徐　奇， 高　虹， 程　健， 沈衛(wèi)強(qiáng)， 祝曉斌， 侯小龍， 翟麗麗

(江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司，江蘇 常州　213111)

1　概　述

不銹鋼無縫管00Cr19Ni10相當(dāng)于ASME材料UBS TP304L，具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)及酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕和優(yōu)良的綜合性能等特點(diǎn)，是產(chǎn)量和消費(fèi)量最大、最知名的一種18-8型Cr-Ni不銹鋼無縫管鋼種[1]；被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)18-8型奧氏體不銹鋼無縫管的加工方法，主要采用的是“熱軋穿孔+冷加工”工藝，具有較高的成材率和良好的經(jīng)濟(jì)性。熱軋穿孔作為不銹鋼圓鋼加工成荒管的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是決定成品荒管質(zhì)量、成材率以及加工成本的關(guān)鍵工序之一。圓鋼質(zhì)量、加熱制度、模具設(shè)計、設(shè)備調(diào)整和操作等因素控制不當(dāng)時，會造成荒管內(nèi)/外表面擦傷、內(nèi)/外裂、折疊等缺陷[2-3]，不僅增加后續(xù)加工難度，嚴(yán)重時將導(dǎo)致荒管報廢。

某公司采用二輥斜軋穿孔工藝生產(chǎn)00Cr19Ni10不銹鋼荒管，在某一批次的生產(chǎn)過程中，荒管全長范圍內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)壁開裂和折疊(如圖1所示)，導(dǎo)致整批荒管報廢。本文對該批荒管內(nèi)壁開裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，為其后續(xù)生產(chǎn)提供指導(dǎo)和借鑒。

圖1　報廢荒管內(nèi)壁宏觀形貌

2　試樣檢測

報廢的00Cr19Ni10不銹鋼荒管所用圓鋼尺寸為Φ65mm，熱軋穿孔荒管規(guī)格為Φ65 mm × 5.5 mm。該批圓鋼穿孔工藝為：加熱溫度1070～1100 ℃，保溫45 min后，在線水冷。

2.1　檢測方法

從報廢荒管上取一段長30 mm且包含裂紋的圓環(huán)，采用線切割方式割取試樣。分別依據(jù)GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》、GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定-標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》、GB/T 13305-2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行化學(xué)成分、非金屬夾雜物、α相含量以及晶粒度測定。

2.2　檢測結(jié)果

2.2.1化學(xué)成分

在荒管開裂處的臨近位置取樣，按GB/T

11170-2008標(biāo)準(zhǔn)，用SPECTRO MAXX直讀光譜儀進(jìn)行光譜分析。該批荒管化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示，符合GB/T 13296-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1　化學(xué)成分分析結(jié)果/%

2.2.2非金屬夾雜物

在荒管開裂處的裂紋末端，依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》，對該樣品進(jìn)行非金屬夾雜物的測定，結(jié)果如表2所示。

表2　非金屬夾雜物評定/級

2.2.3α相含量及晶粒度評定

采用10%草酸溶液電解腐蝕方法制備荒管縱截面金相圖片。如圖2所示，荒管基體為奧氏體組織，沿荒管縱向分布著大量條狀α相。依據(jù)GB/T 13305-2008標(biāo)準(zhǔn)對該樣品測定α相含量，結(jié)果為：3.0級(12%～20%)；依據(jù)GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)對樣品進(jìn)行晶粒度測定，結(jié)果為7.5級。

圖2　荒管縱截面金相圖片

2.2.4裂紋微觀形貌

如圖3,4所示，分別給出了裂紋拋光態(tài)和10%草酸電解腐蝕后的微觀形貌。結(jié)合圖1可知，該主裂紋發(fā)源于管坯內(nèi)表面，沿壁厚延伸一定距離后，轉(zhuǎn)為沿加工方向延伸。主裂紋末端存在細(xì)小分叉，且其周圍存在與主裂紋平行的細(xì)小裂紋。腐蝕后發(fā)現(xiàn)，主裂紋周邊α相含量較高，存在嚴(yán)重的加工流變痕跡。

圖3　裂紋微觀形貌(拋光態(tài))

