王小萍,董易淼,朱雄明,沈偉杰 

(湖州久立永興特種合金材料有限公司,湖州 313000) 

    摘 要:某批次07Cr18Ni11Nb不銹鋼在穿孔過程中出現(xiàn)分層。采用宏觀及微觀檢查、化學成 分分析、金相檢驗、掃描電鏡和能譜分析等方法,對其穿孔分層的原因進行了分析。結果表明:該不 銹鋼坯料中沿軸向分布的鏈狀和棒狀初生 Nb(C,N)偏析相和穿孔過程中的非均勻變形是導致分 層的主要原因;穿孔過程中,初生 Nb(C,N)相與奧氏體基體變形不協(xié)調(diào),在界面處產(chǎn)生應力集中使 管坯局部斷裂強度降低,在非均勻變形產(chǎn)生的附加拉應力作用下,應力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋,并在后 續(xù)碾軋過程中不斷擴展,導致分層;建議在冶煉過程中控制碳、鈮元素含量,改善重熔凝固條件,調(diào) 整穿孔工藝參數(shù),適當降低軋輥轉(zhuǎn)速,以有效防止穿孔分層的發(fā)生。 關鍵詞:07Cr18Ni11Nb鋼;無縫鋼管;斜軋穿孔;分層;鈮偏析

中圖分類號:TG142.71 文獻標志碼:B 文章編號:1000-3738(2020)08-0097-06

    Abstract:Abatchof07Cr18Ni11Nbstainlesssteelexhibiteddelaminationduringthepiercingprocess.Thecausesofdelamination wereanalyzedthrough macroscopicand microscopicinspection,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination,scanningelectron microscopyandenergyspectrum analysis.Theresultsshowthatthechain-likeandrod-likeprimaryNb(C,N)segregationphaseandnon-uniformdeformationduringthe

piercingprocesswerethemaincausesofdelamination.Duringthepiercingprocess,thestressconcentrationcaused

bythedeformationincompatibilitybetweenprimaryNb(C,N)phaseandaustenitematrixreducedthelocalfracture

strengthofthetubebillet.Undertheeffectofadditionaltensilestresscausedbynon-uniformdeformation,cracks

occurredinthestressconcentrationareaandcontinuedtoexpandinthesubsequentrollingprocess,resultinginthe

delamination.Itwasrecommendedtocontrolthecontentofcarbonandniobiuminsmeltingprocess,improvethe

remeltingandsolidificationconditions,adjustthepiercingprocessparametersandreducetherollspeedappropriately

toeffectivelypreventtheoccurrenceofpiercingdelamination.

Keywords:07Cr18Ni11Nbsteel;seamlesssteeltube;diagonalrollingpiercing;delamination;niobiumsegregation

0 引 言

    07Cr18Ni11Nb不銹鋼(美標牌號 UNSS34709)屬于高碳含鈮 Cr-Ni奧氏體不銹鋼,穩(wěn)定化元素鈮的加入使其具有優(yōu)良的耐酸堿腐蝕性能,廣泛應用于鍋爐、發(fā)電、石油、化工等領域,主要用于制作熱強性要求較高的各類管道零件。

