430不锈钢BA板冲压开裂原因分析与改进措施

2022-11-05吴月龙

山东冶金 2022年5期

关键词：偏析铸坯碳化物

李翠，蒋鹏，曹鹏，吴月龙

（山东泰山钢铁集团有限公司，山东济南 271100）

1 前言

铁素体不锈钢的产量占不锈钢总产量的30%左右，因其不含镍，性能优良，使用量逐年增加。430 不锈钢是典型的铁素体不锈钢，具有较好的塑性，深冲性能优良，广泛应用于建筑装饰、餐具、卫生器具、家庭用器具等领域。

某不锈钢厂为国内主要的400 系不锈钢生产基地，其生产的430 不锈钢酸洗板经客户生产BA板后进行冲压制品作业时出现了批量开裂缺陷事件，为查明开裂原因，取样进行检测分析并提出改善措施。

2 开裂样品缺陷分析

2.1 宏观形貌检测结果

图1a 所示为送检样品整体形貌，表面未发现明显的表面凹坑、擦划等缺陷，样品中有5 组冲压制成的圆形结构，其中左侧两组圆形结构深度约15 mm，底部r 弧位置均出现开裂，开裂形貌见图1b，中间的1 组圆形结构和右侧的2 组圆形结构深度均＜12 mm，未出现开裂现象。

图1 样品宏观检测结果

2.2 化学成分检测结果

对样品截取成分样品使用电火花直读光谱仪进行化学成分检测，结果见表1，各元素含量均满足GB/T 4237《不锈钢热轧钢板和钢带》要求。

表1 化学成分检测结果（质量分数）%

2.3 金相检测结果

在断口及附近位置截取金相样品，镶嵌、磨制、抛光后进行金相观察，发现检测面仅有少量的B类夹杂物和C类夹杂物存在，级别均为0.5级，断口附近未发现大尺寸夹杂物，也未发现小尺寸夹杂物聚集现象。

在垂直于断口位置截取金相样品，镶嵌、磨制、抛光后经三氯化铁溶液侵蚀后进行金相检测，结果见图2。远离断口的基体部位组织为铁素体＋碳化物组织，在厚度方向1/4 处发现明显的碳化物偏析条带（见图2a）；断口位置存在明显的变形流线，同样有碳化物偏析现象存在（见图2b）。

图2 断口位置金相检测结果

2.4 扫描电镜能谱检测结果

对断口位置在扫描电镜下观察，结果见图3。断口被分割为两种不同形态的断裂形貌，其中上端2/3 的断口为正常的剪切韧窝断口，能够发现明显的塑形变形痕迹。下端1/3 断口无明显的变形趋势，较为接近脆性断口的特点。对不同断裂形态的结合部位进行观察，发现结合部位底部存在大尺寸的韧窝，韧窝呈线性分布在结合部位；对该韧窝进行观察发现，韧窝底部有明显的颗粒物存在，对颗粒物进行能谱分析发现，颗粒物中Cr 元素含量明显高于基体部位的Cr元素含量，最高接近40%。

图3 断口位置电镜能谱检测结果

将垂直于断口位置金相样品在扫描电镜下进行观察，检测面均发现大量条状腐蚀沟存在，对腐蚀沟位置放大后观察，发现腐蚀沟内部有少量颗粒物残留。对颗粒物进行能谱分析，结果见图4，颗粒物位置Cr元素含量明显高于基体位置的Cr元素含量，Cr元素最大值同样接近40%。

图4 断口位置能谱分析结果

2.5 开裂原因分析

宏观检测断口及附近位置，未发现明显的凹坑及擦划伤等表面缺陷，可基本排除因表面缺陷引起的开裂。化学成分检测结果可知，各元素含量均满足GB/T 4237 规定的范围，可排除因化学成分不合格造成的冲压开裂缺陷。夹杂物检测结果可知，断口及附近位置仅发现少量B 类夹杂物和C 类夹杂物，级别均为0.5 级，未发现大尺寸夹杂物，也未发现夹杂物聚集现象存在，夹杂物控制较好，可以排除因夹杂物因素造成的冲压开裂缺陷。

通过对断口位置和基体部位进行金相检测可知，基体厚度方向1/3位置处存在碳化物偏析条带，断口位置处也存在碳化物偏析现象，断口位置和基体位置的碳化物分布形态基本一致。通过电镜分析发现断口位置存在两种不同的断裂形态，2/3 断口为正常的剪切韧窝断口，存在明显的塑性变形特点，1/3 断口变形量较小，有一定的脆性断口的特点。两种断裂形态的结合部位有大尺寸的韧窝，韧窝底部发现有颗粒物存在，使用能谱对韧窝底部的颗粒物进行微区成分检测，发现颗粒物Cr 元素含量远高于基体部位Cr 元素含量，最高接近40%，由此可判断该结合处即为碳化物偏析处，碳化物实际成分为碳化铬。因碳化物条带硬度较高，易引起应力集中，同时，碳化物的存在会割裂基体，影响材料的延续性，在冲压过程中变形量达到一定的程度就会引起开裂。

