張振申　夏志升　牛　超　王新志　王中岐

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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厚規(guī)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(duì)厚規(guī)格耐候鋼板熱軋時(shí)出現(xiàn)表面裂紋缺陷，通過研究分析其產(chǎn)生原因，并提出控制方法。結(jié)果表明，成分設(shè)計(jì)時(shí)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(guī)格耐候鋼板表面裂紋發(fā)生的幾率。

厚規(guī)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(zhì)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(yōu)良的力學(xué)、焊接等使用性能，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)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(yè)[1]。但耐候鋼產(chǎn)品在研制生產(chǎn)過程中也出現(xiàn)很多問題，在軋制生產(chǎn)耐候鋼中厚板時(shí)，尤其厚規(guī)格(厚度≥25 mm)時(shí)，鋼板表面容易產(chǎn)生微裂紋，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1　表面裂紋形貌特征

厚規(guī)格耐候鋼表面裂紋為網(wǎng)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(nèi)。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(nèi)，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(guī)格耐候鋼的生產(chǎn)及鋼板表面裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1耐候鋼成分及生產(chǎn)工藝

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

表1　Q355GNHB 化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)GB/4171-2008中對(duì)應(yīng)的Q355GNH系列鋼的化學(xué)成分規(guī)定，為節(jié)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(chǎn)生熱脆等缺陷，加熱時(shí)采取高溫快燒的加熱工藝，加熱爐微正壓控制且爐內(nèi)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(dòng)或加熱時(shí)間過長，造成板坯表面質(zhì)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(dòng)和板坯在爐時(shí)間過長，加熱時(shí)間一般控制在3 h以內(nèi)，板坯加熱溫度在1240 ℃～1260 ℃。

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

2.2耐候鋼表面裂紋形成機(jī)理及原因分析

2.2.1耐候鋼表面裂紋形成機(jī)理

由于耐候鋼的成化學(xué)成分中加入了一定含量的Cu，因?yàn)镃u的熔點(diǎn)為1083 ℃，為低熔點(diǎn)合金元素，在強(qiáng)氧化性氣氛中長時(shí)間高溫加熱，存在選擇性氧化，氧化性氣氛下先和鋼坯發(fā)生氧化反應(yīng)，使表層的鐵元素發(fā)生燒損，而銅元素相對(duì)富集，直至超過其在鐵中的溶解度，就會(huì)沿晶界擴(kuò)散，形成網(wǎng)絡(luò)富銅相。這時(shí)如果加熱溫度高于銅的熔點(diǎn)1083 ℃時(shí)，富銅相達(dá)到熔融狀態(tài)，達(dá)到一定程度時(shí)，軋制時(shí)就會(huì)導(dǎo)致表面開裂，形成裂紋缺陷。裂紋一旦產(chǎn)生，在軋制時(shí)，受到軋制切應(yīng)力的作用下，沿平行于鋼板表面軋制方向擴(kuò)展，隨著軋制過程的進(jìn)行，裂紋逐漸被趨于分散變小，裂紋逐漸在軋制力作用下，當(dāng)軋制壓縮比較大時(shí)，軋制力較大，裂紋在軋制過程能夠焊合；當(dāng)壓縮比較小時(shí)，軋制較小，較大的裂紋未能焊合，在鋼板表面就產(chǎn)生裂紋缺陷。

2.2.2厚規(guī)格耐候鋼表面裂紋產(chǎn)生原因分析

對(duì)表面裂紋進(jìn)行了金相圍觀形貌觀察，觀察見圖2所示；對(duì)裂紋附近進(jìn)行了多次SEM觀察，SEM見圖3所示，歸一化處理后的結(jié)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(xiàn)象，裂紋附近的組織為鐵素體加少量的珠光體組織，遠(yuǎn)離裂紋的組織中的珠光體組織要多于裂紋表面。對(duì)比裂紋附近的組織發(fā)現(xiàn)，晶粒形狀發(fā)生了明顯的畸變，畸變晶粒與原始晶粒差異明顯，又因?yàn)槊撎汲潭容^輕(如果鑄坯上有裂紋時(shí)，則坯料在加熱過程中將產(chǎn)生嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象)，說明表面裂紋是在加熱爐內(nèi)產(chǎn)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(dá)到1.57%，明顯超過熔煉成分中0.32%的含量，說明Cu存在嚴(yán)重的富集現(xiàn)象。

結(jié)合耐候鋼的成分特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝，由金相觀察和SEM結(jié)果可見，表面裂紋產(chǎn)生原因主要有三個(gè)方面：1)成分中Ni：Cu比為0.23，說明Ni的加入量相對(duì)Cu較低，不能使大部分Cu形成高熔點(diǎn)的Cu-Ni復(fù)合相，剩余了較多的Cu自由相。2)坯料在加熱爐內(nèi)加熱不當(dāng)造成的。本次軋制生產(chǎn)時(shí)由于軋制設(shè)備原因致停產(chǎn)檢修，導(dǎo)致耐候鋼坯料在爐時(shí)間超過5h，且停產(chǎn)檢修期間加熱爐溫進(jìn)行了降溫處理，部分時(shí)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(qiáng)，沿奧氏體最容易的滲透最最容易。當(dāng)加熱溫度達(dá)到1300 ℃時(shí)，富銅區(qū)的Cu元素的濃度降低，液態(tài)富Cu相消失；另外，總的加熱時(shí)間超過5 h，為液態(tài)富Cu相提供了有利條件，使部分Cu以液態(tài)形式析出。3)本批次產(chǎn)品為厚規(guī)格產(chǎn)品，軋制時(shí)的每道次壓縮比相對(duì)薄規(guī)格較小，因此軋制時(shí)的軋制力較小，部分較嚴(yán)重的表面裂紋軋制時(shí)未能焊合。

3　改進(jìn)措施

1) 優(yōu)化成分設(shè)計(jì)。

提高Ni:Cu比，因?yàn)镃u含量在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了0.25%的下限，且實(shí)際化學(xué)成分Cu含量控制在下限，只有增加Ni元素的加入量，因?yàn)榧尤胍欢康腘i合金，因?yàn)镹i和Cu形成高熔點(diǎn)的Cu-Ni復(fù)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(yōu)化加熱工藝。采用高溫快燒的加熱工藝，同時(shí)避免加熱時(shí)間過長，加熱時(shí)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(jì)加熱時(shí)間，可有效的減少液態(tài)富Cu相的析出，可大大降低鋼板表面的裂紋產(chǎn)生幾率。

3) 提高軋制生產(chǎn)時(shí)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(shí)焊合的程度。

采取優(yōu)化的成分體系的生產(chǎn)工藝后，累計(jì)生產(chǎn)量超過1萬噸，耐候鋼鋼板表面裂紋得到有效控制，產(chǎn)品表面質(zhì)量優(yōu)異，質(zhì)量得到市場的認(rèn)可。

4　結(jié)論

1)成分設(shè)計(jì)時(shí)，提高Ni:Cu比，Ni:Cu比提高1/2左右，為Ni和Cu形成高熔點(diǎn)的Cu-Ni復(fù)合相，減少了Cu自由相，可以降低厚規(guī)格耐候鋼表面產(chǎn)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(shí)保證加熱爐氣氛為還原性氣氛，可有效降低液態(tài)富Cu相的析出，可以降低厚規(guī)格耐候鋼表面產(chǎn)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(shí)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(diǎn)腐蝕鋼的性能和應(yīng)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(lián)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(shù)中心；2016—4—10