钢板表面星形裂纹的形成原因

童云峰

(福建三钢集团有限责任公司 技术中心, 三明 365000)

某钢厂生产的钢板表面经常出现星形裂纹[1-2]，其为一种类似于簇状或不闭环多边形等形状的较为复杂、深浅不一、清晰可见的裂纹。该类裂纹一般沿轧制方向呈带状分布，密集程度不均匀。对于较浅的星形裂纹，可以用机械方式修磨，对于有较深星形裂纹的钢板，可以直接判为废品。笔者采用一系列理化检验方法对该类裂纹的产生原因进行了分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

如果铸坯表面存在气泡，经轧制后，在钢板表面就会产生星形裂纹，用盐酸水溶液热酸洗钢板试样，观察钢板星形裂纹的宏观形貌，发现表面裂纹大部分闭合且呈水滴状，闭合环内略有塌陷，部分裂纹呈钩状，钩内侧略有塌陷(见图1)。塌陷的形态呈水滴状、椭圆、无规则闭环等。

图1 钢板表面星形裂纹宏观形貌(铸坯表面存在气泡)

如果铸坯表面存在晶间裂纹，经轧制后，在钢板表面也会产生星形裂纹。用盐酸水溶液热酸洗钢板试样，观察钢板星形裂纹的宏观形貌。试样表面裂纹大部分闭合,开口方向不一致，多边形特征明显(见图2)。

图2 钢板表面星形裂纹宏观形貌(铸坯表面存在晶间裂纹)

如果铸坯中低熔点物质(如Cu,Sn,Pb等)选择性氧化或其含量高，经轧制后,钢板表面也会产生星形裂纹，裂纹的多边形特征最为明显，一般无钩状特征，其形态类似皲裂(见图3)。

图3 钢板表面星形裂纹宏观形貌(铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高)

1.2 金相检验

用光学显微镜观察铸坯表面存在气泡的钢板试样，发现星形裂纹缺陷尾部圆钝，缺陷处干净，周围无氧化原点(见图4)。用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，发现缺陷处组织为铁素体+珠光体，且明显观察到两侧组织晶粒大小不均(见图5)。

图4 钢板星形裂纹微观形貌(铸坯表面存在气泡)

图5 钢板星形裂纹处显微组织形貌(铸坯表面存在气泡)

用光学显微镜观察铸坯表面存在晶间裂纹的钢板试样，发现在裂纹周围基体中存在大量二次氧化颗粒，而钢板表面未发现二次氧化颗粒。经体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，发现裂纹处组织为铁素体+珠光体，存在脱碳现象(见图6)。

图6 钢板星形裂纹处显微组织形貌(铸坯表面存在晶间裂纹)

对铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的钢板试样进行金相检验，发现裂纹深约0.07 mm，并向内延伸至0.51 mm处，在裂纹周围基体、裂纹延伸处均存在大量二次氧化颗粒。用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，发现裂纹头部组织为贝氏体+铁素体+少量珠光体，存在脱碳现象(见图7)。

图7 钢板星形裂纹处显微组织形貌(铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高)

1.3 能谱分析

对铸坯表面存在晶间裂纹的钢板试样进行能谱分析，发现裂纹周围基体中存在二次氧化颗粒，其主要为含锰和硅的氧化颗粒(见图8)。

图8 钢板裂纹处分析位置及其能谱图(铸坯表面存在晶间裂纹)

对铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的钢板试样进行能谱分析，发现裂纹处存在低熔点元素Cu富集(沿着试样表面裂纹的方向延伸聚集)(见图9)。裂纹周围基体及裂纹延伸处均存在大量二次氧化颗粒，主要为含锰和硅元素的氧化颗粒(见图10)。

图9 钢板裂纹处Cu元素面扫描分布(铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高)

图10 钢板裂纹处分析位置及其能谱图(铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高)

