310S耐热不锈钢中厚板表面翘皮缺陷分析

  浙江至德钢业有限公司利用扫描电镜和金相显微镜对310S耐热不锈钢中厚板表面翘皮缺陷进行了分析。结果表明，引起翘皮的主要原因是在浇铸过程中保护渣的卷入及轧制过程中氧化铁皮的压入，翘皮缺陷沿表层向基体呈现不同的形态及分布，缺陷内部以铬的氧化物夹杂为主，表层以铁、硅的氧化物夹杂为主。

  奥氏体不锈钢310S（06Cr25Ni20）不锈钢是高铬镍奥氏体耐热不锈钢，因其良好的抗氧化性能和高温力学性能，被广泛应用于耐蚀和高温部件，是常用的炉用及化工设备用高温材料。至德钢业不锈钢中板工序前期轧制了一批厚度规格为20～30mm，宽度为1500～2000mm的310S不锈钢板，酸洗后，部分钢板表面出现了翘皮（起皮）缺陷，缺陷根部与基体相连，呈现连续开口状，以上表面居多，且以20mm×2000mm钢板较严重。对于热轧板面翘皮（起皮）缺陷，因每次表象和原因不同，多位学者也进行了不同的研究。为了更好地析本次缺陷产生原因，对缺陷较严重的钢板取样进行了试验分析。

一、生产工艺及试验材料方法

1.1 试验材料

     试验材料为酸洗后有翘皮缺陷的310S中厚板，厚度为20mm，主要化学成分如表所示。

1.2 轧制工艺

     板坯入炉→加热→粗除鳞→轧制（精除鳞）→冷却1（快冷）→矫直→冷却2（空冷）→上下表面检查→切边、切头尾、定尺→退火酸洗→标印→检验、入库。

1.3 试验取样及分析

    对有翘皮缺陷的310S不锈钢板按轧制方向取样，尺寸为20mm×20mm×20mm，取样数量3个。其中：对1个试样进行表面扫描电镜（含EDS）分析后再进行垂直于缺陷方向的断面显微组织和电镜分析；对1个试样进行沿轧制方向断面的显微组织分析；另1试样备用。

2试验结果

二、缺陷处表面形貌分析

    图为缺陷处扫描电镜形貌及能谱结果，从图可看出，钢板表面夹杂物较多，缺陷处的表面形貌有明显的分层，而且疏松、不致密，但有别于剥落；缺陷部位存在大量夹杂物，且周围弥散分布着大量灰色小颗粒，经EDS分析，黑色状物质主要为O、Fe、Ca、Na、Si、S、Ti等元素，灰色小颗粒除O、Fe、Na、Ca等元素外，含有一定的硅，可以确定黑色状物质及灰色小颗粒等夹杂物主要为Fe、Si、Na、Ca、Mg、Al的氧化及硫化物。这些成分元素和结晶器保护渣的成分相近，由此可断定在浇铸过程中结晶器保护渣有可能卷入铸坯表层，在板坯修磨过程中没有修磨彻底，在后续的中板轧制过程中受到反复轧制碾压是形成表面翘皮缺陷的原因之一。