圖4　裂紋微觀形貌(10%草酸電解腐蝕態(tài))

3　成因分析

3.1　硅酸鹽類夾雜物對開裂的影響

由于試樣鋼中硅酸鹽類夾雜物為2.5級，已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界值，在不銹鋼中其化學(xué)成分、力學(xué)性能、熱加工性能與基材截然不同，硅酸鹽類夾雜物以彌散態(tài)存在于基材中，含量、形狀、顆粒大小、熔點(diǎn)以及在不銹鋼荒管上的分布情況，其存在破壞了不銹鋼基體的連續(xù)性。在不銹鋼圓鋼熱軋穿孔成型過程中，由材料內(nèi)部應(yīng)力引起的附加變形，在硅酸鹽夾雜物存在的地方造成應(yīng)力集中，塑性變形將使缺陷加深、加長；同時，管體表面由于非金屬(硅酸鹽)夾雜物分布于晶界上，從而減弱晶粒間的聯(lián)系，使金屬熱塑性降低。特別是夾雜物含量級別已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)臨界值時，應(yīng)力分布不均勻，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，即在與硅酸鹽夾雜物相鄰的基體上應(yīng)力急劇升高，容易在硅酸鹽夾雜物處形成裂紋[4]。因此，硅酸鹽夾雜物是造成開裂和折疊的主要誘因之一。

3.2　α相對熱加工性能的影響

00Cr19Ni10不銹鋼中有α相鐵素體存在，α-Fe晶體組織結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，而奧氏體組織γ-Fe晶體組織結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，兩者在變形能力上差異較大。當(dāng)00Cr19Ni10不銹鋼中兩相共存變形時，在α相和γ相的界面易產(chǎn)生高于金屬斷裂強(qiáng)度的拉應(yīng)力和切應(yīng)力，兩相變形不一致，塑性急劇降低，其熱加工性能顯著降低，裂紋易在熱塑性較低的兩相界面處萌生。兩相界面極易成為熱軋穿孔過程中裂紋的發(fā)源地和擴(kuò)展路徑。此外，二輥斜軋穿孔是一種復(fù)雜的、不均勻的變形過程。在頂頭或軋輥的碾軋作用下，管坯金屬發(fā)生劇烈變形，產(chǎn)生切向、縱向流動和扭轉(zhuǎn)。若穿孔工藝參數(shù)控制不當(dāng)，兩相界面處應(yīng)力水平超出其斷裂強(qiáng)度時，裂紋萌生，并沿兩相界面進(jìn)行擴(kuò)展。這種開裂形式在奧氏體不銹鋼熱加工過程中常有發(fā)生[5-6]。

3.3　管坯加熱制度對開裂的影響

由于00Cr19Ni10不銹鋼熱塑性變形溫度范圍窄，變形抗力較大，熱膨脹系數(shù)大，具有低的熱傳導(dǎo)性。熱穿孔變形溫度和保溫時間影響到不銹鋼圓鋼的塑性和流動行為，從而影響其變形分布形態(tài)。因此不銹鋼斜軋穿孔工藝中，熱穿孔時圓鋼與頂頭界面上的劇烈摩擦、與環(huán)境之間的熱交換和塑性變形熱效應(yīng)均影響軋制荒管溫度的大小及分布[7]，溫升的大小決定穿孔速度和變量，整個過程都需要在良好的塑性變形區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行。要求在穿孔過程中管坯具有足夠的塑性和低的變形抗力，以有效改善管坯的組織性能。因此，合適的穿孔變形溫度是穿制荒管的必要條件。

針對00Cr19Ni10不銹鋼的低熱傳導(dǎo)性、低塑性以及原始應(yīng)力等特性，在升溫過程中(<800℃時)管坯需要緩慢加熱；在高溫加熱階段，由于管坯的導(dǎo)熱性和塑性顯著增加，同時沿斷面的溫差減少，從而熱應(yīng)力大為減小，可快速加熱到所需溫度并均熱。采用這種加熱制度，可有效地避免過快加熱易導(dǎo)致坯料產(chǎn)生裂紋，而過長時間處于高溫狀態(tài)，又導(dǎo)致坯料晶粒度過分長大，惡化穿孔性能。從檢測到晶粒度為7.5級數(shù)據(jù)來看，相對保溫時間不足。