    我國自20世紀60年代開始采用二輥斜軋穿孔工藝制備無縫管[1]。坯料由傾斜布置的、與軋制線成一定角度的雙錐形軋輥帶動,沿縱軸旋轉(zhuǎn)前行,被置于軋輥間的穿孔頂頭強制穿孔后,再進行壁厚縮減、外徑擴大、長度延伸和進一步的碾軋變形。二輥斜軋穿孔工藝具有較高的成材率和良好的經(jīng)濟性,適用于 生 產(chǎn) 不 銹 鋼、高 溫 合 金 及 耐 蝕 合 金 無 縫管[2-5]。穿孔作為無縫管生產(chǎn)的第一道工序,直接影響成品管材的質(zhì)量。而穿孔毛管質(zhì)量的優(yōu)劣取決于管坯成分、加熱制度、模具設計、設備調(diào)整和操作等因素,若控制不當,極易出現(xiàn)穿孔廢品。某公 司 采 用 二 輥 斜 軋 穿 孔 工 藝 生 產(chǎn) 一 批07Cr18Ni11Nb不銹鋼無縫管,在穿孔過程中圓鋼下料14支,其中3支毛管在隨后的超聲波探傷中出現(xiàn)缺陷信號,波形反射較強,并沿毛管軸向有一定延伸長度。因缺陷不在表面,無法通過打磨、拋光去除,導致鋼管報廢。該無縫管生產(chǎn)流程為管坯(直徑為247mm 的圓鋼)→剝皮→定尺下料→定心孔→裝爐加熱→穿孔毛管(?250 mm×22 mm)→拋光→酸洗→探傷→冷軋成品管(?168mm×11mm)。為指導后續(xù)生產(chǎn),提高成材率,減少經(jīng)濟損失,作者對該批毛管內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀及微觀檢查

   目視檢查發(fā)現(xiàn),在毛管橫截面靠近內(nèi)壁處存在一條明顯的裂紋,如圖1所示。利用 AxioImager.M2m型光學顯微鏡進一步分析可知,該裂紋沿毛管周向(橫截面)寬度達1.5mm,沿軸向(縱截面)長度超過20mm,為二維平面缺陷。

1.2 化學成分

    按照 ASTM A751-2014a,在毛管缺陷處取樣,采用SpcetroMAXx型直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可知,穿孔毛管與圓鋼化學成分基本一致,均符合 GB/T13296-2013對07Cr18Ni11Nb不銹鋼的要求。

1.3 晶粒度及非金屬夾雜物

    在毛管缺陷處截取試樣,經(jīng)打磨、拋光后,采用質(zhì)量分數(shù)為10%的草酸溶液進行電解腐蝕,然后依據(jù) ASTM E112-2013對其晶粒度進行評級。由圖2可知,穿孔后毛管晶粒度為7.5級,無異常粗大晶粒,而裂紋附近晶粒度達8.0級,且腐蝕顏色較深。

    按照 ASTM E45-2013A 法進行非金屬夾雜物評級,結果如表2所示,可見缺陷處 A、B、C、D 類夾雜物分布及尺寸均無明顯異常。

1.4 微觀形貌及微區(qū)成分

     采用 HitachiS-3400N 型掃描電子顯微鏡背散射電子衍射(BSE)模式對不銹鋼毛管缺陷處進行顯微觀察。由圖3可知:該缺陷開裂界面平直,無次生裂紋,初步判斷為分層;在分層缺陷附近分布著大量鏈狀和短 棒 狀 白 色 析 出 相,其 中 鏈 狀 相 最 長 可 達300μm,單個棒狀相長度超過20μm。采用 X-ACT型能譜儀(EDS)對含有該相的區(qū)域進行元素面掃描定性分析。由圖4可知,該白色析出相富含鈮元素,鐵、鉻和鎳元素含量較少,由此判斷其為富鈮碳氮化物 Nb(C,N)。

