Nb微合金化Q355热轧H型钢翼缘板开裂成因分析.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.3042前言热轧H型钢作为常用建筑结构用钢，兼备价格低廉、自身重量轻、抗弯能力强以及承截能力大等诸多优点，被广泛应用于厂房建设、桥梁搭建、船舶运输以及石油钻井平台等领域。目前，生产Q355Nb微合金化Q355热轧H型钢翼缘板开裂成因分析张春花田秀刚赵光（唐山钢铁集团有限责任公司技术中心，河北 唐山 063000）摘 要：针对Nb微合金化Q355热轧H型钢翼缘板开裂缺陷，采用化学成分分析、低倍检验、性能检验、夹杂物分析、金相组织检验及电镜分析手段，对Q355热轧H型钢翼缘板开裂缺陷的产生原因进行了分析。分析结果表明：Q355热轧H型钢H型钢是异型端面的产品，含Nb钢在轧制过程中，变形抗力大，轧机负荷高，在轧制过程中不可避免地存在端面内的不均匀变形，当翼缘板需要一定的变形与腹板的变形匹配，而金属的流动不及时导致翼缘板所需的金属得不到补充，翼缘板所受的拉应力超过了材料的强度极限，会出现裂口，该裂口就在轧制力下形成了较为规则的V形开口。提出了防止类似缺陷产生的措施，轧制工序根据不同的连铸坯规格执行不同的压下率，优化孔型形状和尺寸，确保断面内区域变形均匀，从而改善表面质量。关键词：Q355；H型钢；Nb；翼缘板开裂中图分类号：TG115文献标识码：A文章编号：1674-0971(2023)-003-05Analysis of cracking causes of Nb microalloyed Q355 hot rolledH-beam flange plateZhang Chunhua，Tian Xiugang，Zhao Guang（Technical Center of Tangshan Iron and Steel Group Co.，Ltd，Tangshan 063000，Hebei，China）Abstract:UAiming at the cracking defects of the flange plate of the Nb microalloyed Q355 hot rolled H-beam,the causes of the cracking defects of the flange plate of the Q355 hot rolled H-beam were analyzed by means of chem-ical composition analysis,macroscopical inspection,performance inspection,inclusion analysis,metallographic struc-ture inspection,and electron microscope analysis.The analysis results show that Q355 hot-rolled H-beam steel is aproduct with a special cross-section.During the rolling process,Nb-containing steel has a large deformation resis-tance,high rolling mill load,and inevitably uneven deformation within the cross-section.When the flange plate re-quires a certain amount of deformation to match the deformation of the web,and the metal flow is not timely,the metalrequired for the flange plate cannot be supplemented,and the tensile stress borne by the flange plate exceeds thestrength limit of the material,Cracks can occur,which form a more regular V-shaped opening under rolling force.Measures to prevent similar defects are proposed.In order to improve the surface quality,the rolling process can carryout different reduction rate according to different slab specifications,optimize the pass shape and size,and ensure thearea deformation uniformity in the section.Keywords:Q355,H-shaped steel,Nb,cracking of flange plate收件日期：2023-5-20作者简介：张春花（1983一)，女，大学本科，高级工程师，主要从事汽车、家电板性能研发与生产工作，Email：。