晶間氧化

晶間氧化是沿金屬或合金晶界優先發生的氧化過程。氧化的原因是外來的氧原子沿晶界擴散比在晶粒內部擴散更快，從而沿晶界生成金屬氧化物。金屬材料發生晶間氧化後表層強度、延性和閉性都大大降低，對於抗高溫作用的重要構件，例如航天發動機部件，要求嚴格控制品間氧化速率。

基本介紹

• 中文名：晶間氧化
• 外文名：Intergranular oxidation
• 本質：外來的氧原子沿晶界擴散快
• 危害：表層強度、延性和閉性大大降低
• 套用：航天發動機部件
• 抑制措施：鋼中Cr含量增加
• 規律：發達的柱狀晶更易氧化

背景介紹

熱軋高錳鋼板邊部出現帶狀裂紋，大多數裂紋深度較淺，約為300~500μm。試驗發現，高錳鋼連鑄坯邊部有大量發達的柱狀晶，表層幾乎沒有細小的等軸晶。高碳高錳鋼屬於易發生選擇性氧化的鋼種，加熱過程中裸露的柱狀晶晶界是氧原子擴散的通道，發達的柱狀晶更易氧化,這是熱軋高錳鋼板產生裂紋的主要原因。因此，採取降溫軋制、縮短高溫保溫時間、控制殘氧量等措施來減輕高錳鋼板晶間氧化的程度。鋼中增加鉻含量也有效抑制了高碳高錳鋼板在熱軋加熱過程中的晶間氧化。

高錳耐磨鋼屬於高碳高錳鋼，其連鑄工藝性差、碳化物控制難度大，普通立彎式連鑄機無法生產。垂直連鑄機在生產熱塑性差、易產生表面裂紋的合金時具有立彎式連鑄機所不具備的優勢。但在生產過程中，發現該耐磨鋼在熱軋板四邊尤其是邊部出現細微的表面裂紋開口。對於熱軋板來說,其形成表面裂紋的原因有很多，比如連鑄坯表面質量問題、熱制度、軋制工藝等問題。

晶間氧化

1、試驗材料與方法

試驗材料為高碳高錳耐磨鋼,在中低衝擊服役匯況下，鋼板表面層不穩定的奧氏體基體轉變為高耐磨的馬氏體，從而使得鋼板在保證基體韌性的情況下，具有超強的耐磨性能。通過光學顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析
等方法，對試驗用鋼的表面裂紋類型及其形成機理進行分析，再通過試驗逐步探索和驗證該裂紋產生的主要原因，為其他鋼種的同種缺陷研究提供參考。

2、試驗結果與分析

（1）熱軋板邊部表面裂紋

熱軋板邊部表面裂紋如下圖所示，主要出現在現裂紋深度較淺且無擴展，深度大部分小於0.3mm，個別深度可達0.5~1.0mm。熱軋板的四邊約100mm範圍內,角部尤為嚴重，極個別出現大面積的表面裂紋。表面裂紋沿長度方向呈帶狀分布，相互間呈斷續網狀分布。

裂紋形貌

對表面存在嚴重裂紋的熱軋板進行顯微組織觀察，如下圖所示。取其邊部截面作金相試樣，觀察裂紋截面形貌。該脫碳層平均深度在300~500μm範圍內，而裂紋起始於表面，往內部延伸，終止於脫碳層中，裂紋內部存在大量氧化物。

微觀形貌

（2）微觀形貌

對上述試樣進行掃描電鏡分析，並對其進行能譜分析，如下圖所示。發現裂紋界面清晰，裂紋內部主要是一次氧化物，無明顯彌散分布的二次氧化物。

掃描電鏡分析

截取過去生產的合格熱軋板觀察其表面顯微組織。正常熱軋板脫碳層大約80~100μm，仔細觀察脫碳層內部形貌，發現明顯存在晶間氧化現象。一般來說，在高溫下氧元素在晶界上的擴散速率遠比在晶內擴散快,所以錳元素更易在晶界上優先氡化,從而導致嚴重的內氧化及晶間氧化現象。可見，過去的合格熱軋板其實也存在表層微裂紋，但非常輕微，肉眼不可辦，且非常淺，因此未曾發現。

3、其他工藝試驗

對熱軋板進行了轉鋼、翻板等試驗,鋼板四周仍出現邊部表面裂紋。對鋼板的均熱時間進行控制，縮短其加熱時間，降低加熱溫度,發現鋼板邊部表面裂紋改善並且數量減少,但未能消除。故而加熱時間與加熱溫度等因素對其有影響,但並非主要因素。對連鑄坯組織進行高倍分析，試樣分別取缺陷出現的連鑄坯與往年良好的連鑄坯，取樣位置位於靠近邊部。觀察兩者的高倍形貌後發現，近期的連鑄坯表層激冷層幾乎不存在，晶粒粗大，柱狀晶發達，具體形貌如下圖所示。

形貌對比

結論

1、表面裂紋在熱軋板四邊呈帶狀分布，角部尤為嚴重，相互間呈晰續網狀分布，局部地區較密集，但深度較淺，未發生嚴重裂紋延伸，裂紋深度在300~500μm左右。

2、邊部表面裂紋並非板坯帶入，根據顯微組織顯示坯料加熱過程中脫碳層（氧化層）過厚，深度在300~500 μm左右，過去僅80~100μm。如此厚的氧化層內發生晶間氧化後必然在軋制時發生表面開裂，尤其以邊部為重。

3、根據試驗分析，此次裂紋缺陷是由於坯料四邊發生嚴重氧化，在軋制中進一步擴展導致的。近期連鑄坯部柱狀晶發達，表層細緻等軸晶幾乎不存在，而高碳高錳鋼屬於易選擇氧化鋼種，加熱過程中裸露在外的柱狀晶晶界是氧元素擴散的通道，發達的柱狀晶更易氧化，這是裂紋缺陷產生的主要誘因。

4、裂紋缺陷集中出現在鋼板四周，四周通常為加熱溫度最高的位置，最易氧化，因此對於高碳高錳鋼可採取降溫軋制，減少高溫段保溫時間，控制殘氧量等手段來減輕晶間氧化行為，避免裂紋惡化。

5、新設計鋼種裂紋情況明顯好轉，鋼中Cr含量增加，可有效抑制高碳高錳鋼在加熱爐中的晶間氧化現象。