    为了更好地分析钢板表面起皮缺陷产生的原因、起皮处夹杂物分布及起皮缺陷长度，对上述存在起皮缺陷的试样进行端面金相分析，并测试了缺陷长度和深度（测试过程中为了更好地定位表层缺陷，在端面分析时，在缺陷处粘贴一小块定位薄钢板），并再次对缺陷进行了形貌和能谱分析，结果如图所示。图为起皮缺陷处的断面金相和对应的扫面电镜照片，在光学显微镜下测得缺陷长度为1107μm，缺陷最深处距表面251μm，如图所示。另从光学显微镜下观察，缺陷部位在长度方向上颜色存在差异，缺陷最深处颜色较浅，为浅灰色，而缺陷距离表面处为深黑色，结合图2处EDS结果，说明缺陷部位夹杂物类型存在异常，为此，对断面缺陷处进行了扫描电镜定位，并进行了能谱分析（在缺陷长度方向上分取a、b、c、d四个部位），结果见图。由图看出，缺陷沿长度方向各个不同位置元素含量存在差异，表现为EDS分析中峰值强度不同。图为缺陷顶端表面形貌和EDS分析结果，从图表面形貌看，缺陷为条带状分布的黑色物质，周围没有发现弥散分布的细小颗粒，EDS分析结果表明黑色物质主要含有Cr、Ni、Fe、O、Si等元素，且Cr峰值强度远高于Fe峰值强度，说明此时缺陷处主要为铬的偏析伴随氧化铁及少量氧化硅形成的夹杂；越往缺陷始端（板材表面），一方面缺陷深度加深，另一方面夹杂物形态发生明显变化，表现为元素峰值强度发生变化，Cr峰值强度和Fe峰值强度几乎均等。此时缺陷较顶端深，且伴随灰色小颗粒状物质出现，EDS分析表明，此时缺陷处的主要元素为Cr、Fe、O、Si等元素，且铬的偏析降低，铁和硅的氧化物夹杂增加；此时缺陷深度更深，EDS分析表明，铁的氧化物夹杂增加。图为缺陷处沿轧制方向断面金相显微组织照片。310S不锈钢显微组织除芯部有少量铁素体组织外，基本上全为奥氏体组织，组织方面未见异常。

   浙江至德钢业有限公司通过对310S不锈钢缺陷试样表面和断面形貌结合能谱分析表明，缺陷的产生主要由起初浇铸过程中保护渣的卷入引起并由于310S不锈钢导热性差在夹渣周围形成微裂纹。由于此类钢中铬含量较高，资料研究表明，在1000℃时，钢中的铬容易形成FeO·Cr2O3、FeO·Fe2O3和尖晶石结构（FeCr2O4、NiCr2O4）等保护性氧化膜，笔者也曾研究证明，在1200℃，310S不锈钢中氧化膜主要以Cr2O3、尖晶石结构的NiCr2O4和少量SiO2为主，而310S不锈板坯在炉内加热和均热温度为1250～1230℃，此时一方面在板坯表面形成了大量的致密Cr2O3、SiO2及镍铬氧化物，另一方面炉内耐火材料等氧化物有可能在加热过程中掉落于板坯表面，这样在轧制过程中，氧化物的清除不彻底和卷入的保护渣形成共生夹杂，经后续轧制过程轧辊反复碾压夹杂物沿微裂纹进入基体表层和内部，形成翘皮缺陷；可通过改善表面除鳞效果，来减少热轧板表面残留的氧化物。另310S不锈钢开轧温度在1090℃，此时虽形成的铬氧化物较多，但随着轧制道次增加，如果钢坯表面或边角部位有裂纹或者开裂现象，加热过程中这些缝隙中保留有少量空气，钢坯裂纹和空气接触，使得钢坯中的Si、Mn等易氧化元素会出现不同程度的氧化，因而在氧化铁皮周围出现了二次氧化后被轧合而遗留在热轧板表面，形成表面翘皮缺陷，表现为铁和硅的氧化物夹杂增加，但由于这些氧化物夹杂不致密，在酸洗过程中形成腐蚀小坑，出现图中的表面形貌。

   310S不锈钢中厚板表面翘皮的主要是由于浇铸过程中保护渣的卷入及轧制过程中氧化物的压入，防止结晶器水口破坏导致保护渣卷入钢坯内部及适当加大除鳞效果可减少翘皮现象的发生。310S不锈钢板表面翘皮缺陷沿表层向基体呈现不同的形态及分布，缺陷内部以铬的氧化物夹杂为主且较为致密，表层以铁、硅的氧化物夹杂为主，可通过适当改善酸洗（速度、抛丸等）工艺或对翘皮严重的钢板通过二次酸洗改善板面质量。