200系節(jié)鎳奧氏體不銹鋼邊部縱裂成因分析

楊 光，許榮君，田偉光，徐佳林，郭曉蒙，張 鵬

（1.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529533；2.廣東省高端不銹鋼研究院有限公司，廣東 陽江 529533；3.廣東省高品質(zhì)不銹鋼技術(shù)研發(fā)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 陽江 529533）

200 系奧氏體不銹鋼為節(jié)鎳Cr-Mn-N系奧氏體不銹鋼，它是在傳統(tǒng)18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上，使用一定量的Mn與N元素部分替代貴金屬Ni而發(fā)展起來的奧氏體不銹鋼[1]。200系不銹鋼仍然具有室溫全為奧氏體的組織結(jié)構(gòu)，其合金成本相對較低，綜合性能優(yōu)良，能夠滿足大部分家用電器，裝潢材料，化學(xué)，化工等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，且隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)Σ讳P鋼的使用需求越來越大，200系奧氏體不銹鋼的市場將會不斷擴(kuò)大。

但是，200系奧氏體不銹鋼合金含量相對較低，又由于鋼中錳、氮含量高，固溶強(qiáng)化效果強(qiáng)，加工硬化率急劇上升，其高溫塑性也相對于傳統(tǒng)18Cr-8Ni不銹鋼有較大程度的下降，在熱加工過程中容易出現(xiàn)邊裂與表面起皮等缺陷[2]。邊裂與表面起皮等缺陷的存在不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)也降低了產(chǎn)品效益[3]。

本文于存在邊部裂紋缺陷的200系奧氏體不銹鋼熱軋板坯上取樣，利用掃描電鏡觀察裂紋形貌，利用能譜儀對缺陷部位進(jìn)行成分分析，結(jié)合生產(chǎn)過程中煉鋼與熱軋生產(chǎn)的工藝參數(shù)分析其形成原因，并探討200系奧氏體不銹鋼熱軋邊部裂紋的形成機(jī)理，為優(yōu)化200系不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)工藝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文研究對象為1780mm熱軋機(jī)組生產(chǎn)時(shí)取得的200系不銹鋼板坯，在粗軋機(jī)組和精軋機(jī)組不同位置取得熱軋不同變形量的試樣。1#樣厚度30mm（粗軋后精軋前厚度），壓下率85%，2#樣厚度12.8mm，壓下率93.6%，3#樣厚度4.7mm，壓下率97.6%。該不銹鋼試樣的化學(xué)成分經(jīng)過直讀光譜儀，電感耦合等離子體光譜儀（ICP）、碳硫分析儀、氧氮?dú)浞治鰞x（LECOTCH600）進(jìn)行檢測，三次測量取平均值，其平均化學(xué)成分如表1所示。試樣經(jīng)過200目、600目和100目的SiC砂紙逐級打磨后利用金剛石拋光膏進(jìn)行拋光，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌，利用能譜儀對裂紋缺陷部位進(jìn)行成分分析。

表1 實(shí)驗(yàn)用不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂紋宏觀形貌

不同熱軋變形量的熱軋板坯寬面邊部均存在裂紋缺陷，缺陷樣品宏觀形貌如圖1所示，裂紋沿帶鋼軋制方向分布，裂紋缺陷主要分布在鋼帶邊部約15mm的位置，裂紋缺陷形貌為近直線狀，無宏觀分支，局部有起皮現(xiàn)象。隨著熱軋變形量的增加，裂紋缺陷的程度有所減輕，這可能是由于熱軋過程中存在部分裂紋的愈合。

圖1 不同熱軋變形量試樣的裂紋宏觀形貌（a）85%，（b）93.6%，（c）97.6%

2.2 裂紋表面微觀分析

變形量為85%的試樣裂紋微觀分析如圖2所示，宏觀縱裂大裂紋寬度約1mm，大裂紋內(nèi)部凹凸不平，裂紋邊部呈剝落臺階狀。在宏觀裂紋放大處發(fā)現(xiàn)微裂紋，微裂紋寬度小于10μm。對裂紋附近能譜分析發(fā)現(xiàn)成分均為Fe、Cr氧化物，為典型氧化皮成分，無鋼渣如Ca、Mg、Al和保護(hù)渣F、K、Na等成分的夾雜物。

圖2 變形量為85%試樣的裂紋表面微觀形貌

對熱軋變形量更大樣品進(jìn)行掃描電鏡分析，其微觀形貌如圖3所示。觀察發(fā)現(xiàn)邊部裂紋經(jīng)過精軋繼續(xù)軋制后，宏觀裂紋寬度變小，寬度約為0.2mm～0.5mm，且沒有發(fā)現(xiàn)更細(xì)小的微裂紋。對其不同部位進(jìn)行能譜分析結(jié)果顯示各部位成分無明顯差異，為氧化鐵皮成分。可推測裂紋表面附近均為加熱和熱軋制過程中發(fā)生氧化形成的表面氧化物，硬脆的氧化層在劇烈熱變形時(shí)部分發(fā)生剝落。并且隨著熱軋制的進(jìn)行，部分裂紋存在一定的愈合現(xiàn)象，變形量更大的試樣裂紋嚴(yán)重程度較變形量較小的試樣程度低。

