鐵素體不銹鋼冷軋橫裂原因分析及工藝改進(jìn)

王永勝，王宏霞，何 敏

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南271100）

1 前言

鐵素體不銹鋼由于其成本低、抗氯化物應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在部分行業(yè)有逐漸取代奧氏體不銹鋼的趨勢(shì)。而430不銹鋼是鐵素體不銹鋼中生產(chǎn)和使用量最大的一種，其應(yīng)用主要集中在家電和汽車等行業(yè)［1-2］。430鐵素體不銹鋼大多數(shù)都是冷軋后再使用，在冷軋過(guò)程中，材料的變形抗力、塑性、韌性等性能都會(huì)發(fā)生顯著變化，而這些性能又往往是冷軋工藝的合理制定和最終高精度冷軋產(chǎn)品獲得的重要參數(shù)。塑性和韌性是設(shè)定道次變形量、前后張力等參數(shù)的重要依據(jù)［3］。

近些年，為降低生產(chǎn)成本，部分廠家對(duì)不銹鋼熱軋鋼帶不經(jīng)退火直接冷軋，在冷軋過(guò)程中時(shí)常出現(xiàn)邊裂，甚至斷帶問(wèn)題。本文針對(duì)冷軋過(guò)程中出現(xiàn)的橫裂問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析，并通過(guò)制定合理的工藝改進(jìn)措施，避免了冷軋過(guò)程中橫裂缺陷的發(fā)生。

2 試驗(yàn)方法

原料規(guī)格為3.5 mm×1 520 mm的430熱軋鋼帶，利用18輥冷軋機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，目標(biāo)軋制厚度為0.26 mm。當(dāng)軋制到0.36 mm時(shí)因橫裂缺陷發(fā)生斷帶，為明確冷軋板橫裂缺陷產(chǎn)生原因，在缺陷部位取樣，進(jìn)行金相和掃描電鏡能譜分析。金相試樣經(jīng)磨制、拋光后，用三氯化鐵溶液侵蝕，利用GX51金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，并采集圖像。采用Sigma500進(jìn)行掃描電鏡檢測(cè)，對(duì)組織異常部位進(jìn)行能譜微區(qū)成分分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀分析

試樣橫裂缺陷長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大部分缺陷為一條條密集的小橫裂紋沿軋制方向呈條帶分布，與正常部位表面狀態(tài)明顯不同。嚴(yán)重的橫裂部位已穿透呈孔洞，裂紋部位較脆，用手即可掰斷。冷軋板橫裂缺陷形貌如圖1所示。

圖1 冷軋板橫裂缺陷形貌

3.2 金相分析

磨制縱向試樣在金相顯微鏡下觀察，試樣上主要存在氧化鋁類夾雜物，評(píng)級(jí)為B1.5級(jí)，典型夾雜物如圖2所示。

圖2 典型夾雜物

觀察橫裂缺陷部位試樣，發(fā)現(xiàn)有的裂紋從表面往基體里擴(kuò)展（見(jiàn)圖3），在裂紋附近未發(fā)現(xiàn)夾雜物等異常現(xiàn)象。試樣腐蝕后，發(fā)現(xiàn)基體上存在條狀偏析帶，且裂紋內(nèi)存在分層現(xiàn)象，分層位置有亮白色的顆粒狀析出物，如圖4所示。

3.3 掃描電鏡能譜分析

掃描電鏡下觀察橫裂缺陷試樣，發(fā)現(xiàn)在條狀偏析帶內(nèi)存在密集的顆粒狀物質(zhì)，如圖5所示。對(duì)圖5顆粒狀析出物進(jìn)行微區(qū)成分分析見(jiàn)圖6，發(fā)現(xiàn)Cr元素含量較高的析出物內(nèi)C、P元素也較高，具體結(jié)果見(jiàn)表1，說(shuō)明該部位顆粒狀物質(zhì)為Cr的碳化物。

圖3 橫裂部位

圖4 裂紋內(nèi)析出物

圖5 偏析帶內(nèi)的析出物

圖6 析出物能譜分析

表1 能譜分析結(jié)果%

3.4 斷口試樣檢測(cè)