2.6 小结

通过系统分析发现，造成材料冲压开裂的直接原因是材料1/3厚度位置存在的碳化物偏析条带降低材料的塑形，变形量达到一定程度后在碳化物偏析条带位置处出现开裂现象。

3 工艺改进措施与验证

3.1 开裂原因追溯

通过上述分析发现，厚度方向1/3 位置处存在的碳化物偏析条带是造成冲压开裂的直接原因。为验证碳化物偏析的分布是否具有偶然性，对该批次生成的430 酸洗板经其他客户制作成的2B 板截取全宽样品1 组，对整个宽度方向截开、镶嵌、磨制、抛光后经三氯化铁溶液腐蚀后进行金相观察，结果见图5。样品两端为正常的铁素体＋碳化物组织，中部位置基体组织同样为铁素体＋碳化物组织，但是在厚度方向1/4至1/3位置处存在明显的碳化物偏析条带。

图5 金相组织检测结果

通过对上述全截面样品金相组织拼接后进行碳化物偏析条带分布规律研究，结果见图6。碳化物偏析基本位于沿中心线两侧1/4至1/3位置处，且全部分布于中部位置，两端未发现碳化物偏析条带，这与上述开裂样品中基体组织中的碳化物偏析条带分布情况基本吻合，即上述冲压开裂缺陷的形成并非偶然，而是与材料组织有着密切的关系。

图6 碳化物条带分布规律图

430热轧板在酸洗前首先在罩式退火炉中进行退火处理，酸洗板冷轧之后也会进行一道退火工艺处理，即从热轧板到BA板之间进行两次退火处理。退火处理过程有助于组织的恢复和碳化物的消散，在BA 板中发现如此明显的碳化物偏析条带，原因只能是铸坯中的碳化物偏析在后续的热轧及退火工序未能完全消除，因此，要改善430 不锈钢2B 板组织中的碳化物偏析需从铸坯入手。

查看该开裂样品对应同批次的铸坯低倍样组织，检测结果见图7。参照YB/T 4003—2016《连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图》进行评级，结果为：中间裂纹1.5级、三角区裂纹0级、角裂纹0级、中心偏析为C0.5 级、中心疏松0.5 级、等轴晶率48.62%。除中间裂纹外其他项目均控制较好，该钢种中间裂纹缺陷一般控制在0.5级以内，该样品1/4厚度位置存在5处明显的中间裂纹缺陷，中间裂纹形貌见图7b，裂纹并非完全连成线状，局部为簇状或点状分布，与常见的应力裂纹有一定差别。

图7 低倍检测结果

对上述低倍样品中间裂纹位置处截取金相样品，磨制、抛光经三氯化铁溶液腐蚀后进行金相观察，结果见图8，发现裂纹末端及附近位置处均发现了数量较多的大颗粒碳化物存在。结合中间裂纹的形态特征，可判断出低倍检测结果中体现出来的中间裂纹缺陷并非常规的应力裂纹缺陷，而是因为碳化物的耐蚀性极差，在低倍侵蚀过程中被率先侵蚀掉表现出的宏观裂纹形貌。通过低倍检测结果以及在低倍样品金相检测过程中发现的碳化物现象的存在，可以充分证明430 不锈钢BA 板中发现的碳化物偏析条带遗传自铸坯中的碳化物。

图8 铸坯样品金相检测结果

3.2 工艺改善措施与验证

由铸坯低倍组织检测结果以及对铸坯样品进行检测结果可知，要从根本上解决430 不锈钢BA板中的碳化物偏析现象，避免再次出现冲压开裂等缺陷，就必须从连铸工艺优化入手，采取如下措施进行改善。

（1）化学成分控制。严格控制钢种成分，尤其注重碳、氮含量的控制。根据试验研究，低碳氮和高碳氮控制相比，高温组织基本一致没有明显的差别，但是室温组织差别极大，低碳氮条件下铸坯室温组织以铁素体为主，仅在晶界存在少量的马氏体组织，但是高碳氮条件下，组织中的马氏体组织为针状马氏体组织且马氏体组织明显粗大，因此，要求严格控制碳氮含量≤300×10-6。

（2）二冷水控制。二冷水强度用比水量来反映，比水量大，说明冷却强度大。比水量小，钢水凝固过程的温度梯度也小，在凝固前沿就会析出更多的晶核，从而在铸坯中达到组织、成分的均匀稳定。从提高430不锈钢板坯中等轴晶率角度考虑，二次冷却制度应采用弱冷工艺，即采用低的比水量。但实际生产中，430不锈钢二冷水比水量过小，容易引起铸坯裂纹缺陷。因此二次冷却水控制2～4区各区间水量＞280 L/min均匀冷却，在电磁搅拌前给予足够的冷却量，5～7区采取缓冷减缓浇注强度。

（3）电磁搅拌控制。电磁搅拌在连铸工序中的工作原理为：强烈的电磁搅拌使得钢水中的温度梯度相对减少，搅拌力破碎已经凝固的树枝晶，形成游离的晶核并增殖，使低倍组织中等轴晶率提高、化学成分均匀，避免偏析现象的发生。搅拌电流越大，磁感应强度的增加越明显，钢液所受的电磁力也就越大，较大的电磁力有利于钢液的搅拌和换热及温度场的均匀化，电磁搅拌力越大，熔体的搅拌越剧烈，剧烈搅拌可促进熔体的换热，搅拌越剧烈，熔体的热交换也越剧烈，温度场也越均匀，也越有利于等轴晶的形成和化学成分的均匀稳定分布。电磁搅拌原控制参数电流为250～300 A、频率4.0～5.0 Hz，为此，需将电磁搅拌电流提高至350 A、频率稳定在5.0 Hz。

工艺改进后，低倍检测结果表明中间裂纹有效控制在≤0.5级，铸坯中的碳化物析出问题得到了有效控制。