用SEM分析中厚钢板表面裂纹的成因

采用连铸连轧技术生产的中低碳钢中厚钢板，表面裂纹是其常见表面缺陷之一。由此造成的经济损失十分巨大，成为困扰许多钢厂的重要问题。据统计，仅某中型钢厂去年因检查出表面裂纹而作报废处理的中厚钢板就达数千吨，经济损失近千万。因此，研究中厚钢板表面裂纹产生的原因，找出解决办法，对我国经济建设具有重要意义。本文应用SEM+EDS对中厚钢板表面裂纹的形态特征、显微成分特征以连铸坯表面缺陷的特征等进行综合分析，研究中厚钢板表面裂纹产生的原因，并进而探讨相应的控制措施，避免表面裂纹的产生。

1  分析过程和分析结果

所分析试样取自不同钢厂生产的含表面裂纹的低碳钢中厚钢板和连铸板坯。主要采用SEM的剖面金相分析技术和断口分析技术分析表面裂纹的成因。

常见中厚钢板表面裂纹的外观形状如图1，裂纹开口较粗，裂纹内有高温氧化皮嵌入。从裂纹剖面看见裂纹呈斜向深入基体中(图2)。EDS分析见到裂纹内氧化物主要含Fe和Ca等杂质。

      图1　中厚钢板表面裂纹的外观形貌(Bar=1mm)           图2　中厚钢板表面裂纹剖面的形貌(Bar=100Lm);

在高倍下裂纹及周围组织形态如图3，周围组织脱碳，铁素体组织中弥散分布大量颗粒状杂质。其中细的杂质颗粒主要是Si和Mn的氧化物。因含Si和Mn的颗粒状氧化物弥散分布于晶粒组织中，表明它们不是产生于热轧过程的折叠缺陷，而是由形成于连铸过程的缺陷演化而来的。现场检查出连铸板坯表面的裂纹缺陷如图4，为星状裂纹。在裂纹剖面上看到裂纹是沿初生奥氏体柱状晶界走向，深度达6mm以上。EDS分析见裂纹中除铁的氧化物外，还存在含Ca的杂质。在较高的放大倍率下观察到裂纹前端部位，见有金属铜富集。图5是背散射电子成分像，图中裂纹内的白亮块是金属铜。图4中裂纹附近弥散分布细粒状杂质也是Si和Mn的氧化物。这种弥散分布的杂质与铸坯内部的主要氧化物夹杂的成分是一致的，只是内部夹杂颗粒尺寸远大于裂纹附近的弥散杂质。板坯表面裂纹断口的微观形态如图6，对断面作EDS面分析，结果铜的重量百分含量达219%，表明裂纹面存在薄层的富铜区。

        图3　中厚板裂纹剖面的显微形态(Bar=10Lm)        图4　连铸板坯表面星状裂纹的形貌(Bar=1mm);

       图5　板坯表面星状裂纹的剖面形态(Bar=10Lm)        图6　板坯裂纹断口微观形态(Bar=10Lm)。

2  讨论和结论

分析表明，所分析中厚钢板表面裂纹和连铸板坯表面星状裂纹具有相同的成分特征，中厚板表面裂纹缺陷是源自连铸板坯的表面星状裂纹缺陷。因为铸坯表面缺陷被氧化层覆盖，一般是在经热轧后才在中厚钢板表面暴露出来。

铸坯表面星状裂纹沿初生奥氏体晶界走向，裂纹内有金属铜富集。表明低熔点金属铜的存在，降低了晶界的结合强度，导致凝固过程中晶界被收缩应力拉裂，形成星状裂纹。其中，铜是因凝固坯壳与结晶器铜板间机械磨擦而粘附于坯壳表面的。由于铜的熔点远低于坯壳温度，粘附在坯壳上的铜屑会熔化并沿晶界渗入坯壳内。因为铜富集于裂纹尖端，这里氧化层较薄，且铜的延展性较好，经高温轧制这些裂纹区域可能闭合。裂纹内氧化物较厚的区域，热轧时不能闭合，才形成裂纹。故在中厚钢板表面裂纹中不易见到明显的铜富集区。

裂纹附近弥散分布的细粒状氧化物夹杂，是晶界附近偏聚的杂质(主要为Si和Mn)元素在半凝固条件下发生氧化而形成的。其中，低熔点的晶界裂纹成为向钢液中输送氧的通道。由于表面张力的原因，高温液相中形成的硅锰氧化物倾向于长成较大的尺寸。但是在较低的温度下，则其合并和长大受到较大的阻力，故杂质倾向于呈弥散分布。

采用耐磨耐高温的镀层处理结晶器表面，如铬镍镀层，可以隔断低熔点铜与坯壳的接触，降低凝固坯壳表面温度梯度和板坯表面热应力，防止发生板坯表面裂纹。还可以提高结晶器表面耐磨性，延长结晶器寿命。

参考文献：本文根据“朱衍勇等，用SEM分析中厚钢板表面裂纹的成因，电子显微学报，2000，4”整理