郭 菁，高 宇，龐啟航，張俊凱，王忠軍，李維娟

（1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.鞍山紫竹科技型鋼有限公司，遼寧 鞍山 114000）

隨著我國電力電網(wǎng)的迅速發(fā)展，特高壓輸變電工程對(duì)輸電鐵塔用角鋼的性能提出了更高的要求，尤其是寒冷地區(qū)的輸電鐵塔，不僅要求角鋼具有較高的強(qiáng)度和可焊性，同時(shí)應(yīng)具有良好的低溫沖擊韌性［1］。通常，降低碳含量或碳當(dāng)量可以提高材料的韌性，降低焊接裂紋敏感性，提高鋼材的焊接性能。但碳含量降低使鋼材的強(qiáng)度明顯下降，因此，為了確保鋼材在低C含量的情況下仍然保持較高強(qiáng)度，通常采用微合金化的方式，其中鈮（Nb）作為重要的微合金化元素被廣泛應(yīng)用［2-3］。

Nb是強(qiáng)碳氮化物形成元素，在凝固過程中易于形成穩(wěn)定的碳氮化鈮析出相，可以顯著抑制加熱過程中奧氏體的長大，細(xì)化奧氏體晶粒。同時(shí)，Nb可以有效提高材料的再結(jié)晶溫度，在軋制過程中，固溶在奧氏體中的鈮以碳氮化鈮的形式析出，起到沉淀強(qiáng)化的作用，顯著提高材料的強(qiáng)度。李玉龍［4］研究了鈮對(duì)角鋼和槽鋼低溫韌性的影響，添加鈮元素降低了鋼材的生產(chǎn)成本，同時(shí)通過控軋工藝，使Q355D角鋼-20℃低溫沖擊功滿足GB/T 1591-2018標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到70 J以上。Li等［5］采用俄歇電子能譜和電子背散射衍射研究了鈮在冷卻過程中的奧氏體晶界處的偏析，發(fā)現(xiàn)Nb在晶界處的偏析是隨著缺陷的減少而增加的，其空位的擴(kuò)散和位錯(cuò)的滑動(dòng)可能是Nb偏析的原因。

鈮微合金化可以顯著改善角鋼的力學(xué)性能和可焊性，但國內(nèi)某廠生產(chǎn)的含鈮角鋼腿部裂紋嚴(yán)重，使生產(chǎn)成本增加，使用壽命降低，存在嚴(yán)重的安全隱患。本文針對(duì)其生產(chǎn)的含鈮角鋼裂紋的形成原因進(jìn)行了分析和研究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)材料選用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的腿部存在裂紋缺陷的含鈮角鋼，其化學(xué)成分為：w（C）=0.22%，w（Si）=0.24%，w（Mn）=1.28%，w（P）=0.01%，w（S）=0.006%，w（Nb）=0.014%。采用線切割截取裂紋試樣，運(yùn)用Zeiss Axio Vert.A1掃描電子顯微鏡及附加的EDS能譜儀分析裂紋缺陷區(qū)域的微觀形貌和成分；沿裂紋橫截面切割金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕后觀察金相組織。同時(shí)與相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)工藝、設(shè)備參數(shù)等結(jié)合，深入探討角鋼腿部裂紋的形成原因，并提出改進(jìn)措施。

2 檢測(cè)結(jié)果及討論

某廠生產(chǎn)的含鈮角鋼腿部裂紋的SEM照片和線掃描分析如圖1所示。通過線掃描發(fā)現(xiàn)，裂紋內(nèi)部與邊緣存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，其周圍亦分布了大量的氧化物質(zhì)點(diǎn)，C分布不均勻，裂紋內(nèi)存在明顯的C偏析。

圖1 角鋼裂紋微觀SEM照片和EDS線掃描Fig.1 SEM image and EDS result of angle steel crack

圖2為角鋼正常部位組織和裂紋的金相照片。角鋼微觀組織為鐵素體加珠光體，裂紋內(nèi)部填充了大量氧化物，邊緣存在輕微脫碳現(xiàn)象。

圖2 角鋼微觀組織金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographic images of angle steel microstructure

圖3為角鋼腿部裂紋高倍SEM照片。裂紋內(nèi)部分布了大量球型氧化物顆粒，根據(jù)EDS能譜分析，球型顆粒主要為FeO。

圖3 角鋼腿部裂紋高倍SEM照片F(xiàn)ig.3 High magnification SEM images of crack located on leg of angle steel

角鋼裂紋內(nèi)部存在嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，周圍顯現(xiàn)大量的氧化物質(zhì)點(diǎn)，縫隙邊緣并伴隨輕微脫碳，說明角鋼腿部裂紋在軋制前就已經(jīng)存在，并在連鑄坯加熱保溫過程中發(fā)生氧化脫碳，致使裂紋處氧含量較高，形成較多氧化物夾雜，其與鋼具有不同的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，在軋制過程中不能焊合而使裂紋進(jìn)一步發(fā)展［6］。