2 分層原因分析

2.1 碳氮化物偏析

     07Cr18Ni11Nb不銹鋼中的鈮元素主要起穩(wěn)定化作用,其與碳、氮間隙原子具有較強的親和力,在退火過程中容易形成細小彌散的二次析出碳氮化物,這可以降低材料的晶間腐蝕傾向,同時提高材料強度。然而,在鋼錠熔煉凝固過程中,由于熔體微觀成分的不均勻性,各部分初凝點不盡相同。熔體以樹枝狀結晶方式凝固時,先凝固區(qū)域和后凝固區(qū)域中的元素含量便會存在偏差,形成枝晶偏析。通常原子序數(shù)在鋁之后的合金元素,如鉬、鉭、鈮、鈦、鉿、鋯等的偏析程度依次增加[6-7]。鋼錠尺寸越大,合金化程度越高,偏析敏感度則越高。一般枝晶干上主要元素含量較多,枝晶間則容易富集鈮、鋁、鈦等元素,且碳氮化物等析出相較多,晶粒尺寸較小,因此易發(fā)生腐蝕,故在金相檢驗時,枝晶間表現(xiàn)為暗區(qū),且晶粒相對較小,這與圖2顯微組織分析結果一致。該批次 07Cr18Ni11Nb不 銹 鋼 熔 煉 時 的 電 極直徑為350mm,電渣鋼錠直徑為500mm,較大的截面尺寸使得鋼錠在凝固過程中不可避免會發(fā)生枝晶偏 析。鈮 在 鋼 中 偏 析 時 通 常 以 高 硬 的 初 生Nb(C,N)相 形 式 出 現(xiàn)(圖 5),其 主 要 分 布 在 枝 晶間,尺寸通常較大(微米級以上)[8]。經(jīng)1200 ℃固溶后,鋼中的枝晶偏析及初生 Nb(C,N)相依然大量存在,說明該析出相很穩(wěn)定,很難通過固溶處理使 其 溶 解。SUNDMAN 等[9] 研 究 發(fā) 現(xiàn),在07Cr18Ni11Nb不銹 鋼 中,20% (體 積 分 數(shù),下 同)的 NbC以初生碳化物的形式出現(xiàn),熔煉時該碳化物在1360 ℃ 開 始 形 成,降 溫 至 550 ℃ 時 基 本 結束;固溶溫度為1000 ℃時,約85%的碳化物不會發(fā)生溶解而繼續(xù)留在基體中,固溶溫度為1200 ℃時,約50%的碳化物會保留下來。由圖5(c)可以看出,經(jīng)熱鍛加工后,07Cr18Ni11Nb不銹鋼中的枝晶已基本消失,而初生 Nb(C,N)偏析相依然存在,甚至在熱變形過程中出現(xiàn)聚集長大的趨勢,這進一步說明初生 Nb(C,N)相非常穩(wěn)定,不易通過熱處理或熱加工的方式消除,具有非常高的組織遺傳性。

2.2 穿孔過程中的附加拉應力

    由理化檢驗結果可知,分層失效毛管的化學成分滿足標準要求,非金屬夾雜物均無異常,晶粒也無明顯粗化。然而,其組織中分布著大量遺傳自鋼錠組織的、經(jīng)熱加工未充分破碎的鏈狀和短棒狀初生Nb(C,N)相。Nb(C,N)相 中 NbC 的 顯 微 硬 度 在23.5GPa以上,NbN 的顯微硬度約為14.3GPa,而07Cr18Ni11Nb 鋼 基 體 的 顯 微 硬 度 最 大 僅 為210MPa,因此在受外力作用時,兩者變形存在不協(xié)調(diào)性,相界面處會產(chǎn)生應力集中,使管坯的局部斷裂強度降低;該應力集中區(qū)域在后續(xù)斜軋穿孔過程中,極易成為裂紋源,導致毛管開裂甚至分層。二輥斜軋穿孔工藝是一種復雜的、不均勻的金屬變形過程,穿孔各階段變形區(qū)橫截面的強度沿直徑的分布規(guī)律可以用 [(U1 + W)+2U2]表示[10]。在開始階段,坯料表面首先與軋輥接觸而發(fā)生劇烈變形,形成表面細晶層,此時中心區(qū)域尚為粗晶區(qū),變形強度沿直徑方向呈 U 形分布,即 U1 區(qū),如圖6(a)所示。隨著壓下量的進一步增加,和軋輥接觸的管坯外表層以及中心區(qū)域的變形量較大,而二者之間的過渡區(qū)域變形量較小,管坯外表面和中心晶粒得到細化,過渡區(qū)晶粒粗大,變形強度沿直徑方向呈W 形分布,即 W 區(qū),見圖6(b)。W 區(qū)形態(tài)一直延續(xù)到坯料與穿孔頂頭接觸時,當兩者接觸后,金屬流經(jīng)頂頭表面,受到頂頭的碾軋作用,晶粒進一步細化,毛管孔腔內(nèi)壁形成細晶層,其與表面細晶層的過渡區(qū)域即毛管壁中間區(qū)域的變形量較小,晶粒尺寸較大,這樣在毛管直徑方向便存在兩個 U 形區(qū),即2U2 區(qū),見圖6(c)。變形強度的分布是一種動態(tài)概念,與碳鋼相比,高合金鋼通常 U1 區(qū)長,W 區(qū)短,U2 區(qū)的變形不均勻性較嚴重。