在橫裂較嚴(yán)重的部位截取斷口試樣進(jìn)行掃描電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)裂的部位存在塊狀物（見(jiàn)圖7）。由表2的能譜分析結(jié)果可知，該區(qū)域Cr含量較高。未出現(xiàn)明顯橫裂缺陷的部位也存在條帶狀分層現(xiàn)象，經(jīng)分析同樣存在Cr含量高的現(xiàn)象。

圖7 橫裂部位斷口形貌

表2 斷口能譜分析結(jié)果%

通過(guò)對(duì)冷軋板橫裂缺陷試樣分析，在裂紋部位存在Cr含量較高的析出相，這種析出物與前期分析的430中間裂紋處析出物相似，均含有較高的Cr含量，從金相看亮白色的析出物是由板坯內(nèi)部裂紋處偏析所致。

3.5 板坯低倍檢測(cè)

在430板坯上取低倍試樣，經(jīng)檢測(cè)低倍試樣上存在中間裂紋，如圖8所示。通過(guò)對(duì)不同生產(chǎn)批次的板坯低倍檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)均存在中間裂紋，裂紋在1.0～2.0級(jí)，中間裂紋多位于板坯厚度的1/4左右，靠近白亮帶位置。

圖8 板坯低倍檢測(cè)結(jié)果

板坯中間裂紋部位存在網(wǎng)狀分布的碳化物，碳化物周圍存在貧鉻區(qū)，如圖9所示。繼續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，發(fā)現(xiàn)腐蝕5 min左右，碳化物周圍的基體完全被侵蝕，碳化物呈骨架狀，說(shuō)明碳化物的抗腐蝕能力要優(yōu)于其相鄰基體的抗腐蝕能力。當(dāng)碳化物最終失去基體支撐時(shí)脫落，隨著腐蝕時(shí)間的進(jìn)一步增長(zhǎng)，孔洞進(jìn)一步增大［4］。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，鑄坯的裂紋是沿鐵素體和奧氏體相界開(kāi)裂，說(shuō)明受到的外力（熱應(yīng)力、鼓肚力、拉輥壓力、矯直力）超過(guò)了鑄坯的斷裂強(qiáng)度，形成鑄坯中間裂紋，鐵素體晶界上存在大量的碳化物析出相（見(jiàn)圖9），這種沿晶界的析出物將加速裂紋的擴(kuò)展，致使鑄坯更容易發(fā)生脆性斷裂。

圖9 碳化物析出相

對(duì)出現(xiàn)板坯中間裂紋的部位取斷口試樣，對(duì)圖10中各區(qū)域進(jìn)行能譜分析，由表3的能譜分析結(jié)果可知，個(gè)別區(qū)域Cr、P含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基體，且Cr含量高的區(qū)域存在N、V元素，說(shuō)明斷口上存在Cr的C、N化合物析出和P元素偏析現(xiàn)象。

圖10 中間裂紋部位的斷口

4 工藝改進(jìn)措施及實(shí)施效果

4.1 工藝改進(jìn)措施

由分析結(jié)果可知:冷軋板橫裂部位碳化物偏析嚴(yán)重，且偏析條帶和板坯中間裂紋區(qū)域均有較高的P元素，說(shuō)明存在P偏析；推測(cè)冷軋板軋制過(guò)程中出現(xiàn)的橫裂缺陷與板坯中間裂紋缺陷有關(guān)。

表3 板坯中間裂紋區(qū)域能譜分析結(jié)果%

帶液芯的高溫鑄坯在連鑄機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，各種力作用與高溫坯殼上產(chǎn)生的變形超過(guò)了鋼的允許強(qiáng)度和應(yīng)變是產(chǎn)生裂紋的外因，鋼對(duì)裂紋敏感性是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因，而連鑄機(jī)設(shè)備和工藝因素是產(chǎn)生裂紋的條件，板坯內(nèi)各種缺陷如圖11所示。一般認(rèn)為板坯產(chǎn)生中間裂紋的原因主要有以下幾方面:

1）鋼的化學(xué)成分決定了其高溫力學(xué)性能，對(duì)中間裂紋的產(chǎn)生起著決定性的作用，鋼中S、P等雜質(zhì)元素的晶間偏析是鑄坯產(chǎn)生中間裂紋的內(nèi)因，而輥縫收縮、二冷配水曲線、鑄速、鋼水過(guò)熱度是裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的外因。