2 综合分析

对于铸坯表面存在气泡的钢板试样，其显微组织的形态特征为周围无氧化原点，两侧组织的晶粒大小不同。说明缺陷为浅表层缺陷，其在轧制时破裂，造成缺陷两侧组织的晶粒大小不同。一般铸坯距离皮下10 mm 范围内的气泡[3]在轧制过程中会传到钢板表面并形成缺陷。小气泡在后续轧制过程中可以愈合，而大气泡则很难愈合。浅层的皮下气泡在轧制过程中破裂形成星形裂纹；皮下很浅的气泡在铸坯加热时，因烧损而被消除；皮下较深的气泡在轧制过程中无破裂现象产生，也不会形成星形裂纹。皮下气泡在轧制过程中，形状由原来的球形、橄榄形变得扁平，且距表面越来越近，最终破裂形成星形裂纹。星形裂纹形成后，如轧制过程还在持续，则部分缺陷会被轧合。

对于铸坯表面存在晶间裂纹的钢板试样，裂纹周围基体中存在二次氧化颗粒，腐蚀后裂纹处组织存在脱碳现象。能谱分析结果表明：这些氧化物主要为含硅和锰的氧化颗粒。二次氧化颗粒的形成[1-3]十分缓慢，必须将钢板置于高温下，且较长时间放置于有氧的环境中。如果钢板处于高温环境的时间较短，就只能在表皮形成氧化铁[4-5]。如果精轧和粗轧持续的时间较短，就不能生成二次氧化颗粒。同时，由于轧制过程中钢板的表面处在氧含量高的环境下，因此迅速生成了氧化铁保护膜，阻止了氧气的进入，不能产生二次氧化颗粒。这也可以证明，二次氧化颗粒不是在轧制过程中产生的，而是在加热炉内长时间放置产生的,因此该类星形裂纹为铸坯上的晶间裂纹。

对于铸坯中低熔点物质选择性氧化或其含量高的钢板，由能谱分析结果可知:裂纹处发现低熔点元素Cu富集，就说明该裂纹的产生与Cu元素富集有关。

热轧钢材表面及次表面的Cu元素富集[4-5]包含两种机制:一是选择性氧化，选择性氧化的机理是钢基体中Cu元素含量较高，当钢坯处在高温时，由于Cu元素较Fe，Si，Mn等元素活泼性差，Si，Mn，Fe等元素首先被选择性氧化,Cu元素残余富集于氧化铁皮下的基体中，形成Cu元素的富集,而且Cu原子在高温下有较高的自由能，容易向晶界扩散并富集在初生的奥氏体晶界上;二是钢坯表面富集Cu，富集于晶界的机理是Cu原子在高温下有较高的自由能，容易向原子排列不整齐的晶界扩散并富集在初生的奥氏体晶界上。

3 改进措施

(1) 减少铸坯皮下气泡破裂形成的钢板星形裂纹的措施为：首先应该通过检测钢坯中的气体总量来判断气泡是内生的还是外生的。对气体总量高引起的气泡，应从减少气体总量入手(如加强脱氧)，从而防止在连铸过程中因温度降低而使气体在钢中逸出。对于外生气泡，应该考虑保护渣的干燥度及保护渣的适应性，以避免气体从外部进入坯表形成皮下气泡或针孔。

(2) 减少铸坯表面存在晶间裂纹形成的钢板星形裂纹的措施为:判断晶间裂纹的产生工序，对相应的连铸工艺进行优化和调整。

(3) 减少铸坯表面低熔点物质选择性氧化或其含量高引起的钢板星形裂纹的措施为：控制钢中残余元素的含量；在1 100 ℃以上的高温加热区，保证炉膛呈还原性或略呈还原性，或者喷涂降低氧化的涂料，以减轻钢基体的氧化程度；改进连铸工艺和提高结晶器质量，降低结晶器镀层的破损几率。

4 结语

总结了3种类型钢板星形裂纹的产生原因。根据其宏观特征、微观特征、缺陷分布、出现几率等，可区分和判别钢板星形裂纹的特征及根源，以指导钢厂快速应对生产问题。