特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第116期2023年第3期Vol.29（116）2023.No.3型钢产品，主流设计思路为减少材料自身缺陷、细化晶粒提高性能。采取的措施有：降低S、P等有害元素含量，缩小C、Si、Mn元素的波动范围，在内控范围内适当添加Nb细化晶粒的合金元素；优化连铸工艺，提高铸坯质量；合理设计孔型，避免型钢翼缘板顶端和内表面出现裂纹，减少隐性折叠1-4。随着热轧H型钢的开发以及需求量的增加，企业与用户对产品质量性能的要求更加严格，然而翼缘开裂是热轧H型钢生产中最常见的缺陷之一5-10，解决微合金型钢翼缘开裂问题将极大提高热轧H型钢表面质量和成材率。1试验材料与方法1.1宏观形貌分析Q355 H型钢翼缘板V型开裂，由图1可以看出，缺陷间断规则出现，成V型，垂直于轧制方向，并未出现沿轧制方向的开裂缺陷，裂纹贯穿整个翼缘边部，裂口压痕10 mm，尺寸宽大，沿裂缝两侧出现明显颈缩现象，形状规整呈扇形分布，并且裂纹随颈缩面的扩大逐渐向翼缘边部延伸。1.2生产工艺生产工艺流程为铁水预处理转炉冶炼LF精炼连铸轧制。1.3化学成分分析在型钢上进行取样，使用瑞士ARL公司ARL4460型直读光谱仪进行成分分析，结果见表1，可见型钢加入了 Nb 合金，各项指标符合国标 GB/T1591的要求。钢中S含量高时，易与Fe形成FeS，弱化晶界，但是Mn易与S结合形成塑性好的MnS，防止热脆形象，研究表明11，当Mn/S小于30时，H型钢发生裂纹的概率高于60；当Mn/S大于30时，H型钢裂纹将得到显著改善。本生产中Mn/S高达49，大部分S都被Mn固住，不能形成FeS，在后面夹杂物分析时能够证明存在MnS。合金元素的选择及使用，是生产型钢的难点之一。常规生产中合金元素普遍选择添加V元素，/相转变过程或相变后在铁素体中析出的弥散分布的细小的V（C,N）颗粒，会起到显著的析出强化作用，但其析出温度较低，高温状态下几乎不析出，对细化奥氏体晶粒尺寸作用不大。当生产时也会选择添加适量的Al元素（0.04%左右），Al作为强脱氧剂，其脱氧产物可生成高度细碎、超显微的氧化物Al2O3，分散于钢基体中，凝固过程中可成为钢中非自发形核的核心，扩大连铸坯等轴晶区域，降低中心偏析和缩孔；钢材加热时可阻止晶粒长大，冷却时又对奥氏体分解起促进作用，从而细化晶粒，冲击韧性增加，同时Al和N结合生成AlN也对细化晶粒起着重要的作用。但是，由图2可知，Al元素活性非常高，极易于O发生反应，小型方坯结晶器水口相对较细，Al的氧化物及其复合产物极易粘附在水口，造成水口狭窄，影响正常浇铸，严重时甚至会堵塞水口。长型材的生产除了选用V、Al微合金外，也尝试采用Nb微合金工艺。Nb元素的作用主要是通过沉淀强化控制奥氏体晶粒尺寸而在一定程度上细化其组织，改善钢材的韧性和抗疲劳性能，因此深入研究Nb的物理冶金特性，界定显微组织类型，控制适宜的温度工艺制度，对Nb元素在低温韧性角钢中的应用具有重要意义。表2给出了V与Nb强韧效果比较，综合比较可见Nb强韧效果好。第29卷第3期张春花 田秀刚 赵光：Nb微合金化Q355热轧H型钢翼缘板开裂成因分析图1 缺陷宏观形貌Fig.1 Macro morphology of defects表1 型钢的化学成分（质量分数）%Table 1 Chemical composition(mass fraction)of section steel强韧化因素先析出氮化物细化铸造组织抑制高温奥氏体晶粒长大高温析出抑制再结晶长大形变诱导析出奥氏体内部析出铁素体内部析出对铁素体再结晶影响VNb项目实测值要求值C0.200.24Mn1.371.60S0.0280.035P0.0220.035Si0.270.55Al0.002/Cr0.0340.30Ni0.0150.30Cu0.0160.40V0.0020.015Nb0.012/图2 化学反应自由焓Fig.2 Free enthalpy of chemical reaction表2 V与Nb强韧效果比较Table 2 Comparison of V and Nb toughness effects 43注：无效；不明显；有效；影响显著。1.4铸坯低倍检验1.4.1 铸坯低倍取样位置为了验证是否铸坯遗传裂纹，对铸坯进行分析，试样为铸坯内外弧表面通长截取样品各一块，分别在样品两侧边角位置取样作为低倍实验试样（图3铸坯取样位置，红框位置）。