紋未能焊合，在鋼板表面就產生裂紋缺陷。

2.2.2厚規格耐候鋼表面裂紋產生原因分析

對表面裂紋進行了金相圍觀形貌觀察，觀察見圖2所示；對裂紋附近進行了多次SEM觀察，SEM見圖3所示，歸一化處理后的結果見表2。

圖2　表面裂紋微觀形貌觀察

從圖1和圖2可以看出，裂紋存在沿晶開裂的特征，裂紋周圍未見明顯的脫碳現象，裂紋附近的組織為鐵素體加少量的珠光體組織，遠離裂紋的組織中的珠光體組織要多于裂紋表面。對比裂紋附近的組織發現，晶粒形狀發生了明顯的畸變，畸變晶粒與原始晶粒差異明顯，又因為脫碳程度較輕(如果鑄坯上有裂紋時，則坯料在加熱過程中將產生嚴重的脫碳現象)，說明表面裂紋是在加熱爐內產生的。

圖3　表面裂紋SEM觀察譜圖

元素重量百分比/%原子量百分比/%C5.0913.04Mn0.870.49Fe65.2535.97O24.8547.82Si0.660.72Cr1.070.63Cu1.570.76其他0.640.57

由圖3和表2可知，裂紋表面為主要成分為FeO的氧化鐵皮，Cu含量達到1.57%，明顯超過熔煉成分中0.32%的含量，說明Cu存在嚴重的富集現象。

結合耐候鋼的成分特點和生產工藝，由金相觀察和SEM結果可見，表面裂紋產生原因主要有三個方面：1)成分中Ni：Cu比為0.23，說明Ni的加入量相對Cu較低，不能使大部分Cu形成高熔點的Cu-Ni復合相，剩余了較多的Cu自由相。2)坯料在加熱爐內加熱不當造成的。本次軋制生產時由于軋制設備原因致停產檢修，導致耐候鋼坯料在爐時間超過5h，且停產檢修期間加熱爐溫進行了降溫處理，部分時間段的爐溫在1100 ℃左右。有研究表明[2,3]：Cu元素在1100 ℃的浸潤性最強，沿奧氏體最容易的滲透最最容易。當加熱溫度達到1300 ℃時，富銅區的Cu元素的濃度降低，液態富Cu相消失；另外，總的加熱時間超過5 h，為液態富Cu相提供了有利條件，使部分Cu以液態形式析出。3)本批次產品為厚規格產品，軋制時的每道次壓縮比相對薄規格較小，因此軋制時的軋制力較小，部分較嚴重的表面裂紋軋制時未能焊合。

3　改進措施

1) 優化成分設計。

提高Ni:Cu比，因為Cu含量在標準中規定了0.25%的下限，且實際化學成分Cu含量控制在下限，只有增加Ni元素的加入量，因為加入一定量的Ni合金，因為Ni和Cu形成高熔點的Cu-Ni復合相，減少了Cu自由相，Ni的加入量為Cu加入量的1/2左右。

2)優化加熱工藝。采用高溫快燒的加熱工藝，同時避免加熱時間過長，加熱時間控制在3 h左右。通過高溫快燒，避開加熱溫度1100 ℃附近的累計加熱時間，可有效的減少液態富Cu相的析出，可大大降低鋼板表面的裂紋產生幾率。

3) 提高軋制生產時每道次的壓縮比。通過減少二階段軋制道次，從而使道次的壓縮比提高了，就大大提高了表面裂紋在軋制時焊合的程度。

采取優化的成分體系的生產工藝后，累計生產量超過1萬噸，耐候鋼鋼板表面裂紋得到有效控制，產品表面質量優異，質量得到市場的認可。

4　結論

1)成分設計時，提高Ni:Cu比，Ni:Cu比提高1/2左右，為Ni和Cu形成高熔點的Cu-Ni復合相，減少了Cu自由相，可以降低厚規格耐候鋼表面產生的幾率。

2)采用合適加熱工藝。采用高溫快燒的加熱工藝，同時保證加熱爐氣氛為還原性氣氛，可有效降低液態富Cu相的析出，可以降低厚規格耐候鋼表面產生的幾率。

3)減少軋制道次，提高每道次的壓縮比，使表面裂紋軋制時焊合的概率大大提高。

[1]錢余海,李自剛,楊阿娜.低合金耐硫酸露點腐蝕鋼的性能和應用[J].特殊鋼, 2005,26(5):30-34.

[2]Shibata K．Surface．Hot Shortness due to Cu in Steel and Its Suppression Without Using Ni[J]．J Jpn Soc Heat Treat，2000，40 (2)：55-62．

[3]Shibata K，Seo S J，Kaga M，et a1．Suppression of Surface Hot Shortness due to Cu in Recycled Steels[J]．Mater Trans，2002，43 (3)：292-300．

ANALYSIS AND RESEARCH ON SURFACE CRACKS OF HEAVY WEATHER RESISTANT STEEL

Zhang ZhenshenXia ZhishengNiu ChaoWang XinzhiWang Zhongqi

( Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

For the surface cracks formed on heavy weather resistant steel during rolling, the paper studied the formation causes and control methods. The results show that the surface cracks on the steel plate were effectively controlled, when raise the ratio of Ni and Cu, adopting high-temperature-rapid-firing and ensuring furnace reducing atmosphere, and decreasing rolling paths and increasing depressing ratio could also reduce edge cracks．

heavy weather resistant steelsurface cracksCu

聯系人：夏志升，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；2016—4—10