355 MPa級別低合金鋼板邊部裂紋的原因與改進措施

陳 萌，孫 乾，程欣麗，員強鵬，孟 倩，王治中

（1 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104；3 萊鋼集團藍天商旅車業有限公司，山東 濟南 271104）

1 前 言

低合金鋼是在傳統碳鋼基礎上，添加微量合金或提高原有硅錳含量，達到性能優化的目的。隨著經濟的高速發展，低合金鋼優越的力學性能與較高的性價比，使其在工程機械、船舶、橋梁、壓力容器、車輛工程、各類結構鋼件等領域得到廣泛應用［1-2］。伴隨著低合金鋼服役范疇的不斷擴大，對其性能與交貨狀態更加細化，隨之而來的質量問題層出不窮，鋼板表面邊部微裂紋就是常見問題之一［3］，本研究以30 mm 厚度規格355 MPa 級別低合金鋼板邊部出現微裂紋為研究對象，通過對其進行力學性能檢驗、布氏硬度檢驗，結合金相分析、掃描電鏡觀察對其邊角微小裂紋形成原因進行分析。

2 生產工藝流程與質量要求

355 MPa 級別低合金鋼生產工藝流程：鐵水冶煉→轉爐/電爐煉鋼→LF 精煉→RH 精煉→連鑄→坯料堆冷→坯料加熱→軋制→取樣→檢驗判定→入庫→儲運發貨。

355 MPa級別低合金鋼板化學成分要求及光譜成分如表1 所示。光譜成分采用德國斯派克SPECTROLAB直讀光譜儀對其檢驗所得，取樣位置沿鋼板寬度方向均勻取3塊樣進行光譜成分分析，即為試樣1～3，成分均滿足標準要求。采用UTM-1432 電子式萬能試驗機進行拉伸試驗，采用金建JJ-TEST 落錘沖擊試驗機進行沖擊試驗，檢驗試樣均為橫向拉伸，共3塊，沿鋼板寬度方向均勻取樣，力學性能統計于見表2，力學性能滿足標準要求。

表1 化學成分（質量分數） %

表2 力學性能

為保證鋼板表面質量，按照EN 10163-1-2004相關部分要求，對產品鋼板表面進行外觀檢驗，對存在一定深度或角銳度，以及可能影響鋼板使用的軋痕、劃傷、溝槽、毛刺、裂紋等不連續缺陷均應進行修理?？山邮艿燃墸篊lass A，sub-class 3，即缺陷的修磨面積與修磨后的剩余厚度必須小于相應偏差規定的最小厚度，并且對深度范圍未超過表3所述要求值，不連續缺陷可認為是生產過程中必然產生的，無論數量規格都允許存在。

表3 產品缺陷可允許的最大深度 mm

經對原始鋼板現場通體檢驗，鋼板表面邊部微裂紋不連續，厚度30 mm，滿足表3缺陷最大允許深度＜0.4 mm 的要求，并且未發現氣泡、拉裂、夾雜、結疤等極易帶來應力集中的尖銳缺陷，鋼板可通過修磨達到交付標準要求。為加強鋼板產品表面質量管理，對存在邊部細微裂紋的產品進行檢驗分析。

3 檢驗分析

3.1 表面及金相組織顯微觀察

宏觀上成品鋼板沿軋制方向兩側分布著斷續、不規則細密裂紋，肉眼觀察其深度均在0.5 mm 以內，上、下表面均存在微裂紋，下表面相對嚴重。沿著鋼板邊部任取一塊微裂紋邊樣，經表面清洗后修磨、拋光，采用4%的硝酸酒精腐蝕，采用德國蔡司ZEISS 金相顯微鏡觀察鋼板下表面形貌組織（見圖1），觀察鋼板近表面處顯微組織（見圖2）。

圖1 裂紋微觀形貌

圖2 金相組織

由圖2 可知，顯微鏡下鋼板表面相對平整，裂紋細小繁雜，距表面深度集中在50～100 μm，裂紋末梢未發現延展，存在眾多點狀顆粒析出物。由圖3可知，鋼板近表面組織以珠光體+鐵素體為主，含有少量貝氏體，晶粒細小均勻，晶粒度約為10 級，無偏析及明顯非金屬夾雜物。

圖3 SEM掃描電鏡顯微組織圖

3.2 掃描電鏡與能譜分析

為從微觀角度對裂縫形貌及析出物、夾雜等全面觀察，同時對鋼基體組織微觀形態對比，采用蔡司GeminiSEM-場發射掃描電鏡對裂紋處及鋼基體進行形貌組織觀察，如圖3 所示。對應EDS 能譜，如圖4所示。

