TMCP型超高强钢板中心开裂的分析研究

�生产实践� TMCP型超高强钢板中心 开裂的分析研究 李梅广 � 胡淑娥 (济钢集团有限公司 ) 摘 � 要 � 采用工艺分析、宏观和微观检验等手段对 1 000M Pa级高强钢板轧后中心裂纹的成因进行了研 究。结果表明:引起裂纹的原因, 除了中心偏析、夹杂外,冷却速度过快造成中心马氏体带过多,马氏体体积膨 胀引起钢板中心应力过大也是裂纹形成的主要原因之一。并提出了系列工艺解决措施, 使得高强钢板中心裂 纹率大大降低。 关键词 � 高强钢 � 中心裂纹 � 组织应力 � 低碳马氏体 Analysis and Investigation of Centre Cracking on TMCP Type U ltra H igh Strength Steel Plate L iM e iguang andHu Shue ( J inan Iron and Steel Co. L td) Abstract� Th is paper stud ies the causes of the centre crack ing on 100 kg g rade high streng th p late as ro lled by us ing va rious m ethods such as process ana lys is, m acro and m icro exam ination. The result shows that them a jor causes of cracking a re too m any m artensite lay ers form ed in the p la te centre by the ve ry fast cooling speed, too much stress in the p late centre by the vo lum e expansion of m artensite besides center segrega tion and inclusions. The pape r a lso propo� ses a ser ies o f counterm easures on pro cess, enabling the significant decrease o f the center cracking ratio of high strength steel plate. Keywords� H igh streng th stee,l Center- crack ing, Struc tural stress, Low - carbon ma rtensite 0� 前言 TMCP型高强度钢板是国内外研究和应用十 分广泛的一种新型高强度钢材, 国内外屈服强度 大于 800MPa级别的高强度厚板一般采用调质工 艺生产,其碳含量和合金含量高,低温韧性和焊接 性差, 成本高。为此, 济钢开发了具有自主知识产 权的 1 000MPa级现代 TMCP型高强度钢板。在 项目的工业化过程初期, 用 TMCP工艺轧制的 1 000MPa高强度钢板部分出现中心裂纹。为攻 克这一难关,课题组从以下几个方面进行了深入 细致的研究。 1� 试验材料和实验方法 试样取自现场探伤有裂纹的钢板。钢板生产 工艺如下: 转炉冶炼 VD ( RH )精炼 TMCP轧 制 回火 矫直 探伤。为了准确捕捉到缺陷部 位,利用超声波无损检测仪对钢板的缺陷部位进 行精确定位,按 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 进行取样, 对超声波探伤有裂 纹部位取钢板试样进行逐层刨削、光谱、金相和扫 描电镜、能谱仪等检验。试验材料的化学成分如 表 1所示。 �4� � 第 16卷第 4期2010年 8月 � 宽厚板W IDE AND HEAVY PLATE Vo .l 16. No. 4�� August� 2010� 表 1� 试验材料的化学成分 /% C S i M n P S T i Nb、C r、N i ! 