1.4.2 铸坯低倍试验将试样用常规冷酸浸蚀法进行腐蚀，结果见图4。试样腐蚀后，内弧和外弧均未发现边角部裂纹缺陷。1.4.3铸坯金相检测从低倍试样角部取金相试样，使用德国ZEISS公司的 AXIOTECH 型金相显微镜观察纵截面组织，图5所示，内弧和外弧试样角部未发现边裂纹。1.5H型钢金相检验排除铸坯裂纹遗传因素后，从翼缘板开裂处和未开裂处取金相样（图6），观察纵截面夹杂物（图7）和组织（图8），样品V形裂口处周围没有脱碳现象。正常组织主要为块状铁素体+珠光体，并有少量的粒状贝氏体，晶粒度等级约为8.5级；开裂组织有流向性，组织主要为铁素体+珠光体，并有少量的粒状贝氏体，晶粒度等级约为9.0级。夹杂物为A类硫化物类1.0级和D类球状氧化物类1.0级。在电镜下观察组织形貌及能谱分析，发现有Nb的碳化物析出物（图9），尺寸80 nm。第29卷第3期特钢技术（a）内弧取样位置（b）外弧取样位置图3 铸坯取样位置Fig.3 Sampling position of casting billet（a）内弧侵蚀结果（b）外弧侵蚀结果图4 内外弧试样低倍腐蚀结果Fig.4 Low magnification erosion results of internal and externalarc specimens（a）内弧50X（b）外弧50X图5 内外弧金相结果Fig.5 Metallographic results of internal and external arcs图6 型钢金相取样位置Fig.6 Location of metallographic sampling for section steel图7 型钢夹杂物图Fig.7 Inclusion diagram of profile steel（a）开裂处组织（b）未开裂处组织图8 型钢组织对比图Fig.8 Comparison chart of microstructure of profile steel图9 型钢电镜形貌及能谱图Fig.9 Electron microscopic morphology and energy spectrum ofsection steel 442试验结果分析与讨论2.1试验结果分析检验结果表明，该型钢化学成分符合国标要求。铸坯未发现边角部裂纹缺陷，样品型钢翼缘板上规则间断分布的V形开口，从金相组织观察中发现，夹杂物少，主要为塑性硫化物，组织为正常的铁素体和珠光体，并有少量的粒状贝氏体，组织有流向性，发现Nb的大尺寸碳化物析出物。样品V形裂口处周围没有脱碳现象，说明不是连铸坯表面本身微裂纹问题，推测裂纹是在后续的轧制环节中产生的。2.2形成原因推测由于Nb在高温下变形以及后续精轧阶段变形时都有析出，Nb(C,N)在奥氏体晶界、亚晶界、位错线上形核长大，并阻止其迁移，在变形过程中抑制再结晶；析出物的存在不仅阻止位错的运动，并会造成位错的增殖，使位错密度增高，形核位置增加，而且，第二相析出相界面或晶界也可以成为再结晶晶核的一部分界面，从而降低形核阻力，二者同时使晶粒细化。因此，含Nb钢在轧制过程中，变形抗力大，轧机负荷高，而且为了充分发挥Nb对晶粒细化的作用，通常会选择较低的终轧温度，以得到细小的铁素体晶粒，尤其是末道次温度最低导致轧机负荷进一步升高，轧制力变大易产生裂纹。金属在孔型轧槽里的变形非常复杂，轧件在轧制过程中当给定压下量后，金属变形与流向除了与轧件道次变形量、变形速度及变形温度有关外，还与孔型设计有关，哪个方向阻力小，金属流向哪个方向的体积就会增加。轧制时，孔型的形状尺寸根据孔型磨损程度的改变，将导致金属在孔型中的流向发生改变，不合适的孔型设计和磨损将会导致金属流向发生变化。热轧H型的横截面形状由腹板和翼缘组成，在轧制过程中，由于翼缘端部冷却速度快；翼缘与腹板交界处冷却速度慢，翼缘端部的变形温度低于翼缘根部，导致两个区域形成了力学性能的梯度。翼缘端部的形状和宽度由轧边机控制，轧边机与万能辊的工作面不同，万能轧辊工作面的径向和轴向都有不同程度的磨损，轴向磨损更大，而轧边机工作面的径向比轴向的磨损大。万能轧辊的宽度因磨损不断变小，而轧边辊的宽度保持不变，因此万能轧辊宽度与轧边辊的宽度差值不断变大，影响金属流向。另外，由于轧件腹板无宽展，所有压下量都转为延伸，而翼缘有宽展，部分压下转为延伸，为了使轧件有良好的表面质量，必须保证翼缘和腹板的绝对延伸相等，在制定万能轧机压下规程时，应使翼缘板的压下率大于腹板的压下率。由于H型钢是异型断面的产品，在轧制过程中，不可避免地存在断面内的不均匀变形，当翼缘板需要一定的变形与腹板的变形匹配，然而金属的流动不及时导致翼缘板所需的金属得不到补充，翼缘板所受的拉应力超过了材料的强度极限，从而出现裂口，该裂口就会在轧制力下，形成了较为规则的V形开口。