圖3 變形量為93.6%和97.6%試樣的裂紋微表面觀形貌

2.3 裂紋橫截面微觀分析

對變形量為85%的試樣裂紋的截面進(jìn)行掃描電鏡與金相組織觀察，其結(jié)果如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)大裂紋內(nèi)部出現(xiàn)多條單獨(dú)向內(nèi)部延伸的微裂紋，如圖4（a）和（b），裂紋無分支，裂紋尖端一直往內(nèi)部延伸，與典型的熱軋鋼卷線鱗缺陷截面形貌不一致，典型線鱗缺陷截面靠近表面處有層狀氧化物[4，5]。對裂紋內(nèi)部能譜成分分析沒發(fā)現(xiàn)鋼渣等夾雜物，無其他元素偏析，均為Fe、Cr、Mn氧化物，這是由于氧元素在熱軋過程中隨著裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)一步入侵基體，造成裂紋內(nèi)部氧化。對裂紋截面金相觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源部位晶粒大小均勻，無沒有明顯長大現(xiàn)象，裂紋尖端以穿晶斷裂的方式向內(nèi)部延伸，如圖4（c）和（d）所示。

圖4 變形量為85%試樣的裂紋截面掃描電鏡圖片和金相圖片

3 討論分析及改善措施

為尋求該200系奧氏體不銹鋼邊部縱裂紋的成因，結(jié)合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以上試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，裂紋形貌為剝落凹坑狀，裂紋表面凹坑以及裂紋尖端內(nèi)部均為基體Fe、Cr、Mn氧化物，其他元素?zé)o明顯偏析，可以排除由于煉鋼夾雜物在熱軋過程產(chǎn)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋[6]。并且經(jīng)過裂紋截面金相觀察，裂紋起始于鋼板的表面，且裂紋源周圍的晶粒組織無明顯長大，排除鋼坯過燒造成導(dǎo)致表面熱塑性降低而產(chǎn)生裂紋的原因[7]。結(jié)合生產(chǎn)大數(shù)據(jù)煉鋼與熱軋的制程工藝分析，該鋼卷的熱軋生產(chǎn)工藝參數(shù)與同時(shí)期其他鋼卷一致，無明顯差異，但出現(xiàn)邊部縱裂紋鋼卷絕大多數(shù)集中在連鑄開澆的第一爐，如圖5（a）所示。經(jīng)對比連鑄生產(chǎn)時(shí)的工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)，開澆守爐的拉速較低，連鑄拉速在上升階段，拉速波動較大，但其結(jié)晶器水量并未隨拉速的變化及時(shí)減小，導(dǎo)致鋼水在結(jié)晶器內(nèi)冷卻強(qiáng)度過大。同時(shí)，如圖5（b）所示數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鋼水過熱度越大，其邊部縱裂發(fā)生比例越高，這是由于200系節(jié)鎳奧氏體不銹鋼相比于傳統(tǒng)18Cr-8Ni奧氏體不銹鋼以及碳鋼具有更大的熱膨脹系數(shù)，其在冷卻過程中體積變化率較大[8]。當(dāng)鋼坯在結(jié)晶器中寬面的冷卻速率比窄面冷卻速率低時(shí)，鋼坯窄面受到壓應(yīng)力，二鋼坯寬面受到拉應(yīng)力，從而容易導(dǎo)致板坯縱向熱裂。因此，原始鋼坯邊部裂紋可能是導(dǎo)致熱軋鋼卷邊部縱裂的原因。經(jīng)過進(jìn)一步提升鋼水的純凈度，嚴(yán)格控制鋼水澆鑄溫度和連鑄拉速，減小連鑄開澆第一爐的連鑄結(jié)晶器水量、優(yōu)化二冷區(qū)的水量分配以及對鋼坯抽檢進(jìn)行邊部探傷，對存在皮下裂紋的鋼坯進(jìn)行修磨處理等方法，目前，200系奧氏體不銹鋼生產(chǎn)過程中的邊部縱裂比例大幅度下降，熱軋鋼卷品質(zhì)得到極大的提升。

圖5 邊部縱裂與連鑄序號和中包溫度相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）200系奧氏體不銹鋼板坯邊部縱裂紋表面以及裂紋截面均無鋼渣和連鑄保護(hù)渣等成分夾雜物，均為基體Fe、Cr、Mn氧化物，且隨著熱軋變形量的增加，裂紋嚴(yán)重程度有所下降。

（2）200系奧氏體不銹鋼板坯邊部縱裂紋的裂紋源周圍晶粒大小均勻，無明顯晶粒異常長大現(xiàn)象，裂紋以穿晶斷裂的方式向內(nèi)延伸。

（3）原始鋼坯邊部裂紋可能是導(dǎo)致熱軋鋼卷邊部縱裂的直接原因，通過進(jìn)一步提升鋼水的純凈度，嚴(yán)格控制鋼水澆鑄溫度和連鑄拉速，合理分配連鑄結(jié)晶器水量、優(yōu)化二冷區(qū)的水量分配等措施，可以有效防止200系奧氏體不銹鋼熱軋邊部縱裂缺陷的發(fā)生。

致謝

感謝基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018B030323018）；廣東揚(yáng)帆計(jì)劃引進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2017YT05C047），廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金項(xiàng)目（163-2018-XMZC-0001-8802324）的支持。