压力容器用钢表面裂纹分析与控制

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1、压力容器用钢表面裂纹分析与控制杨慧贤杨昊赵英利刘洁葛晶晶任玲玲禹青霄as.继志河钢集团钢研总院国华（河北）新能源有限公司针对压力容器用钢表面出现星状裂纹现象，通过金相显微镜、扫描电镜、电子探针对压力容器用钢表而裂纹进行宏观形貌、化学成分、元素偏析、夹杂物分析。结果表明:表面裂纹产生的主耍原因是结晶器铜板磨损破裂，导致Cu和Ni溶入钢液，使晶界脆化，产牛.热脆现象，形成裂纹源。同时，裂纹内部大颗粒高熔点夹杂物的存在，保护渣选择不合适，也是裂纹源形成原因之一。为此，在实际生产屮，对连铸工艺进行严格控制，防止此类缺陷产生。关键词：表面裂纹;结晶器;晶界脆化;保护濟;宏观形貌;在实际生

2、产中，经常发生压力容器用钢表面出现星状裂纹缺陷的现象。严重影响钢板的质量和生产效率。本文结合某钢厂生产实际，通过宏观形貌观察、金相分析、扫描电镜分析、化学成分分析等方法对压力容器用钢表面裂纹缺陷及产生原因进行研究,探讨了控制表面裂纹缺陷的工艺措施，防止缺陷产生。1试验材料和方法试验材料为某钢厂有裂纹缺陷的压力容器用钢，对裂纹缺陷试样进行切割取样,用磨抛机磨制抛光，进行低倍裂纹宏观观察和扫描电镜局部放大形貌分析。利用扫描电镜EDS对裂纹内部和边缘进行能谱分析，利用电子探针对裂纹及其附近进行微区成分元素偏析分析。研宄了表面裂纹产生的主要原因及其控制措施。2试验过程与结果分析2.1裂

3、纹宏观形貌及成分分析对裂纹缺陷试样进行切割取样，用磨抛机磨制抛光，放入干燥箱烘干1h,采用金相显微镜放大40倍观察，裂纹宏观形貌如图1(a)所示。裂纹宽度最大约5mm,通过裂纹截面观察发现，裂纹深度一般在3'5mm左右，分布不均。试样表面的裂纹宽度大于内部裂纹的宽度，并且裂纹处的试样表面出现应力集屮点，这说明铸坯裂纹可能产生于铸坯表面。用扫描电镜对裂纹的局部放大形貌进行观察如图1(b)所示，沿着主裂纹两侧有众多分枝微小裂纹，呈网状分布，宽度小于1um,磨制抛光前被氧化铁皮覆盖。为进一步确定裂纹形成部位，需由奥氏体晶界进行判断。因此，对裂纹试样采取直接淬硬法［2］，具体热处理工艺

4、为:加热到90CTC，保温60min,水冷淬火，获得马氏体组织;然后在230°C下回火15mine经热处理后的试样经磨抛机磨制抛光后，选用1g苦味酸+5niL盐酸+95mL酒精溶液侵蚀，以显示其初生奥氏体晶界。用扫描电镜对裂纹内部和边缘成分进行面扫描分析，能谱图如图2所示。由图2(a)可知铸坯星裂内部被氧化铁填充，这是由于铸坯表面星裂在结晶器内部产生后，在二冷高温下的时间较长，裂纹内部被氧化；由图2(b)可知裂纹边缘有脱碳现象，说明裂纹是在结晶器内高温下(1400°C)坯壳处奥氏体转变之前形成的另外，氧化铁的熔点在95o°c,氧化铁在二冷高温区处于液体状态m，该处存有的氧相对钢

5、棊体而言比较富裕，必然存在着氧化铁对钢棊体进行渗透扩散式的氧化反应，进而出现裂纹边部区域钢基体的脱碳现象。因此，可以认为连铸坯的裂纹缺陷最初诱发于结晶器内£41。图1裂纹形貌Fig.1Morphologiesofthecracks(a)宏观形貌；(b)放大形貌(a)atlowmagnification;(b)athighermagnification扫描电镜下热处理后的微裂纹形貌如图3所示，裂纹是沿初生奥氏体晶界扩展的，宽度一般在lPm左右，说明奥氐体晶界已脆化。金属学理论通常认为晶界是强化元素，即晶界的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶脆断。通常情况不，造成品界弱

6、化的原因有几个方面一是品界沉淀相造成的沿晶断裂，这类沿晶断裂是由晶界的夹杂和第二相沉淀造成的。二是杂质元素在晶界偏聚造成沿晶脆断。另外，某些金属元素在晶界的偏聚也可以引起沿晶脆断,如铜脆、镉脆等。那么裂纹的产生可能是由于晶界被弱化引起的，晶界弱化具体原因需做进一步分析。2.2裂纹区晶界能谱分析切割制取裂纹表面试样，利用扫描电镜EDS对裂纹区奥氏体晶界内部成分作面扫描分析，其结果如图4、表1所示。在裂纹区的奥氏体晶界内部有明显的Cu聚集，区域1、3、4内均出现了大量Cu，质量分数最高达6.56%,而压力容器钢中含Cu量一般在0.03%以下。据资料表明［10］，即使钢中铜的含量较低

7、，在钢材氧化过程屮仍可形成几十甚至上百倍的铜富集现象，因而这有可能是棊体钢中Cu富集造成。由丁•铜向铸坯表面层晶界的渗透，或者由AIN、BN或硫化物在晶界沉淀，降低了晶界的强度，引起晶界的脆化，从而导致裂纹的形成［11］。所以，铸坯星裂可能是由于Cu在晶界的偏聚，晶界被弱化导致的。图2裂纹内部和边缘能谱图Fig.2Energyspectrumanalysisofinteriorandedgeofthecrack图3热处理后的微裂纹形貌Fig.3Microcrackmorphologiesof