硼微合金化钢铸坯表面横裂纹产生原因及改进措施

李 维

(天津钢铁集团有限公司技术中心, 天津 300301)

硼微合金化钢是以Mn、B为主要合金元素的一种低合金钢。许多研究表明,当钢中硼元素的质量分数大于0.000 5%时,钢的淬透性提高,钢材具有良好的力学性能,因此硼微合金化钢广泛用于石油、机械以及航空设备等领域[1]。

在生产硼微合金化钢的过程中,铸坯表面经常出现裂纹,针对裂纹形成的原因,许多学者对其进行了大量的研究[2-3]。硼微合金化钢铸坯跨角裂纹的形成原因为氮化硼在奥氏体晶界析出,在铸坯矫直过的外力作用下,奥氏体晶界产生裂纹。硼微合金化钢铸坯窄面裂纹的形成原因是结晶器振动参数设置不合理。硼微合金化钢铸坯角部横裂纹的形成原因是连铸过程中浇铸工艺不当,导致钢液二次氧化,铸坯冷却不均匀。硼微合金化钢铸坯宽面横裂纹的形成原因为:在矫直段前的二冷区,铸坯萌生了微裂纹,在矫直过程中,裂纹扩展,最终导致铸坯宽面产生裂纹。硼微合金化钢铸坯表面纵向裂纹的形成原因是钢液浇铸的温度较高,结晶器内钢液流场分布不合理。

某公司生产的硼微合金化钢铸坯表面出现严重的横裂纹,横裂纹集中出现在板坯的宽面,大部分表面横裂纹被氧化铁皮覆盖。在生产过程中,铸坯表面温度较高,肉眼很难发现铸坯横裂纹,导致热轧卷板出现边裂、翘皮等表面缺陷。笔者采用一系列理化检验方法对该裂纹的产生原因进行了分析,并提出了相应解决措施,以避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

在开裂铸坯表面取样,用热酸对试样进行腐蚀,然后对试样进行宏观观察,结果如图1所示。由图1可知:铸坯宽面上可见明显的表面横裂纹,裂纹呈现断续现象,裂纹位于铸坯振痕的波谷处,裂纹沿铸坯宽度方向延伸。

图1 开裂铸坯表面的宏观形貌

在铸坯表面裂纹位置取样,将试样纵向切取厚度1 cm,用铣床铣去厚度3～5 mm,然后用酸对试样进行清洗,观察铸坯皮下的宏观形貌,结果如图2所示。由图2可知:铸坯皮下存在明显的裂纹,裂纹距窄面约4～5 cm。

图2 铸坯皮下的宏观形貌

1.2 化学成分分析

一般情况下,铸坯性能取决于钢中碳元素含量,随着铸坯中碳元素含量升高,铸坯的强度变大、塑性变小,裂纹产生概率变大。当铸坯中碳元素质量分数为0.09%～0.11%时,铸坯最容易产生裂纹。因为当碳元素质量分数约为0．10%时钢液在结晶器内凝固时会发生包晶反应,产生较大的线性收缩,使铸坯的坯壳远离结晶器铜板,坯壳的传热速率变慢,铸坯内部组织变得粗大,且坯壳的生长不均匀,导致其抗变形的能力变差,最终导致铸坯萌生裂纹。

对开裂铸坯进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该铸坯的碳元素质量分数为0.12%,其属于典型的包晶钢。

表1 开裂铸坯的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

在铸坯裂纹附近取样,对试样进行金相检验,结果如图3所示。由图3可知:裂纹附近的原奥氏体组织变得粗大,原因是铸坯发生了包晶反应,使其传热速率变慢,晶粒变大。

图3 裂纹附近的显微组织形貌

1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析

在铸坯裂纹处取样,对试样进行SEM分析,能谱分析结果如图4所示。由图4可知:裂纹附近组织的韧窝里存在圆形颗粒物。

图4 铸坯裂纹处的SEM形貌及能谱分析位置

对圆形颗粒物进行能谱分析,分析位置如图4所示,结果如图5所示。由图5可知:该颗粒物为氮化硼。

图5 圆形颗粒物的能谱分析结果

硼元素在钢中的溶解度低,与钢中晶体缺陷有强烈的相互作用,在奥氏体化或奥氏体化之后的冷却过程中,硼元素易在晶界偏聚,使硼元素在回火马氏体的晶界上与碳元素形成碳化析出相,产生了应力集中。

