陳子坤， 王啟丞， 蔡易辰， 王忠英

(1.鋼鐵研究總院華東分院，江蘇 淮安 223005； 2.安徽鋼研新材料科技有限公司，安徽 蕪湖 241200)

引 言

09CrCuSb是典型的耐硫酸低溫露點腐蝕用鋼。因為該鋼的耐腐蝕性能優(yōu)異，同時具備良好的強(qiáng)度、塑性等力學(xué)性能，故在高含硫煙氣環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用，主要用于抵御含硫煙氣結(jié)露點腐蝕[1]。09CrCuSb鋼在生產(chǎn)中時常出現(xiàn)表面裂紋問題，鑄坯縱裂紋缺陷不僅導(dǎo)致板坯質(zhì)量不合格，缺陷修磨導(dǎo)致成本增加，給鑄坯的熱送熱裝等后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量帶來不良影響[2-3]。近年來，國內(nèi)、外專家學(xué)者對裂紋的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及控制技術(shù)等進(jìn)行了深入研究?；谶B鑄坯表面溫度控制、表層組織控制等裂紋控制理論，開發(fā)形成了包括連鑄坯二冷控制技術(shù)[4-6]、倒角結(jié)晶器[7-8]以及連鑄坯表層組織控制[9-11]等在內(nèi)的一系列連鑄坯角部裂紋控制技術(shù)。也有對保護(hù)渣成分和性能進(jìn)行優(yōu)化從而控制表面裂紋的研究[12-14]。

本文通過對同批次的母材進(jìn)行相應(yīng)的取樣，進(jìn)行金相組織分析、掃描電鏡分析、能譜分析等，對09CrCuSb鋼管外表面存在的缺陷進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究，找到了缺陷產(chǎn)生的原因，同時提出了相應(yīng)的解決辦法。

1 生產(chǎn)工藝概述

某鋼廠生產(chǎn)的09CrCuSb方坯化學(xué)成分如表1所示。采用的生產(chǎn)工藝為：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 爐精煉 → 方坯連鑄機(jī)連鑄→高線控軋控冷。主要參數(shù)為：120 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，120 t LF鋼包精煉爐和3機(jī)3流弧形連鑄機(jī)，連鑄坯斷面尺寸為150 mm×150 mm，結(jié)晶器液面自動控制和電磁攪拌。軋制后部分棒材表面出現(xiàn)了0.1-0.5 mm深度的裂紋，后對同批次未軋制鑄坯進(jìn)行拋丸檢查，在連鑄方坯表面，發(fā)現(xiàn)了局部裂紋現(xiàn)象，裂紋沿表面連續(xù)呈線狀分布，擴(kuò)展方向從表面向內(nèi)部延展，肉眼觀察裂紋有一定的深度。

表1 09CrCuSb鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試樣制備

試樣選取位置為連鑄坯中間段，保證成分均勻，為明確產(chǎn)生裂紋的因素，本文中取6組相同工藝條件下同一批次鋼坯的09CrCuSb鋼種坯樣酸洗。取樣后表面有油污和部分鐵銹，需要對試樣的表面進(jìn)行處理。為了保證試樣表面裂紋不被破壞，將試樣放入10%的檸檬酸溶液中并放入超聲波洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行清洗，以除去裂紋表面的鐵銹和油污；使用無水乙醇清洗檸檬酸浸泡過的試樣，除去表面的檸檬酸之后進(jìn)行烘干。

選取各段鋼坯中內(nèi)弧、外弧、側(cè)弧進(jìn)行取樣分析，取樣如圖1所示。圖1(a)表示取樣的位置位于坯樣的表面，圖1(b)表示同一批次的鋼坯上，分別取內(nèi)弧、外弧、側(cè)弧三塊位置進(jìn)選取的六組試樣使用砂紙打磨光滑進(jìn)行在金相下進(jìn)行裂紋統(tǒng)計，隨后取第三組和第六組試樣拋磨后進(jìn)行金相觀測、電子顯微鏡觀測和能譜分析。