    在上述不均勻變形狀態(tài)下,始終與軋輥接觸的外表層金屬變形劇烈,隨著軋輥的帶動,金屬會向切向、縱向流動并發(fā)生扭轉(zhuǎn),趨向于使毛管周長增長和鼓脹。于是坯料/毛管的外表層與中心層交界處產(chǎn)生切向、縱向和徑向附加拉應力。在后續(xù)進行碾軋變形時,若該附加拉應力超過金屬的斷裂強度或裂紋源處的最大承載應力,金屬就會發(fā)生開裂,形成外分層。外分層發(fā)生 在 坯 料 與 軋 輥 接 觸 的 U1 區(qū) 或U2 區(qū)。當坯料與穿孔頂頭接觸時,金屬組織受頂頭碾軋作用而發(fā)生細化。這部分金屬在劇烈塑性變形作用下必然要向切向和縱向流動并發(fā)生扭轉(zhuǎn),于是在毛管腔內(nèi)表面和中間層過渡區(qū)域產(chǎn)生切向、縱向和徑向附加拉應力,由應力引發(fā)的金屬開裂會形成內(nèi)分層;內(nèi)分層發(fā)生在 U2 區(qū)。外分層與內(nèi)分層是相對概念,分層缺陷通?？拷芡獗砻婊騼?nèi)表面并深入到皮下一定深度。

2.3 穿孔過程中的工藝因素

   二輥斜軋穿孔過程中的主要工藝參數(shù)為坯料加熱 制 度、軋 輥 轉(zhuǎn) 速、送 進 角 和 碾 軋 角 等。 其 對07Cr18Ni11Nb不銹鋼管穿孔分層的影響如下。

    (1)加熱制度。07Cr18Ni11Nb不銹鋼屬于熱強鋼,其熱塑性變形溫度范圍窄、高溫變形抗力大、低溫熱導率低。因此,在斜軋穿孔前進行加熱時,若在低溫段(小于850℃)加熱過快,坯料易產(chǎn)生裂紋;若在高溫段(1100~1200 ℃)保溫時間過長,晶粒會發(fā)生粗化,導致其熱塑性變差,進一步增加斜軋變形抗力,并且坯料在高溫段易析出δ鐵素體,造成毛管內(nèi)表面開裂、折疊等缺陷[11]。此外,對于大尺寸坯料,若翻鋼不及時,其橫截面沿直徑方向的溫度分布不均勻,也會加劇分層或開裂傾向。

     (2)軋輥轉(zhuǎn)速。較低的軋輥轉(zhuǎn)速有利于減小頂頭的軸向阻力,使坯料中心發(fā)生均勻塑性變形,促進孔腔的形成。隨著軋輥轉(zhuǎn)速的提高,坯料形成孔腔的臨界變形量提高,而毛管出現(xiàn)分層缺陷的臨界變形量降低,不利于穿孔變形的進行。同時,軋輥轉(zhuǎn)速決定了穿孔速度,穿孔速度越快,材料因變形產(chǎn)生的溫升也越大,且不易控制[12],這對于07Cr18Ni11Nb不銹鋼穿孔變形是十分不利的。雖然穿孔速度快可以提高生產(chǎn)效率,但分層缺陷未解決之前,談產(chǎn)量是毫無意義的,特別是07Cr18Ni11Nb不銹鋼等高附加值材料而言。目前,同樣穿孔規(guī)格的普通304奧氏體不銹鋼在進行二輥斜軋穿孔時的軋輥轉(zhuǎn)速一般 控 制 在 300 ~ 400 r· min-1,而 該 批 次07Cr18Ni11Nb不銹鋼的在400r·min-1左右,作為比普通304不銹鋼熱強性更高的鋼種,該轉(zhuǎn)速顯然略高。

