SPA-H是一種低合金結構鋼，通過加入Cu、Ni、Cr、P、Si等合金元素增強耐海洋環境大氣腐蝕，多用于生產集裝箱板。由于集裝箱的加工制造和使用環境過程較為復雜，對力學性能、冷成形性能、焊接性能、耐腐蝕性能等性能均有較高的要求，同時對表面質量、尺寸公差、板形等要求嚴格。Cu添加SPA-H鋼中可在其表面二次析出，形成陰極，促進與其相接觸的鋼材陽極鈍化，起到減緩腐蝕的作用；還可在鋼的表層形成富銅相，并在表面腐蝕層與富銅相之間形成致密而強的粘附中間層，減輕鋼的腐蝕[1−2]。

耐候鋼生產中易出現“銅脆”引起缺陷[3−5]，2022年5月某廠生產的SPA-H表面出現表面裂紋和起皮缺陷，技術評估認為缺陷對客戶使用影響較大，為了解決表面裂紋和起皮質量問題展開技術攻關。

1. 缺陷檢測分析

1.1 宏觀特征

在SPA-H軋制過程中，由表面檢查儀發現通卷分布的表面裂紋和起皮缺陷，上下表面均有，多為上表面裂紋伴有起皮，表面裂紋和起皮缺陷主要分布距軋制邊40~110 mm，最長約10 mm，缺陷輕微表現為表面裂紋，缺陷嚴重表現為起皮。取樣板缺陷宏觀特征如圖1所示。

1.2 微觀特征

表面裂紋和起皮的長度方向平行于軋制方向，垂直于軋制方向取表面裂紋缺陷位置橫向截面，觀察缺陷形貌、金相組織，如圖2所示。對試樣裂紋處及其周邊進行能譜分析如圖3所示，主要成分結果如表1所示。

由圖2可以看出表面裂紋周邊母材無明顯脫碳，表面裂紋周邊沒有因氧化后軋入母材的氧化圓點，表面裂紋的深度≤20 μm，呈現出裂紋淺、無明顯氧化的現象，由此可知表面裂紋不是鑄坯進入加熱爐前產生的。由圖3、表1可以看出表面裂紋內分布著大量的氧化鐵，由此可知裂紋產生在軋鋼過程之前，裂紋隨著軋制不斷變形，氧化鐵進入裂紋內部。表面裂紋內部的氧化鐵皮存在較多的Cu元素，并呈現出局部富集的現象，由此可知鑄坯在加熱爐內加熱過程中，隨著表面不斷氧化形成氧化鐵皮的同時，Cu元素不斷富集，為“銅脆”創造了條件。綜上，Cu元素的富集過程是鑄坯在加熱爐中產生的，加熱工藝的合理性對Cu元素富集有較大影響。

2. 工藝回查

本次生產的SPA-H采用冷坯入爐，相比熱坯入爐，加熱溫度更高、加熱爐停留時間更長。生產中軋制過程出現故障，處理故障耗時100 min，導致后續生產的鑄坯在加熱爐內停留時間最長達387 min。統計加熱時間與表面裂紋和起皮缺陷對應關系，產生表面裂紋的鋼卷在加熱爐停留時間≥220 min，加熱時間超過300 min的鋼卷都存在表面起皮現象，即加熱時間越長，出現缺陷的程度越嚴重。

3. 表面裂紋和起皮產生的原因

產品在加熱爐內加熱時，鋼坯與弱氧化性的爐氣發生氧化反應，由于加熱時間長、溫度高，在鑄坯表層形成較厚的氧化鐵皮。鐵的氧化優先于銅，隨著鑄坯氧化的進行，銅含量相對增加，直到銅不能完全溶解，未被溶解的部分銅會沿晶界擴散，形成網絡富銅相[6−7]。由于鋼坯的加熱溫度1200~1290 ℃，高于銅的熔點（1083 ℃），所以富銅相處于熔化狀態。熔化狀態的富銅相弱化奧氏體晶界，軋制時會導致表面缺陷，形成“銅脆”裂紋缺陷[8]。