圖1 取樣示意圖

2.2 表面裂紋統(tǒng)計分析

對內(nèi)弧、外弧、側(cè)弧進(jìn)行取樣分析的結(jié)果如圖2所示。

圖2 按裂紋出現(xiàn)位置統(tǒng)計數(shù)目

圖2是按裂紋出現(xiàn)位置統(tǒng)計裂紋出現(xiàn)的規(guī)律，從圖中可以看出，坯樣表面裂紋出現(xiàn)較多，可見09CrCuSb鋼表面高溫塑性較差。且裂紋出現(xiàn)的規(guī)律是內(nèi)弧最容易出現(xiàn)裂紋，出現(xiàn)裂紋的數(shù)量在50條附近，這是因為內(nèi)弧處在壓縮形變的位置，屬于應(yīng)力集中處。外弧的裂紋數(shù)其次，除去6號試樣，裂紋數(shù)量普遍位于35條附近，這是因為外弧位于拉伸形變的位置，拉伸過程中更加容易出現(xiàn)開裂，綜上兩點可以看出，在高溫情況下，收到拉伸和壓縮應(yīng)力的部位更容易開裂。除掉個別情況之外，側(cè)弧的裂紋數(shù)較少，大多數(shù)試驗的外側(cè)裂紋數(shù)都在20條以下，外側(cè)的剪切應(yīng)力不是裂紋產(chǎn)生的主要因素。根據(jù)圖2可以看出在連鑄過程中，應(yīng)力集中的內(nèi)弧和外弧容易產(chǎn)生裂紋。

圖3是按長度統(tǒng)計的裂紋出現(xiàn)規(guī)律。從圖中可以看出，裂紋的長度主要集中在500 μm以下，其中

圖3 按裂紋長度統(tǒng)計數(shù)目

200 μm以下裂紋占一半以上的試樣共有5組，且6組不同坯樣中裂紋總數(shù)相差不多?？梢钥闯雠鳂記]有出現(xiàn)大型開裂的現(xiàn)象，可以明確開裂的原因主要是內(nèi)微觀因素的影響。

2.3 表面裂紋的特征和檢驗分析

從6組試驗之中選取兩組，利用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相分析打磨后的試驗裂紋。再從兩組試樣中各選取一個試樣，打磨光滑后使用拋光膏和清水拋光, 然后使用4%硝酸酒精腐蝕，使用蔡司金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

其中3號樣坯樣內(nèi)弧約有58條裂紋，裂紋深度最深0.94 mm，如圖4(a)所示；坯樣外弧約有27條裂紋，裂紋深度最深0.94 mm，如圖4(b)所示；坯樣側(cè)弧約有21條裂紋，裂紋深度最深0.35 mm，如圖4(c)所示。

圖4 3號坯樣裂紋宏觀形貌

6號坯樣內(nèi)弧約有37條裂紋，裂紋深度最深0.69 mm，如圖5(a)所示；坯樣外弧約有61條裂紋，裂紋深度最深0.62 mm，如圖5(b)所示；坯樣側(cè)弧約有8條裂紋，裂紋深度最深0.43 mm，如圖5(c)所示。

圖5 6號坯樣裂紋宏觀形貌

從圖4和圖5中可以看出，側(cè)弧的裂紋最大深度較淺，不超過0.5 mm，內(nèi)弧和外弧的裂紋深度相差不大，都超過側(cè)弧的裂紋深度。這是由于在連鑄過程中，鋼坯的高溫塑性比較低，導(dǎo)致在軋制過程中內(nèi)、外弧應(yīng)力較大的方向上出現(xiàn)裂紋。

3號坯樣和6號坯樣裂紋及其附近組織如圖6所示，白色與黑色組織分別為鐵素體和珠光體。3號坯樣中裂紋附近及端部白色區(qū)域為鐵素體帶，與基體組織相比，脫碳現(xiàn)象十分嚴(yán)重，這表明裂紋在連鑄時產(chǎn)生，裂紋周圍由于脫碳層的存在，使得材料基體的強(qiáng)度、硬度降低，力學(xué)性能差，在鑄造過程中，受到拉伸或者壓縮的應(yīng)力導(dǎo)致裂紋發(fā)生和延展。從6號坯樣的金相圖可以看出，坯樣表面鐵素體含量較多，但是裂紋附近的組織和基體內(nèi)部相同，這說明裂紋附近沒有出現(xiàn)氧化脫碳的現(xiàn)象，故此裂紋不是在煉鋼過程中產(chǎn)生的，對于6號坯樣來說，表面的脫碳不是其產(chǎn)生裂紋的主要因素。

圖6 裂紋微觀形貌

由于鋼材的組織不是影響裂紋生成的唯一因素，對3號坯樣和6號坯樣中的裂紋進(jìn)行掃描分析，宏觀上元素的分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 裂紋能譜檢測

從圖7中可以看出，兩組試樣中都檢測出了Cu元素，并且6號坯樣(圖7(b))中的大型缺陷處出現(xiàn)了Sb元素，在3號坯樣(圖7(a))中卻沒有檢測到Sb元素的存在，所以推斷Sb元素在裂紋發(fā)生處的富集會產(chǎn)生大型的材料內(nèi)缺陷，從而成為裂紋產(chǎn)生的原因之一；而Cu元素的富集沒有產(chǎn)生大的基體缺陷，是細(xì)小裂紋源產(chǎn)生的原因之一。此外從能譜圖中3號坯樣和6號坯樣均可以看出有Si和O元素的存在，判斷在裂紋中心部位生成了SiO2和FeO等氧化物夾雜，并且能譜分析還顯示材料的基體中存在Mn元素，可以推斷夾雜物主要為硅錳酸鹽，但是整個圖譜之中沒有發(fā)現(xiàn)大型的夾雜物，可以排除大型夾雜物對材料基體的影響，需要更加進(jìn)一步的分析裂紋形成誘因。