0. 18 ! 0. 60 ! 1. 90 ! 0. 030 ! 0. 025 0. 010~ 0. 035 微量 2� 化学成分、气体分析及轧钢工艺研究 对有裂纹的钢板取样进行实验室化验, 化学 成分和 O、N、H气体 (见表 2)都在正常范围内,排 除了因为化学成分不合或 H等有害气体超标造 成裂纹的因素。对有裂纹的钢板与无缺陷钢板的 轧钢工艺进行比较:发现有裂纹钢板的 ACC冷却 速度大多在 30 ∀ / s以上, 而没有裂纹的钢板冷 速基本在 30 ∀ / s以下。 表 2� 气体分析检测结果 /( # 10- 6 ) O N H 25 48 1. 5 3� 试验结果及分析 3. 1� 金相组织 金相组织见图 1,可以看出,组织均为低碳板 条马氏体和板条贝氏体的混合组织。不同的是, 冷速较大的图 1 ( a)中形成的马氏体组织明显比 冷速较小的图 1( b)中的马氏体组织多。钢淬火 时必然发生体积膨胀,与贝氏体相比,马氏体比容 较大, 而且马氏体相变属于非扩散型相变,相变时 发生较大的体积膨胀,又因为该钢合金元素较多, 因此产生较大的组织应力。 图 1� 金相组织 � � 另外,奥氏体在贝氏体相变中,其机制和马氏 体相变并不完全相同, 形变所形成的位错会阻碍 贝氏体的定向长大,导致贝氏体相变进展迟滞,甚 至停止,呈现力学稳定化 [ 1 ]。分析可知: 图 1( a) 的马氏体组织较多, 与图 1( b)相比, 更容易产生 较大的组织应力, 导致内部裂纹的产生。这是造 成钢板中心裂纹的诱发因素之一。 3. 2� 能谱分析 中心裂纹试样的 SEM形貌及能谱分析结果 见图 2。 由能谱分析可知,分层试样中主要含有 F、S、 Mn、Fe元素,其中 S、Mn元素含量过高,电镜图中 深色条带状区域存在硫化物夹杂, 主要是 MnS化 合物。 由于高强度钢板的 Mn含量较高 ( 1. 5 %以 上 ) ,使固液两相区变宽,钢水保持液态的时间延 长,凝固后期 MnS在两相区析出, 使铸坯偏析和 疏松加剧。另外, M nS的收缩系数比基体大, 所以 在冷却速度较快或者冷却不均匀时, M nS夹杂物 收缩量比基体大,使夹杂物周围容易产生裂纹和 �5�� 第 4期 李梅广等: TMCP型超高强钢板中心开裂的分析研究 � � 图 2� 中心裂纹试样的 SEM形貌及能谱分析 空隙 [ 2]。中心 Mn的偏聚引起钢板厚度中心区域 CCT曲线向右移动,在轧制过程的奥氏体冷却过 程中, 中心部位容易形成贝氏体和马氏体组织,其 硬度及体积变化不同于周围组织, 使钢板内部产 生组织应力,在冷却过程中钢板表面和中心的冷 速不同,容易在钢板内部产生热应力。组织应力 和热应力共同作用,在钢板中心部位存在夹杂物 的条件下,很容易产生微裂。 3. 3� 原位分析 原位分析的原理是以单次火花放电理论及信 号分辨提取技术为基础, 利用火花微束 (探针 )技 术、无预燃连续激发同步扫描定位技术,获得数以 百万计的与材料原位置相对应的各元素原始含量 及状态信息,用统计解析的方法定量表征材料的 偏析度。该技术可以获得金属材料较大尺度范围 内各成分的位置分布、状态分布及定量分布的准 确信息。 对试样中心分层部位做原位分析, 发现试样 中心存在 Mn偏析,结果见图 3。 4� 分析与讨论 4. 1� 锰的中心偏析造成铸坯中含有硫化物夹杂 夹杂物在轧制力的作用下沿轧制方向流动, 最后在钢板上成链状或带状分布。夹杂物的尺寸 越大, 产生的滑移带就越多、越长, 界面上受的应 力就越大,越容易在界面处产生空穴,随着应力的 增加, 空穴之间互相连通, 沿界面形成层隙或微裂 纹 [ 2]。 图 3� 分层试样中心原位分析图 � � 另外,开裂钢板的锰含量较高。众所周知,根 据钢凝固的选分结晶原理,锰为易偏析元素,铸坯 内部必然存在锰的宏观和微观偏析。铸坯轧制之 后出现平行于轧制方向的富锰带和贫锰带 [ 3] , 如 图 3所示。锰的偏析和钼等合金元素的共同作用 提高了钢板芯部的淬透性, 降低了马氏体相变的 临界冷却速度, 导致热轧时钢板芯部组织在较小 的冷却速度下就能发生马氏体转变。