高硅鋼鍛造板坯開裂原因分析及控制措施

顧建林，姚 亮，黃崇德，俞國紅，李少正，湯林輝

（永興特種材料科技股份有限公司，浙江 湖州 313005）

高硅不銹鋼由于其優異的耐高溫濃硫酸、硝酸腐蝕性能，較低的合金成本和良好的力學性能，在化工生產設備中備受關注[1]。除了可以應用在干吸塔的內襯之外，還可在高溫濃硫酸輸送系統中作為泵殼、葉輪及相關管件等的耐腐蝕材料[2，3]。S38815就是其中一種低碳高硅奧氏體不銹鋼。永興材料為了推進硫酸生產裝備升級，提升裝備制造水平，改變S38815主要依賴和受限于進口的局面，投入了大量人力和物力進行開發。目前，已經成功開發生產S38815耐高溫濃硫酸高硅不銹鋼板/棒材，并大量供應下游客戶。

本文主要研究分析了S38815鋼錠鍛造過程中出現開裂現象的原因，并尋找解決辦法，提高鍛造質量，減少修磨損失。

1 試驗材料和方法

我司經過工藝摸索，將S38815板材的工藝路徑定為：配料→電爐初煉→AOD精煉→LF爐外精煉→模鑄（4.5噸鋼錠）→鍛造板坯160×1400mm→板材軋制。鋼錠頭部和尾部經過人工修磨后，整體表面質量良好，未發現裂紋、結疤、夾渣、表面氣泡等表面缺陷。之后使用35MN快速鍛造液壓機將鋼錠鍛打成160×1400mm的板坯，但板坯邊部表面存在有大量裂紋。

為了研究鍛造開裂機理，在板坯邊部裂紋處和中心正常處各切取一塊150×150mm面積的試樣，借助于金相顯微鏡、掃描電鏡以及能譜儀等儀器，對兩處的顯微組織進行檢驗分析對比，尋找開裂原因。

2 試驗結果和分析

2.1 板坯表面宏觀觀察

160×1400 mm鍛造板坯中心處的表面基本沒有缺陷存在，表面質量良好，但在板坯邊部的表面可以發現存在大量鱗片狀氧化皮，氧化皮下存在著條狀裂紋。該裂紋有明顯深度，且長度較長，很難被修磨干凈，明顯為鍛造產生。嚴重時只能切除，顯著降低了產品成材率，增加了生產成本。因此，要進一步做好產品生產成本控制，提高產品效益及市場競爭力，解決板坯邊部裂紋至關重要。

2.2 鋼錠化學成分

鋼錠實際化學成分的光譜分析結果如表1。因為P和S含量的增加，都會導致材料塑性和沖擊韌性明顯降低[4]，所以我司對P、S含量進行了嚴格控制。結果顯示，鋼錠的化學成分完全符合ASTM標準。

2.3 熱力學計算

使用熱力學計算軟件，對S38815的凝固曲線進行了計算，圖1就是S38815主要各相的凝固曲線。從圖1可知，S38815是一種奧氏體不銹鋼，但在高于1182℃和低于640℃時，也會有鐵素體的存在。在600℃～1400℃之間，S38815主要存在三種析出相，分別是G相、chi相和Laves相。G相在1294℃時開始析出，是含硅的析出相，經常出現在高硅不銹鋼中[5]；chi相在1098℃時開始析出，是一種具有體心立方結構的金屬間化合物，富含Mo元素[6]；Laves相在604℃時開始析出，是一種具有六方晶體結構的AB2型金屬間化合物，當它以竹葉狀或大塊狀析出時，將會嚴重降低材料塑性[6]。這三種析出相的析出，都有可能導致材料塑性下降，在熱加工過程中出現開裂。

圖1 S38815主要相的凝固曲線

2.3 金相組織分析對比

圖2為中心正常處的金相組織形貌。從圖中可以看到正常處試樣表面的組織主要是兩種，一種為亮色組織，一種為暗色組織。圖中的暗色組織整體呈條帶狀，內部已開始分解為短條狀和顆粒狀。