連鑄坯在長時(shí)間高溫加熱和保溫過程中，表面易于氧化和脫碳［7］。長時(shí)間高溫下，空氣中的氧向鋼中擴(kuò)散，鋼中的鐵由內(nèi)向外擴(kuò)散并與進(jìn)入鋼中的氧結(jié)合生成氧化亞鐵。通常脫碳和氧化同時(shí)進(jìn)行，鋼的脫碳需要在800℃以上溫度加熱并長時(shí)間保溫以使C原子有充分的時(shí)間擴(kuò)散到表面，與空氣中氧結(jié)合，形成含碳?xì)怏w，從而使表面脫碳［8］。但只有當(dāng)C原子的擴(kuò)散速度較Fe原子的擴(kuò)散速度大時(shí)，脫碳現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)，而鐵原子的氧化速度較大時(shí)，脫碳現(xiàn)象并不明顯［9］。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［10-11］，鋼水的凝固過程包含3個(gè)脆性溫度區(qū)，分別是從凝固點(diǎn)~1 200℃的第I脆性溫度區(qū)，從1 200~900℃的第II脆性溫度區(qū)以及900~700℃的第III脆性溫度區(qū)，鈮元素對(duì)溫度區(qū)間I、II的脆化現(xiàn)象并無直接影響，但對(duì)第III脆性溫度區(qū)的脆化現(xiàn)象影響明顯，因此，鈮元素在第III區(qū)間的脆化與鑄坯裂紋有密切關(guān)系。含鈮鋼鑄坯產(chǎn)生橫裂紋的機(jī)率要明顯高于傳統(tǒng)普碳鋼，凝固過程中，沿晶界析出的碳氮化鈮會(huì)弱化晶界強(qiáng)度，導(dǎo)致鑄坯易于形成橫裂紋和角部裂紋［12］。

3 改進(jìn)措施

（1）改變二冷冷卻工藝。通過調(diào)整二冷各段的配水量，弱化二冷的冷卻強(qiáng)度，從而使含鈮鋼鑄坯進(jìn)矯直段的溫度提高到第III脆性溫度區(qū)以上，降低裂紋的形成。通常鑄坯由上至下采用從強(qiáng)到弱的冷卻原則，外弧配水量與上內(nèi)弧為1：1~1.6：1的比例分配各支路的水量。同時(shí)，在靠近矯直段，將現(xiàn)有二冷配水量均勻減少10%，提高矯直段前的鑄坯表面溫度。

（2）降低N含量和鈦微合金化。N含量過高會(huì)促使NbN在第III脆性溫度區(qū)范圍析出，此溫度也基本處于矯直段溫度范圍內(nèi)，在應(yīng)力作用下，誘發(fā)鑄坯表面形成裂紋。因此N含量的高低，影響了氮化鈮或碳氮化鈮的析出，從而對(duì)鑄坯表面裂紋的形成產(chǎn)生影響。鈦是強(qiáng)碳、氮化物形成元素，在凝固過程中N會(huì)優(yōu)先在高溫段與Ti形成TiN，從而避免了鈮析出相在第III脆性溫度區(qū)范圍內(nèi)的析出，減少裂紋的形成。為此，企業(yè)加強(qiáng)了煉鋼過程中氮含量的控制，使鋼水中的氮含量降低到4×10-5以下，并通過Ti（0.01%）微合金化，抑制裂紋產(chǎn)生。

（3）優(yōu)化結(jié)晶器工藝。鑄坯橫向裂紋通常會(huì)在結(jié)晶器振痕底部形成，因?yàn)檎窈鄣撞吭谌笨谛?yīng)的作用下極易形成應(yīng)力集中。通常，結(jié)晶器振幅越大、負(fù)滑脫時(shí)間越長、振幅頻率越低則振痕深度越深。因此，采用結(jié)晶器振動(dòng)高頻化的方法，根據(jù)拉坯速度，選用相應(yīng)的振頻曲線，獲得較高的振頻，以減少振痕深度，防止橫向裂紋的形成。

4 結(jié)論

國內(nèi)某廠生產(chǎn)的含鈮角鋼裂紋處存在嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，裂紋內(nèi)部分布了較多球型氧化物顆粒，邊緣存在輕微脫碳現(xiàn)象，周邊亦發(fā)現(xiàn)大量氧化物質(zhì)點(diǎn)。含鈮鋼在連鑄過程中既已形成裂紋，軋制過程中，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。鈮是裂紋敏感性元素，易于在第III脆性溫度區(qū)范圍內(nèi)沿晶界析出碳氮化鈮，弱化晶界強(qiáng)度，使鑄坯形成橫裂紋或角裂紋。弱化二冷的冷卻強(qiáng)度，調(diào)整二冷區(qū)各段的配水量，優(yōu)化結(jié)晶器工藝或者鈦微合金化的方法可以避免裂紋的形成。