高硅钢锻造板坯开裂原因分析及控制措施

顾建林，姚 亮，黄崇德，俞国红，李少正，汤林辉

（永兴特种材料科技股份有限公司，浙江 湖州 313005）

高硅不锈钢由于其优异的耐高温浓硫酸、硝酸腐蚀性能，较低的合金成本和良好的力学性能，在化工生产设备中备受关注[1]。除了可以应用在干吸塔的内衬之外，还可在高温浓硫酸输送系统中作为泵壳、叶轮及相关管件等的耐腐蚀材料[2，3]。S38815就是其中一种低碳高硅奥氏体不锈钢。永兴材料为了推进硫酸生产装备升级，提升装备制造水平，改变S38815主要依赖和受限于进口的局面，投入了大量人力和物力进行开发。目前，已经成功开发生产S38815耐高温浓硫酸高硅不锈钢板/棒材，并大量供应下游客户。

本文主要研究分析了S38815钢锭锻造过程中出现开裂现象的原因，并寻找解决办法，提高锻造质量，减少修磨损失。

1 试验材料和方法

我司经过工艺摸索，将S38815板材的工艺路径定为：配料→电炉初炼→AOD精炼→LF炉外精炼→模铸（4.5吨钢锭）→锻造板坯160×1400mm→板材轧制。钢锭头部和尾部经过人工修磨后，整体表面质量良好，未发现裂纹、结疤、夹渣、表面气泡等表面缺陷。之后使用35MN快速锻造液压机将钢锭锻打成160×1400mm的板坯，但板坯边部表面存在有大量裂纹。

为了研究锻造开裂机理，在板坯边部裂纹处和中心正常处各切取一块150×150mm面积的试样，借助于金相显微镜、扫描电镜以及能谱仪等仪器，对两处的显微组织进行检验分析对比，寻找开裂原因。

2 试验结果和分析

2.1 板坯表面宏观观察

160×1400 mm锻造板坯中心处的表面基本没有缺陷存在，表面质量良好，但在板坯边部的表面可以发现存在大量鳞片状氧化皮，氧化皮下存在着条状裂纹。该裂纹有明显深度，且长度较长，很难被修磨干净，明显为锻造产生。严重时只能切除，显著降低了产品成材率，增加了生产成本。因此，要进一步做好产品生产成本控制，提高产品效益及市场竞争力，解决板坯边部裂纹至关重要。

2.2 钢锭化学成分

钢锭实际化学成分的光谱分析结果如表1。因为P和S含量的增加，都会导致材料塑性和冲击韧性明显降低[4]，所以我司对P、S含量进行了严格控制。结果显示，钢锭的化学成分完全符合ASTM标准。

2.3 热力学计算

使用热力学计算软件，对S38815的凝固曲线进行了计算，图1就是S38815主要各相的凝固曲线。从图1可知，S38815是一种奥氏体不锈钢，但在高于1182℃和低于640℃时，也会有铁素体的存在。在600℃～1400℃之间，S38815主要存在三种析出相，分别是G相、chi相和Laves相。G相在1294℃时开始析出，是含硅的析出相，经常出现在高硅不锈钢中[5]；chi相在1098℃时开始析出，是一种具有体心立方结构的金属间化合物，富含Mo元素[6]；Laves相在604℃时开始析出，是一种具有六方晶体结构的AB2型金属间化合物，当它以竹叶状或大块状析出时，将会严重降低材料塑性[6]。这三种析出相的析出，都有可能导致材料塑性下降，在热加工过程中出现开裂。

图1 S38815主要相的凝固曲线

2.3 金相组织分析对比

图2为中心正常处的金相组织形貌。从图中可以看到正常处试样表面的组织主要是两种，一种为亮色组织，一种为暗色组织。图中的暗色组织整体呈条带状，内部已开始分解为短条状和颗粒状。

