硼微合金化鋼是以Mn、B為主要合金元素的一種低合金鋼。許多研究表明，當鋼中硼元素的質量分數大于0.0005%時，鋼的淬透性提高，鋼材具有良好的力學性能，因此硼微合金化鋼廣泛用于石油、機械以及航空設備等領域。
在生產硼微合金化鋼的過程中，鑄坯表面經常出現裂紋，針對裂紋形成的原因，許多學者對其進行了大量的研究。硼微合金化鋼鑄坯跨角裂紋的形成原因為氮化硼在奧氏體晶界析出，在鑄坯矯直過的外力作用下，奧氏體晶界產生裂紋。硼微合金化鋼鑄坯窄面裂紋的形成原因是結晶器振動參數設置不合理。硼微合金化鋼鑄坯角部橫裂紋的形成原因是連鑄過程中澆鑄工藝不當，導致鋼液二次氧化，鑄坯冷卻不均勻。硼微合金化鋼鑄坯寬面橫裂紋的形成原因為：在矯直段前的二冷區(qū)，鑄坯萌生了微裂紋，在矯直過程中，裂紋擴展，最終導致鑄坯寬面產生裂紋。硼微合金化鋼鑄坯表面縱向裂紋的形成原因是鋼液澆鑄的溫度較高，結晶器內鋼液流場分布不合理。
某公司生產的硼微合金化鋼鑄坯表面出現嚴重的橫裂紋，橫裂紋集中出現在板坯的寬面，大部分表面橫裂紋被氧化鐵皮覆蓋。在生產過程中，鑄坯表面溫度較高，肉眼很難發(fā)現鑄坯橫裂紋，導致熱軋卷板出現邊裂、翹皮等表面缺陷。研究人員采用一系列理化檢驗方法對該裂紋的產生原因進行了分析，并提出了相應解決措施，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗
1.1 宏觀觀察
在開裂鑄坯表面取樣，用熱酸對試樣進行腐蝕，然后對試樣進行宏觀觀察,結果如圖1所示。由圖1可知：鑄坯寬面上可見明顯的表面橫裂紋，裂紋呈現斷續(xù)現象，裂紋位于鑄坯振痕的波谷處，裂紋沿鑄坯寬度方向延伸。
在鑄坯表面裂紋位置取樣，將試樣縱向切取厚度1cm，用銑床銑去厚度3~5mm，然后用酸對試樣進行清洗，觀察鑄坯皮下的宏觀形貌，結果如圖2所示。由圖2可知：鑄坯皮下存在明顯的裂紋，裂紋距窄面約4~5cm。
1.2 化學成分分析
一般情況下，鑄坯性能取決于鋼中碳元素含量，隨著鑄坯中碳元素含量 升高，鑄坯的強度變大、塑性變小，裂紋產生概率變大。當鑄坯中碳元素質量分數為0.09%~0.11%時,鑄坯最容易產生裂紋。因為當碳元素質量分數約為0.10%時鋼液在結晶器內凝固時會發(fā)生包晶反應，產生較大的線性收縮，使鑄坯的坯殼遠離結晶器銅板，坯殼的傳熱速率變慢，鑄坯內部組織變得粗大，且坯殼的生長不均勻,導致其抗變形的能力變差，最終導致鑄坯萌生裂紋。
對開裂鑄坯進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：該鑄坯的碳元素質量分數為0.12%，其屬于典型的包晶鋼。
1.3 金相檢驗
在鑄坯裂紋附近取樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：裂紋附近的原奧氏體組織變得粗大，原因是鑄坯發(fā)生了包晶反應，使其傳熱速率變慢，晶粒變大。
1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
在鑄坯裂紋處取樣，對試樣進行SEM分析，能譜分析結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋附近組織的韌窩里存在圓形顆粒物。
對圓形顆粒物進行能譜分析，分析位置如圖4所示，結果如圖5所示。由圖5可知：該顆粒物為氮化硼。
硼元素在鋼中的溶解度低，與鋼中晶體缺陷有強烈的相互作用，在奧氏體化或奧氏體化之后的冷卻過程中，硼元素易在晶界偏聚，使硼元素在回火馬氏體的晶界上與碳元素形成碳化析出相，產生了應力集中。
1.5 熱塑性分析