3.1 溫度對Cu擴散的影響

Cu在高溫環境下的擴散方式如圖4所示[5]，既有滲透過程又有擴散過程。滲透過程是Cu沿奧氏體晶界滲透，易產生“銅脆”缺陷；擴散過程是Cu在鋼和氧化鐵皮中均勻化的過程，可減少Cu富集程度，不易產生“銅脆”缺陷。由圖4可見，當加熱溫度低于1080 ℃時，滲透速度大于擴散速度，Cu的擴散以滲透過程為主，易于生產“銅脆”缺陷。當加熱溫度高于1080 ℃時，擴散速度大于滲透速度，Cu的擴散以擴散過程為主，不易生產“銅脆”缺陷。因此鑄坯在加熱爐中加熱時，快速升到1080 ℃以上，是解決“銅脆”缺陷的有效方法。有文獻[9]研究表明鋼坯表層富銅相在1100 ℃左右開始熔化是造成“銅脆”現象的根本原因，因此，將加熱溫度快速提升到1100 ℃以上，有助于解決“銅脆”缺陷。

3.2 加熱溫度對氧化層厚度的影響

有研究[10]表明：鋼在加熱爐內加熱時氧化反應隨著溫度的升高不斷發生變化，加熱溫度小于1100 ℃時，氧的擴散速率慢，氧化反應主要發生在晶界，氧化過程較慢；當加熱到1100～1200 ℃時，氧的擴散速度快，氧化反應同時發生在晶內、晶界，氧化過程快速；當加熱到大于1200 ℃時，前期快速氧化產生的氧化層以及氧化活性較低的合金元素在基體與氧化層界面聚集，降低了氧的擴散，氧化反應速度相對前一階段有所降低，氧化過程達到了一種不快不慢的平臺狀。

3.3 在爐時間對氧化層厚度的影響

氧化層厚度隨在爐時間的增加呈線性變厚，但氧化層妨礙了鋼基體與氧氣的接觸，氧化層變厚的速度比較平緩，加熱時間對銅鋼氧化過程的影響沒有加熱溫度對氧化過程的影響顯著[10]。而韓樂等[11]研究認為在其設定的加熱工藝制度下，在爐時間對“銅脆”缺陷的影響顯著。

4. 改善措施

1）加熱爐內采用弱氧化氣氛，減少鑄坯表面氧化，減少Cu元素因選擇性氧化產生富集，從而減少“銅脆”的產生。

2）加熱爐一加熱段溫度由1220 ℃降低為1150 ℃，減少冷坯在一加熱段時表層和次表層的溫差，使鑄坯均勻加熱；二加熱段溫度提高至1220 ℃，使鑄坯快速加熱到1080 ℃以上，抑制銅液的滲透速度，減少“銅脆”缺陷的產生。

3）增加SPA-H前其它產品作為過渡材，減少為了保障加熱時間導致SPA-H在均熱段停留時間過長。

4）因事故導致鑄坯在爐時間≥220 min時，鑄坯做退回處理，不進行軋制。

5. 改善結果

實施改善措施后，SPA-H沒有批量出現表面裂紋和起皮缺陷，在后續多批次軋制中出現過2卷邊部起皮，即個別鋼卷存在問題。金相組織顯示起皮位置的裂紋周邊有明顯的脫碳現象，如圖5所示；利用掃描電鏡觀察缺陷，發現非金屬夾雜物如圖6所示，能譜分析結果鋁元素及氧元素異常偏高，正常位置則沒有大量的鋁元素及氧元素，如表2所示。查詢煉鋼工藝時發現該鋼卷對應的板坯在連鑄過程中有拉速波動等工藝異常，這種工藝異常易導致結晶器液面波動，進而導致卷渣，鑄坯產生局部缺陷。工藝波動與微觀檢測結果有一定對應關系，由此可推斷起皮缺陷是由鑄坯裂紋遺傳到鋼卷。

6. 結論

（1）1100 ℃以下是含銅鋼產生表面裂紋的敏感溫度區間，快速通過該溫度，并且控制較短的在爐時間，可以減少銅液的滲透、避免產生“銅脆”現象。

（2）加熱時間對SPA-H表面裂紋和起皮缺陷影響較大，SPA-H在爐時間不宜超過220 min。

（3）除了“銅脆”造成的表面裂紋和起皮外，拉速波動導致的卷渣問題也會導致起皮缺陷。

文章來源——金屬世界