3.4　熱穿孔參數(shù)對荒管內(nèi)裂的影響

不銹鋼管坯熱穿孔主要利用管坯中心區(qū)域金屬裂而未斷的疏松狀態(tài)，將頂頭置于疏松區(qū)進(jìn)行穿孔，是一種復(fù)雜、不均勻變形的金屬形變過程，通過合理的工藝參數(shù)設(shè)定，從而獲得穿孔過程的力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和荒管質(zhì)量的最佳效果。通過對穿孔工藝分析，穿孔主要的影響參數(shù)包括軋輥轉(zhuǎn)速、頂前壓下量、橢圓度等[8]。從荒管開裂處可清晰地觀察形貌,造成內(nèi)裂主要原因是頂頭前壓下量過大造成空腔；還由于穿孔速度過快，坯料的內(nèi)表面溫度升高，在穿孔的過程中不銹鋼坯析出δ鐵素體，造成內(nèi)表面缺陷，兩類因素迭加，使穿孔后荒管內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋。

4　控制措施及效果

在充分了解熱穿孔開裂產(chǎn)生機(jī)理及現(xiàn)場工藝考察的情況下，采取切實有效的措施控制表面開裂的產(chǎn)生，主要有：

①基于00Cr19Ni10不銹鋼管坯非金屬夾雜物級別已達(dá)到臨界值，因坯料為外購，在入廠理化檢驗中，一旦發(fā)現(xiàn)同類情況，通過在同批爐號的圓鋼上增加抽樣率，嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量。

②管坯中的大量α相主要來自于鑄錠的凝固過程。因此，在原材料檢驗時，除化學(xué)成分、非金屬夾雜物等檢測項目外，必須嚴(yán)格控制圓鋼中α相的體積分?jǐn)?shù)。此外，通過合理選擇穿孔工藝參數(shù)，如坯料加熱溫度、保溫時間、導(dǎo)板距、軋輥距、軋輥轉(zhuǎn)速等，盡量降低穿孔變形區(qū)的不均勻變形及其產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力。

③針對不銹鋼導(dǎo)熱性差的問題優(yōu)化其穿孔加熱制度，斜底式加熱爐窯在低溫加熱階段時，通過適當(dāng)延長加熱升溫時間，增加圓鋼管坯翻鋼頻次，使溫度沿管坯橫斷面及長度方向分布更均勻；在高溫加熱階段，通過快速加熱到所需溫度，再在均熱段充分保溫，使管坯沿橫斷面和長度方向溫差減小，以確保整支管坯溫度場分布均勻。

④適當(dāng)減小頂頭前壓下量，分別進(jìn)行各頂前壓下量對比試驗，確定適合的參數(shù)。同時對軋輥速度進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)的穿孔速度。

通過以上改進(jìn)措施，在后續(xù)生產(chǎn)00Cr19Ni10不銹鋼荒管過程中，荒管開裂質(zhì)量問題得到消除，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，后續(xù)多批次穿孔荒管均合格。

5　結(jié)束語

引起00Cr19Ni10不銹鋼荒管熱穿孔開裂的原因較多，本文通過對報廢的00Cr19Ni10荒管進(jìn)行常規(guī)檢測和分析，查找到產(chǎn)生穿孔內(nèi)表面裂紋的主要原因是彌散在管體中硅酸鹽夾雜物、α相的偏高以及熱穿孔工藝不合理。在此基礎(chǔ)上，展示了熱穿孔過程中各參數(shù)對塑性變形的影響的細(xì)節(jié)，通過加強(qiáng)對原材料把關(guān)，嚴(yán)格按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對原材料進(jìn)行驗收；優(yōu)化熱穿孔生產(chǎn)工藝，主要通過合理地調(diào)整升溫速率，使開穿溫度沿圓鋼橫截面和長度方向分布更均勻，降低穿孔速率和減小頂前壓下量等參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，為提高熱穿孔質(zhì)量提供了有效的解決措施和方法。

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