高溫下鑄坯存在3個熱塑性明顯變化的脆性區(qū)間。第一脆性區(qū)間的溫度為熔點至1200℃，此時鑄坯的塑性和強度較低，因為鑄坯在凝固時，枝晶間存在液態(tài)的鋼液，導致枝晶間的結合力較弱，鑄坯內部裂紋主要產生于該溫度區(qū)間。第二脆性區(qū)間的溫度為900~1200℃，此時鑄坯發(fā)生脆化的原因是奧氏體晶界內存在大量脫氧產物，降低了晶界強度，第二脆性區(qū)間的典型特征是脆化程度與鑄坯應變速率成正比，當鑄坯應變速率低于10-2/s時，幾乎不會發(fā)生脆化現象。鑄坯發(fā)生頂彎、矯直以及鼓肚變形時，其應變速率均小于10-2/s，因此，一般認為在第二脆性區(qū)間內，鑄坯很少產生表面裂紋。第三脆性區(qū)間的溫度為700~900℃，此時鑄坯發(fā)生脆化的原因是奧氏體晶界析出碳氮二相粒子，在α相轉變過程中，該粒子在沿奧氏體晶界形成的鐵素體膜中析出，使晶界弱化，導致鑄坯表面產生裂紋。
對開裂鑄坯進行熱塑性分析，結果如圖6所示。該鑄坯斷面收縮率為60% 時對應的溫度分別為747℃和875℃，因此，該鋼的第三脆性區(qū)間溫度為747~875℃。當鑄坯溫度處于該區(qū)間時，鑄坯最低的斷面收縮率約為40%，此時若鑄坯受到外力作用，易產生裂紋。
2、綜合分析
該含硼鋼鑄坯表面橫裂紋的形成原因為：在凝固過程中，鋼液在結晶器內發(fā)生包晶反應，導致鑄坯初生坯殼的厚度不均勻，隨著連鑄的進行，坯殼在結晶器內受到摩擦力、熱應力、鋼水靜壓力等外力作用，當外力作用超過坯殼的臨界強度時，坯殼的薄弱處萌生了微裂紋；隨著鑄坯溫度下降，開始發(fā)生γ相向α相轉變，含有Al、Nb、V等元素的碳氮化物二相粒子沿奧氏體晶界析出，使晶界弱化；當鑄坯進入矯直段時，鑄坯的矯直溫度為747~875℃，在矯直力的作用下,鑄坯表面產生橫裂紋。
3、改進措施
3.1 鑄機設備精度
連鑄機的對弧精度直接影響了鑄坯的質量，鑄機的對弧精度較差會使鑄坯在運行過程中受到額外的應力，導致鑄坯表面和內部產生缺陷。鑄機的對弧精
度要求控制在±0.5mm，但在實際生產中，有個別扇形段的對弧精度超過標準要求，因此應該加強針對對弧的檢測和檢修，將對弧精度控制在±0.5mm。
連鑄機的開口尺寸對鑄坯質量也有重要影響，開口尺寸太大或太小都容易導致鑄坯在通過扇形段時，受到額外的應力，進而使鑄坯產生質量缺陷。為了提高鑄坯表面質量，在實際生產時要加強對連鑄機的定檢和定修。
3.2 二次冷卻制度
隨著鑄坯的凝固和溫度下降，鋼液中的氮化物、碳化物逐漸固溶析出，并分布在奧氏體晶界處，當鑄坯的二次冷卻制度不合理時，氮化物、碳氮化物等二次析出物的間距會變小，導致鑄坯的延性變差，鑄坯易產生裂紋。
要提高鑄坯通過矯直段時的溫度，最好的方法為提高拉坯速率，當拉坯速率由0.85m/min提高至1.00m/min時，鑄坯經過矯直段時鑄坯的表面溫度分布如表2所示。因此，將連鑄拉坯速率控制在1.0~1.2m/min，可以避免該鋼種在第三脆性區(qū)間內進行矯直。
3.3 原材料優(yōu)化
對硼微合金化鋼的化學成分進行優(yōu)化，調整Si、Mn元素的含量，盡量避免該鋼種連鑄過程中產生包晶反應，降低其裂紋敏感度。
4、結論
硼微合金化鋼鑄坯表面產生橫裂紋的原因為：材料的碳元素含量過高，鋼液在結晶器內發(fā)生了包晶反應，該鋼的二次冷卻制度不合理，最終導致鑄坯表面產生橫裂紋。采用優(yōu)化原材料、提高拉坯速率、控制鑄機精度等方法可以避免該鑄坯產生裂紋。
作者：李維
單位：天津鋼鐵集團有限公司技術中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第11期