1.5 热塑性分析

高温下铸坯存在3个热塑性明显变化的脆性区间[4]。第一脆性区间的温度为熔点至1 200 ℃,此时铸坯的塑性和强度较低,因为铸坯在凝固时,枝晶间存在液态的钢液,导致枝晶间的结合力较弱,铸坯内部裂纹主要产生于该温度区间。第二脆性区间的温度为900～1 200 ℃,此时铸坯发生脆化的原因是奥氏体晶界内存在大量脱氧产物,降低了晶界强度,第二脆性区间的典型特征是脆化程度与铸坯应变速率成正比,当铸坯应变速率低于10-2/s时,几乎不会发生脆化现象。铸坯发生顶弯、矫直以及鼓肚变形时,其应变速率均小于10-2/s,因此,一般认为在第二脆性区间内,铸坯很少产生表面裂纹。第三脆性区间的温度为700～900 ℃,此时铸坯发生脆化的原因是奥氏体晶界析出碳氮二相粒子,在α相转变过程中,该粒子在沿奥氏体晶界形成的铁素体膜中析出,使晶界弱化,导致铸坯表面产生裂纹。

对开裂铸坯进行热塑性分析,结果如图6所示。该铸坯断面收缩率为60%时对应的温度分别为747 ℃和875 ℃,因此,该钢的第三脆性区间温度为747～875 ℃。当铸坯温度处于该区间时,铸坯最低的断面收缩率约为40%,此时若铸坯受到外力作用,易产生裂纹。

图6 开裂铸坯的热塑性分析结果

2 综合分析

该含硼钢铸坯表面横裂纹的形成原因为:在凝固过程中,钢液在结晶器内发生包晶反应,导致铸坯初生坯壳的厚度不均匀,随着连铸的进行,坯壳在结晶器内受到摩擦力、热应力、钢水静压力等外力作用,当外力作用超过坯壳的临界强度时,坯壳的薄弱处萌生了微裂纹;随着铸坯温度下降,开始发生γ相向α相转变,含有Al、Nb、V等元素的碳氮化物二相粒子沿奥氏体晶界析出,使晶界弱化;当铸坯进入矫直段时,铸坯的矫直温度为747～875 ℃,在矫直力的作用下,铸坯表面产生横裂纹。

3 改进措施

3.1 铸机设备精度

连铸机的对弧精度直接影响了铸坯的质量,铸机的对弧精度较差会使铸坯在运行过程中受到额外的应力,导致铸坯表面和内部产生缺陷。铸机的对弧精度要求控制在±0.5 mm,但在实际生产中,有个别扇形段的对弧精度超过标准要求,因此应该加强针对对弧的检测和检修,将对弧精度控制在±0.5 mm。

连铸机的开口尺寸对铸坯质量也有重要影响,开口尺寸太大或太小都容易导致铸坯在通过扇形段时,受到额外的应力,进而使铸坯产生质量缺陷。为了提高铸坯表面质量,在实际生产时要加强对连铸机的定检和定修。

3.2 二次冷却制度

随着铸坯的凝固和温度下降,钢液中的氮化物、碳化物逐渐固溶析出,并分布在奥氏体晶界处,当铸坯的二次冷却制度不合理时,氮化物、碳氮化物等二次析出物的间距会变小,导致铸坯的延性变差,铸坯易产生裂纹。

要提高铸坯通过矫直段时的温度,最好的方法为提高拉坯速率,当拉坯速率由0.85 m/min提高至1.00 m/min时,铸坯经过矫直段时铸坯的表面温度分布如表2所示。因此,将连铸拉坯速率控制在1.0～1.2 m/min,可以避免该钢种在第三脆性区间内进行矫直。

表2 不同拉坯速率下铸坯的表面温度分布

3.3 原材料优化

对硼微合金化钢的化学成分进行优化,调整Si、Mn元素的含量,尽量避免该钢种连铸过程中产生包晶反应,降低其裂纹敏感度。

4 结论

硼微合金化钢铸坯表面产生横裂纹的原因为:材料的碳元素含量过高,钢液在结晶器内发生了包晶反应,该钢的二次冷却制度不合理,最终导致铸坯表面产生横裂纹。采用优化原材料、提高拉坯速率、控制铸机精度等方法可以避免该铸坯产生裂纹。