針對裂紋中心部位可能生成了SiO2和FeO等氧化物夾雜的情況，采用掃描電鏡對裂紋末端觀察，并且使用能譜對裂紋末端開裂區(qū)域內(nèi)的細(xì)小夾雜物和裂紋邊緣進(jìn)行能譜掃描分析，觀察結(jié)果如圖8所示。

圖8 裂紋末端區(qū)域能譜檢測

圖中可以看出，3號坯樣裂紋內(nèi)有鎂鋁尖晶石類夾雜物，并且夾雜物周圍為鐵的氧化物，能譜顯示氧含量較高?？梢源_定存在氧化物夾雜，并且斷口內(nèi)出現(xiàn)了尖晶石類夾雜物聚集的現(xiàn)象，所以夾雜物是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。在6號坯樣中，沒有出現(xiàn)明顯的夾雜物，但是在能譜分析中可以看到鎂、鋁、氧三種元素的存在，可以推測在基體內(nèi)部同樣存在鎂鋁尖晶石的夾雜，所以夾雜物是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。由于鋼中不含鎂和鋁，所以此類夾雜物為外來夾雜物。

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

該鋼為包晶鋼，且為含Cu，Sb低熔點金屬元素，易在晶界偏聚，裂紋敏感性強(qiáng)，易在鑄坯和軋材表面產(chǎn)生裂紋。含Cu鋼容易產(chǎn)生裂紋，傳統(tǒng)控制裂紋的手段有：1)加Ni形成Ni-Cu高熔點化合物，2)軋制加熱采用還原性氣氛，防止鋼坯表面氧化嚴(yán)重，Cu在晶界富集產(chǎn)生裂紋。本次試制因考慮成本控制，未采取加Ni措施。

通過鑄坯表面裂紋宏觀形態(tài)的觀測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，鋼坯的高溫塑性比較差，導(dǎo)致在軋制過程中內(nèi)、外弧應(yīng)力較大的方向上出現(xiàn)裂紋，這與軋材表面出現(xiàn)的裂紋趨勢相一致。

能譜分析發(fā)現(xiàn)，裂紋附近深處均含有一定量的Cu元素和Sb元素，這說明從宏觀上來看，Cu元素和Sb元素在晶界處的富集是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因之一。

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在裂紋附近沒有發(fā)現(xiàn)大型夾雜物，這說明大型的夾雜物不是導(dǎo)致裂紋的原因。并且能譜分析表明，裂紋內(nèi)的基體為鐵和氧，說明裂紋附近出現(xiàn)了明顯的氧化現(xiàn)象。

在裂紋中心發(fā)現(xiàn)Si元素，是由于在連鑄過程中，由于卷渣氧化等原因使連鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，且軋制時缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生裂紋。

裂紋末端發(fā)現(xiàn)了鎂、鋁、氧三種元素，可以推測在裂紋附近存在鎂鋁尖晶石夾雜，由于鋼中不含鎂和鋁，所以此類夾雜物為外來夾雜物。

4 結(jié)束語

該鋼種含有Cu，Sb兩種低熔點元素，純金屬熔點分別是1083 ℃與630.74 ℃。此鋼冷卻裂紋敏感性高，在連鑄冷卻過程中易產(chǎn)生裂紋，必須采用弱冷慢拉工藝，并做好緩冷。低熔點元素Cu，Sb在熱軋加熱時易在晶界富集，使晶界熔化，在軋制時易發(fā)生表面開裂，按工藝下限控制其含量。

09CrCuSb鋼表面裂紋缺陷是由于連鑄坯高溫塑性差、卷渣氧化、Sb元素富集和鋼水中帶入了鎂、鋁元素造成的，在軋制前經(jīng)加熱爐加熱后軋制發(fā)生破裂及擴(kuò)展，主要出現(xiàn)在坯樣的內(nèi)、外弧應(yīng)力較大的地方。應(yīng)對煉鋼脫氧工藝的優(yōu)化，凈化鋼水質(zhì)量，以及對連鑄工藝等進(jìn)行改進(jìn)，防止卷渣導(dǎo)致氧化夾雜物進(jìn)入鋼中；同時采用低溫軋制工藝，可有效防止表面裂紋形成。