    (3)碾軋角和送進角。碾軋角是指二輥斜軋穿孔機軋輥的出口錐角,送進角指軋輥軸線與穿孔方向在水平面投影的夾角,也稱喂入角、前進角、咬入角等[13-14]。田黨[15]指出:要消除分層缺陷,需要碾軋角和送進角的合理匹配;對于一定成分的合金,其存在一個臨界碾軋角,當碾軋角大于該臨界碾軋角時,毛管的分層缺陷才能消除。但錐形輥穿孔機的碾軋角受到轉(zhuǎn)鼓、牌坊空間、天車、廠房高度等的限制,是不能隨意調(diào)整的。在固定碾軋角下,對于不同規(guī)格的07Cr18Ni11Nb不銹鋼坯料及毛管,尋求合適的送進角還需匹配軋輥轉(zhuǎn)速等作系統(tǒng)性研究。

    綜上所述,07Cr18Ni11Nb 不 銹 鋼 斜 軋 穿 孔 時發(fā)生分層缺陷是穿孔過程中的非均勻變形和初生Nb(C,N)偏析相共同作用的結果。受軋輥作用而在坯料/毛管外表層和中心層過渡區(qū)域引入的附加拉應力和由頂頭作用而在毛管腔內(nèi)表層和中間層過渡區(qū)引入的附加拉應力是分層缺陷產(chǎn)生的必要條件。該失效07Cr18Ni11Nb不銹鋼毛管坯料中存在的鏈狀和棒狀初生 Nb(C,N)偏析相與奧氏體基體的非協(xié)調(diào)變形進一步降低了分層缺陷出現(xiàn)的門檻,較低的附加拉應力即可引起管坯金屬的開裂或分層。同時,管坯加熱制度、穿孔軋輥轉(zhuǎn)速、碾軋角和送進角等參數(shù)之間的匹配也是影響穿孔毛管質(zhì)量的重要因素。

3 結論及建議

    (1)該07Cr18Ni11Nb不銹鋼中存在鏈狀和棒狀初生 Nb(C,N)偏析相,在斜軋穿孔過程中,其與奧氏體基體變形不協(xié)調(diào),在界面處產(chǎn)生應力集中,造成管坯局部斷裂強度降低;同時坯料/毛管變形強度沿橫截面分布不均勻,過渡區(qū)域存在附加拉應力。兩者的共同作用導致毛管出現(xiàn)裂紋,裂紋在后續(xù)碾軋過程中不斷擴展,最終導致分層。

    (2)穿孔工藝參數(shù)如坯料加熱制度、軋輥轉(zhuǎn)速、送進角和碾轉(zhuǎn)角等匹配不當,會進一步加劇坯料/毛管沿截面的非均勻變形,引起分層。

    (3)建 議 在 滿 足 產(chǎn) 品 要 求 的 條 件 下,將07Cr18Ni11Nb鋼中碳、鈮元素含量控制在范圍下限,并盡量 降 低 氮 元 素 含 量。同 時 改 進 電 渣 重 熔工藝,降低 熔 速,改 善 鑄 錠 凝 固 條 件,減 小 鈮 元 素的偏析,從源頭上減少初生 Nb(C,N)相。此外,要根據(jù)坯料情 況 合 理 調(diào) 整 穿 孔 工 藝 參 數(shù),如 坯 料 低溫段緩慢加熱、高溫段快速加熱,在現(xiàn)有基礎上適當降低軋輥轉(zhuǎn)速,尋找軋輥碾軋角、送進角和軋輥轉(zhuǎn)速等參數(shù) 的 合 理 匹 配,以 降 低 非 均 勻 變 形 引 起的附加拉應力。

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械工程材料 > 2020年 > 8期 > pp.97）