马氏体相变 属于非扩散型相变,相变时发生较大的体积膨胀, 产生较大的内应力。偏析造成微区奥氏体化学成 分的差别, 因此不同锰含量的显微区域 M s点不 同,冷却时马氏体转变时间先后不一,在微区出现 很大的显微内应力,导致钢板锰偏析区域首先出 现裂纹。 4. 2� 轧后冷却速度过快导致中心裂纹 轧后冷却速度过快, 则钢板组织中形成的马 �6�� 宽厚板 第 16卷 � 氏体较多,贝氏体偏少,马氏体相变发生较大的体 积膨胀,产生较大应力。另外, 马氏体、贝氏体属 于硬相组织,其变形量很小,在轧制变形过程中, 塑性差的马氏体因为体积膨胀, 阻碍了贝氏体等 组织的进一步变形, 加剧了应力集中。从而导致 在结合力最薄弱的中心偏析区域产生开裂。 5� 改进措施 5. 1� 冶炼改进措施 5. 1. 1� 降低硫含量及采用钙处理 铸坯中硫化物尺寸越大,对钢板的危害越大, 产生中厚板分层的最小硫化物临界尺寸为 5 �m, 小于这个尺寸的硫化物处于半融合状态, 基本上 不会发生变形,对分层没有明显影响。试样中观 察到的 MnS夹杂, 有的长度接近 50 �m。要得到 细小的硫化物夹杂,控制钢中的硫含量和 MnS形 态是关键。当钢中的硫含量降低到 0. 02% 甚 至更低时,可以有效阻止裂纹的产生。另外,将硫 化物进行变性处理,通过喂硅钙丝将硫化物特别 是 MnS控制成球状或不规则角状质点形态,轧制 后可变为对分层危害较小的椭圆形态。 5. 1. 2� 减少成分偏析 ( 1)降低碳含量和锰含量, 采用低磷冶炼工 艺,降低钢水过热度, 选择合理的拉速和二冷工艺 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 , 保证良好的铸机工作状态。 ( 2)为防止偏析的发生, 在精炼结束后中等 强度吹氩搅拌 8 ~ 10 m in, 尽可能使钢水成分均 匀。 ( 3)设置位置合理的中间包挡坝和挡墙, 使 中间包内钢液的流场比较合理, 让钢液在挡坝与 出口之间有稳定的水平流动, 有利于钢中元素的 扩散、均匀化,促使夹杂物上浮。 ( 4)结晶器采用电磁搅拌和轻压下技术, 可 以在很大程度上减少偏析的发生。 ( 5)结晶器采用低碳或无碳型保护渣。 5. 2� 轧钢改进措施 ( 1)在轧制前对轧件采用大压力高压水, 使 铸坯表面与芯部形成较大的温差, 在轧制时芯部 达到高温大压下的目的。 ( 2)初始阶段要求大轧制力, 而粗轧机轧制 能力满足不了这一条件, 因此采取不经过粗轧阶 段,直接采用精轧机轧制。 ( 3)均热炉加热时间延长 20 m in, 以改善铸 坯内部组织。 ( 4)在轧制过程中, 采用大压下规程轧制, 提 高应力应变的渗透率,使铸坯缺陷尽可能焊合,有 利于减少钢板的裂纹缺陷。 ( 5)优化钢板轧后冷却工艺制度, 在 ACC水 冷时, 合理调整上下水比,清理堵塞喷嘴,保证钢 板均匀冷却,减少异常组织的产生, 降低钢板内部 应力。 6� 结语 以上工艺措施在现场应用后,效果显著,高强 钢热轧后出现中心裂纹的几率显著下降, 提高了 板材质量,降低了生产成本,扩大了市场占有率。 参考文献 1� 刘永铨. 钢的热处理M. 北京:冶金工业出版社 1986: 69. 2� 余建文,谭云松.钢板分层问题探讨 [ J] . 锅炉制造, 2001 ( 1 ) 45. 3� Teruo Yam ash ita, Sh iro Torizuk a, K otobu Naga.i E ffect ofM anga� nese on Fine- grain ed Ferrite Stru cture in Low - car- bon Steel S lab s, ISSJ Internationa,l 2003, 43 ( ∃ ) : 1883- 1841. 李梅广, 男, 2006年毕业于山东科技大学金属材料专 业, 硕士, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师。 收稿日期: 2010- 03- 18 �7�� 第 4期 李梅广等: TMCP型超高强钢板中心开裂的分析研究 � �