2）板坯內(nèi)部中間裂紋的主要原因是鑄坯帶液芯矯直時(shí)，在凝固前沿受矯直力作用產(chǎn)生裂紋并沿柱狀晶晶界擴(kuò)展；低拉速和強(qiáng)配水的工藝可以改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，其原因在于低拉速、強(qiáng)配水可以減少鑄坯液芯長(zhǎng)度，同時(shí)強(qiáng)配水可以減輕偏析從而降低鑄坯裂紋敏感性。

3）二次冷卻是影響鑄坯中間裂紋發(fā)生的最主要因素，合理的二冷水量、分布及合適的冷卻強(qiáng)度將大大降低裂紋發(fā)生的頻率和級(jí)數(shù)。采用低溫和強(qiáng)均勻冷卻可以有效控制中間裂紋。

圖11 板坯內(nèi)部缺陷示意圖

板坯的中間裂紋多出現(xiàn)在鑄坯內(nèi)弧，少量出現(xiàn)在外弧，大部分中間裂紋存在于內(nèi)弧表面至鑄坯中心的1/2厚度區(qū)域［5］。根據(jù)低倍所示的裂紋位置，裂紋尖端至鑄坯表面的距離e，參照:

式中:K為凝固系數(shù)；V為拉速，m/mim；H為結(jié)晶器液面到鑄坯產(chǎn)生裂紋所在連鑄機(jī)位置的距離，m。

板坯低倍檢測(cè)可知柱狀晶長(zhǎng)度50～55 mm，裂紋大約起始位置55 mm，終了位置75 mm，通過(guò)上述凝固平方根定律計(jì)算坯殼厚度h=Kt1/2，K=25.5時(shí)，至液面距離為4.65 m、8.65 m，對(duì)應(yīng)鑄機(jī)20#和34#輥的位置。板坯中間裂紋靠近電磁攪拌的白亮線位置，電磁攪拌可以有效減輕合金枝晶微觀偏析。但也有研究表明，如參數(shù)選擇不當(dāng)，熔體的強(qiáng)迫流動(dòng)可能反而會(huì)加重成分偏析。

鑒于板坯中間裂紋的位置，制定以下工藝改進(jìn)措施:

1）提高鑄機(jī)的對(duì)弧精度，避免凝固初期固液界面上應(yīng)力過(guò)大，防止沿晶裂紋的產(chǎn)生，足輥出口對(duì)弧精度0.5 mm，零段出口對(duì)弧精度0.33 mm，一段出口對(duì)弧精度0.27 mm，減小4～11段驅(qū)動(dòng)輥壓力。

2）適當(dāng)加快連鑄速度，通過(guò)提高噴嘴質(zhì)量、噴射角度及在一定范圍內(nèi)增大冷卻水量、提高水的流速、降低水溫等方法實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制冷卻，加強(qiáng)鑄坯表面冷卻的均勻性，減小板坯中心溫度與角部溫度的差異；板坯在500℃附近快速冷卻，避免脆性相的產(chǎn)生，電磁攪拌電流由360 A調(diào)整為300 A，輕壓下由1.9～2.2 mm調(diào)整為1.4～1.6 mm。

3）鋼中硬而脆的第二相顆粒的存在會(huì)影響裂紋的性質(zhì)，鐵素體晶界上存在大量的碳化物析出相，這種沿晶界的析出物將加速裂紋的擴(kuò)展，致使鑄坯更容易發(fā)生脆性斷裂。嚴(yán)格控制鋼種成分，尤其是C、N含量的控制，在不過(guò)分增加生產(chǎn)成本的前提下，要求C+N含量＜300×10-6。

4.2 實(shí)施效果

采取以上措施后，板坯中間裂紋、中心疏松均控制在0.5級(jí)以內(nèi)，等軸晶率達(dá)到50%以上，板坯內(nèi)部質(zhì)量顯著改善，有效消除了430不銹鋼冷軋橫裂缺陷的產(chǎn)生。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析確定，430不銹鋼內(nèi)部存在的碳化物偏析是導(dǎo)致冷軋板橫裂缺陷的主要原因，而碳化物的偏析與板坯中間裂紋缺陷有關(guān)。通過(guò)優(yōu)化電磁攪拌、動(dòng)態(tài)輕壓下和驅(qū)動(dòng)輥壓力等工藝，有效減輕了板坯中間裂紋缺陷，解決了430不銹鋼冷軋過(guò)程中出現(xiàn)的橫裂問(wèn)題。