2.3改善措施根据温度与再结晶、第二相粒子析出、变形抗力之间的关系，与产线轧机进行对比，分析轧机是否具备轧制加工能力，以及相关工艺是否与产品相匹配，为降低轧制负荷并控制产品板型，在万能粗轧机最后一道次空过，避免造成万能精轧机辊宽过大，轧件由粗轧机进入精轧机时腹板强迫宽展，导致精轧机轧辊两侧磨损较快，并在最后道次为了减少孔型磨损保证成品精度和表面质量，采用小的压下量。轧制工序根据不同的连铸坯规格及产品规格执行不同压下率，为了保证翼缘和腹板的绝对延伸相等，在万能轧机压下规程里，将翼缘板的压下率设置成大于腹板的压下率5%10%。优化孔型的形状和尺寸，确保断面内区域变形均匀。为了消除万能轧辊宽度与轧边辊的宽度差值变动，将轧边机的侧壁设计成双斜度，靠近腿部端部的斜度为5角，而靠近腹板的部分，斜度要大于5角。经过以上改善措施实施后，对后续生产的H型钢进行检查，翼缘板边部质量良好，未发现边裂缺陷存在，应用效果良好（图10）。第29卷第3期钱焕：直读光谱仪检测超低碳含量在炉前快分的应用研究图10 改善措施实施后效果图Fig.10 Effect diagram after implementation of improvement measures（下转第52页）45第29卷第3期卢明霞 顾铁：套圈裂纹原因剖析及改进3.3使用跟踪实施改善措施后跟踪用户的使用结果，客户使用的实施轻压下的80 mm钢材制作的套圈未再发生裂纹，而改善之前套圈裂纹为0.05%的发生率。4结论（1）供某日系客户的轴承套圈采用80 mm的钢材锻制，由于规格较大，钢材压缩比较小，连铸坯高温扩散时中心区域偏析产生的过烧显微裂纹在轧制时未被充分焊合，最终导致轴承套圈内圈产生表面裂纹。（2）套圈裂纹附近存在氧化质点，该缺陷是在套圈球化退火过程中合金元素被进入微裂纹的氧化性气氛氧化。（3）通过连铸时实施铸坯轻压下，可显著改善钢坯中心偏析及致密度，保证连铸坯在轧制成品80 mm钢材上不产生显微裂纹，从而使套圈裂纹质量问题不再发生。参考文献1 胡伟勇,王峰,柯锦宏,黄涛,薛晶,梁小燕,郦剑.轴承套圈坯用热锻模顶柱失效形式及产生原因J.理化检验-物理分册,2022,58(09):75-78.2 孙钦贺.滚动轴承套圈数控车削缺陷分析及改进措施J.金属加工(冷加工),2022(08):37-40.3 雷富,李祥才,高永彬,赵东记,袁相坤,刘钦.盘条GCr15套圈加工开裂原因分析及改进措施J.金属制品,2022,48(03):48-52+56.4 吴赵波,李南.GCr15轴承套圈缺陷成因分析J.物理测试,2021,39(06):22-27.5 袁野,张群.轴承套圈裂纹缺陷分析J.金属世界,2021(03):49-51.6 饶金元,张孟昀,陈君,赵立华,包燕平.轻压下改善42CrMo钢300 mm400 mm大方坯内部质量的工艺实践J.特殊钢,2022,43(01):39-43.（上接第45页）3结论（1）型钢翼缘板上规则间断分布的V形开口，组织有流向性，发现Nb的大尺寸碳化物析出物，含Nb钢在轧制过程中，变形抗力大，轧机负荷高，当翼缘板需要一定的变形与腹板的变形匹配，然而金属的流动不及时导致翼缘板所需的金属得不到补充，翼缘板所受的拉应力超过了材料的强度极限，从而出现裂口，该裂口就会在轧制力下，形成了较为规则的V形开口。（2）通过对轧制工序的压下率、孔型形状和尺寸的改进措施实施后，经过后续的外观检查，H型钢表面质量得到显著改善，没有发生翼缘板开裂现象。参考文献1 田亚强，黎旺，王彩芬，等.Q345B热轧H型钢翼缘开裂缺陷特征与控制措施J.热加工工艺,2020,49(21):151-154.2 郭娟，吴迪，赵宪明，等.H 型钢 轧后控制冷却的研究与应用J.钢铁研究学报，2007,19(5)：40-43.3 黄贞益，吴胜付，程鼎，等.H 型钢控制冷却工艺开发与应用研究J.热加工工艺，2011，40(8)：154-156.4 王克锋，宋介中，李明贤，等.SS400热轧H型钢翼缘开裂成因及控制措施J.钢铁，2011，46(9)：96-100.5 王福良，李明贤，何力国，等.热轧H型钢翼缘边裂原因分析J.物理测试，2011，29(3)：51-55.6 樊超，杨忠民，李昭东，等.铌钛微合金化异型坯表面横裂纹的形成机理分析 J.热加工工艺，2018，47(05)：247-254.7 姜辉，黄贞益，尹桂全，等.高强度厚壁H型钢粗轧工艺对组织性能的影响J.上海金属,2009，31(03)：40-44.8 王建锋，李德辉，郭朝军，等.H型钢腹板裂纹的成因分析及对策J河北冶金，2014，(11)：13-16.9郑飞.热轧H型钢边部裂纹成因分析 J.中国重型装备，2018，(01)：22-23.10 杨应东，胡春林，吴坚，等.氮含量控制对S450J0-T热轧H型钢表面裂纹的影响J.上海金属,2018，40(03)：69-72.11 邓爱军，蒲雪峰，左小坦，等.H型钢V形开裂的缺陷研究与优化 J.钢铁，2019，54(08)：161-168.52