表1 ASTM和鋼錠的化學成分（wt%）

為確定具體的金相組織，對亮色組織和暗色組織分別進行EDS成分確認。可以發現，亮色組織中含有0.49%的C，8.09%的 Si，13.01% 的 Cr，57.25% 的 Fe，18.54% 的 Ni，2.63% 的 Mo ；暗色組織中含有0.65%的C，8.34%的Si，13.54%的Cr，50.94%的Fe，15.91%的Ni，4.7%的Mo。兩個組織的元素都是此鋼種的基礎元素，且亮色組織與暗色組織相比，含有更多的Ni，更少的Cr和Mo。再結合圖2的S38815主要相的凝固曲線，可以判斷亮色組織為奧氏體組織，暗色組織為鐵素體組織。

在圖2中還可以發現，板坯表面處存在明顯的鍛造折疊缺陷，但深度不深，只有0.12mm左右，正常修磨就可去除。折疊是金屬變形過程中已氧化的表層金屬匯合到一起而形成的。它可以是由兩股(或多股)金屬對流匯合而形成；也可以是由一股金屬的急速大量流動將鄰近的表層金屬帶著流動，兩者匯合而形成的；也可以是由于變形金屬發生彎曲、回流而形成；還可以使部分金屬局部變形，被壓入另一部分金屬內而形成[7]。

圖3 邊部開裂處的金相組織形貌

圖3為邊部開裂處的金相組織形貌。從圖3中可以發現缺陷處的金相組織同樣為奧氏體和鐵素體。鐵素體大體仍呈條帶狀，但明顯分解的更徹底。除此之外，缺陷附近還存在大量塊狀析出相，這是板坯中心正常處沒有發現的。這是因為，鍛造過程中板坯邊部溫度低，而板坯中間溫度偏高，析出相更容易在板坯邊部析出。

與中心正常處試樣對比，缺陷處試樣表面也存在明顯的折疊缺陷，但裂紋從折疊的尾部又重新往內部生長，導致深度達到0.45mm，遠遠大于正常處的缺陷深度。這是因為析出相的產生導致了周圍應力集中，形成了細小的裂紋源，當折疊出現后，在外力的作用下，折疊尾部容易向內部擴展。

2.4 塊狀析出相分析

為了分析析出相對裂紋的影響，針對板坯邊部裂紋處，使用掃描電鏡進行觀察，如圖4所示。從圖4中可以發現，當裂紋擴展遇到塊狀析出物時，裂紋并沒有停止，而是沿著析出物繼續擴展。塊狀析出物對裂紋擴展起到了積極促進的作用。

為了確定析出相成分，對該析出物進行EDS分析，發現析出相中含有1.63%的C，8.34%的Si，24.91%的Cr，16.07%的Fe，19.7%的Ni，28.48%的Mo。Si成分只比煉鋼成分高了2.43%，說明該析出相不是富硅的G相；從成分上看，這種析出相也不是Laves相這種AB2型金屬間化合物；結合S38815的熱力學計算結果，這種塊狀析出相為富Cr、Si、Mo的bcc結構的chi相[8]。大塊狀的bcc結構析出相在晶界析出，會對材料的熱加工性能產生不利影響，導致開裂產生[9，10]。

圖4 邊部開裂處電鏡觀察

3 工藝改善

針對分析結果，對鍛造工藝進行改善。增加整體鍛造火次，將終鍛溫度從750℃提高至850℃，抑制chi相析出，防止板坯邊部鍛造裂紋產生。工藝改善后，終鍛溫度提高，板坯邊部沒有chi相出現，也沒有明顯的開裂。因板坯邊部表面開裂得到改善，修磨量減少，板坯的成材率提高了3%左右，從而降低了生產成本，提高了公司利潤。

4 結論

（1）不管是在板坯中心還是板坯邊部，表面都存在鍛造折疊。

（2）在鍛造過程中因板坯邊部溫度過低，導致有富Cr、Si、Mo的chi相產生，使得鍛造折疊在外力作用下，繼續向內擴展，裂紋加深。而板坯中心處溫度較高，沒有析出相析出，從而沒有裂紋產生。

（3）后續增加鍛造火次，將終鍛溫度從750℃提高至850℃，抑制了析出相產生，解決了板坯邊部開裂的質量問題，降低了修磨損耗，將板坯的成材率提高了3%。