圖4 裂紋處成分元素能譜圖

由圖3 可知，裂紋深處存在一定分岔，且分岔末端較鈍，邊部存在一定脫碳，并且析出大量Si-Mn氧化物顆粒；鋼基體組織為珠光體+鐵素體，未發現明顯偏析及貝氏體組織，晶粒整體均勻，與金相組織分析的邊部試樣組織不完全一致，邊部金相樣晶粒更細小，并存在一定貝氏體組織。由圖4可知，裂紋處及其附近已明顯氧化，氧含量較高，伴有明顯氧化物析出，元素主要含Fe、O、C、Mn、Si、Ca等。綜上所述，裂紋內部存在脫碳，并且氧化效果明顯。

3.3 布氏硬度檢驗

為檢驗邊裂鋼板表面與母材性能差異，在鋼板邊部（“邊部樣”）及寬度方向1/4處（“母材樣”），分別取尺寸為50 mm×100 mm的長條試樣，經修磨清理，進行布氏硬度檢驗，檢驗標準參照GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》。采用DECCA德卡HBS-3000全自動數顯布氏布氏硬度計進行硬度檢驗。為保證數據真實性，避免隨機誤差，試樣依次檢驗12數據點，結果統計見圖5（HBW）。由圖5 可知，邊部硬度值明顯高于母材樣，母材位置硬度值小，但硬度值較均勻，波動范圍小，集中在155～162 HBW，邊部集中在181～199 HBW，結合表1 成分分析，邊部與母材成分波動極小，排除成分因素，說明邊部冷速較母材寬度1/4處冷速更快，組織應力更大，這與金相組織分析得到呼應。

圖5 硬度分布

4 邊部微裂紋成因及改進措施

4.1 成因分析

綜上分析，鋼板裂紋存在明顯脫碳及Si-Mn氧化物析出，同時邊部組織較母材硬度值更高，晶粒更細小。實際生產中，形成脫碳要滿足兩個基體條件：（1）需要較高溫度（一般＞700 ℃）；（2）需要保溫足夠長的時間，促進碳原子擴散，與空氣中氧元素充分反應，才能誘發鋼板表面脫碳。鋼板裂紋氧化，且縫隙周圍存在脫碳及點狀氧化物，說明連鑄坯存在原始微裂紋，經過加熱爐二次加熱時，由于加熱較高（保溫段約1 180～1 230 ℃），保溫時間較長（在爐時間約180 min，均熱時間＞40 min），極易導致鑄坯表面原始裂紋與爐中氧氣發生反應，造成氧化、脫碳，并促使Si-Mn氧化物析出及周邊晶粒長大。

國內學者楊義文等［4］研究發現當鋼板中Si 含量為0.05%時，即可誘發內氧化反應，達到0.25%時內氧化極為強烈，試驗用鋼Si 含量為0.23%、0.25%、0.26%，連鑄坯熱裝入爐，爐內均熱溫度可達1 200 ℃，并且保溫時間較長，已達到氧化反應條件，更加促進Fe、Si、Mn等元素的氧化，形成（Fe，Mn）O·SiO2等鐵錳硅酸鹽以及其他氧化物顆粒。綜上所述，試樣鋼板表面微裂紋源自鋼板連鑄坯原始微裂。

4.2 改進措施

為避免或減輕連鑄坯邊角裂紋，提高連鑄坯表面質量，需保證二冷水純凈度，定期檢查二冷水噴嘴是否杜塞，及時疏通，保證連鑄坯均勻冷卻。同時，做好中間包烘烤，中間包內鋼水表面加覆蓋劑，強化保溫效果，減小鋼液熱損失，保證過熱度穩定在12 ℃左右，確保鋼水溫度補償。再者，結晶器非正弦有序振動，拉坯時嚴格控制拉坯速率，做到連鑄坯型與拉速的合理匹配。最后，對250 mm 斷面規格以上的連鑄坯，為保證邊角質量，可下線緩冷后對鑄坯表面進行精整，對連鑄坯表面氧化鐵皮及邊角折疊處進行吹掃清理，可有效提升連鑄坯邊角質量及心部組織均勻性，為后續軋制打下質量基礎，從工序上游減低甚至杜絕產品邊部微裂紋現象。

5 結 語

針對355 MPa 級別低合金鋼板邊部出現微裂紋的實際問題，對其邊部微裂紋試樣進行金相組織觀察、布氏硬度檢驗、掃描電鏡觀察、EDS 能譜檢驗，結果表明，鋼基體組織為珠光體+鐵素體，晶粒度約9.5 級，成分、組織均符合標準要求；裂紋深度30～70 μm，裂紋周邊晶粒明顯長大，并存在氧化鐵皮及Si-Mn 氧化物析出。綜合認為連鑄坯的角部存在原始橫裂紋，經加熱爐二次加熱，造成表面脫碳及氧化物析出，是誘發終端鋼板產品邊角裂紋的主要原因。實際生產中，嚴控鋼水澆筑過熱度，合理控制拉坯速率，采用結晶器非正弦有序振動，并對出現問題的連鑄坯及時下線緩冷精整，強化鑄坯邊角處氧化鐵皮等雜質及缺陷吹掃清理質量，可有效避免該類問題。