表1 ASTM和钢锭的化学成分（wt%）

为确定具体的金相组织，对亮色组织和暗色组织分别进行EDS成分确认。可以发现，亮色组织中含有0.49%的C，8.09%的 Si，13.01% 的 Cr，57.25% 的 Fe，18.54% 的 Ni，2.63% 的 Mo ；暗色组织中含有0.65%的C，8.34%的Si，13.54%的Cr，50.94%的Fe，15.91%的Ni，4.7%的Mo。两个组织的元素都是此钢种的基础元素，且亮色组织与暗色组织相比，含有更多的Ni，更少的Cr和Mo。再结合图2的S38815主要相的凝固曲线，可以判断亮色组织为奥氏体组织，暗色组织为铁素体组织。

在图2中还可以发现，板坯表面处存在明显的锻造折叠缺陷，但深度不深，只有0.12mm左右，正常修磨就可去除。折叠是金属变形过程中已氧化的表层金属汇合到一起而形成的。它可以是由两股(或多股)金属对流汇合而形成；也可以是由一股金属的急速大量流动将邻近的表层金属带着流动，两者汇合而形成的；也可以是由于变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以使部分金属局部变形，被压入另一部分金属内而形成[7]。

图3 边部开裂处的金相组织形貌

图3为边部开裂处的金相组织形貌。从图3中可以发现缺陷处的金相组织同样为奥氏体和铁素体。铁素体大体仍呈条带状，但明显分解的更彻底。除此之外，缺陷附近还存在大量块状析出相，这是板坯中心正常处没有发现的。这是因为，锻造过程中板坯边部温度低，而板坯中间温度偏高，析出相更容易在板坯边部析出。

与中心正常处试样对比，缺陷处试样表面也存在明显的折叠缺陷，但裂纹从折叠的尾部又重新往内部生长，导致深度达到0.45mm，远远大于正常处的缺陷深度。这是因为析出相的产生导致了周围应力集中，形成了细小的裂纹源，当折叠出现后，在外力的作用下，折叠尾部容易向内部扩展。

2.4 块状析出相分析

为了分析析出相对裂纹的影响，针对板坯边部裂纹处，使用扫描电镜进行观察，如图4所示。从图4中可以发现，当裂纹扩展遇到块状析出物时，裂纹并没有停止，而是沿着析出物继续扩展。块状析出物对裂纹扩展起到了积极促进的作用。

为了确定析出相成分，对该析出物进行EDS分析，发现析出相中含有1.63%的C，8.34%的Si，24.91%的Cr，16.07%的Fe，19.7%的Ni，28.48%的Mo。Si成分只比炼钢成分高了2.43%，说明该析出相不是富硅的G相；从成分上看，这种析出相也不是Laves相这种AB2型金属间化合物；结合S38815的热力学计算结果，这种块状析出相为富Cr、Si、Mo的bcc结构的chi相[8]。大块状的bcc结构析出相在晶界析出，会对材料的热加工性能产生不利影响，导致开裂产生[9，10]。

图4 边部开裂处电镜观察

3 工艺改善

针对分析结果，对锻造工艺进行改善。增加整体锻造火次，将终锻温度从750℃提高至850℃，抑制chi相析出，防止板坯边部锻造裂纹产生。工艺改善后，终锻温度提高，板坯边部没有chi相出现，也没有明显的开裂。因板坯边部表面开裂得到改善，修磨量减少，板坯的成材率提高了3%左右，从而降低了生产成本，提高了公司利润。

4 结论

（1）不管是在板坯中心还是板坯边部，表面都存在锻造折叠。

（2）在锻造过程中因板坯边部温度过低，导致有富Cr、Si、Mo的chi相产生，使得锻造折叠在外力作用下，继续向内扩展，裂纹加深。而板坯中心处温度较高，没有析出相析出，从而没有裂纹产生。

（3）后续增加锻造火次，将终锻温度从750℃提高至850℃，抑制了析出相产生，解决了板坯边部开裂的质量问题，降低了修磨损耗，将板坯的成材率提高了3%。