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超級雙相不銹鋼S32750軋制開裂原因分析和解決措施

S32750鋼管材生產(chǎn)工藝路線是鍛造+熱擠壓+軋制,某批次管材軋制過程中出現(xiàn)嚴重的開裂問題,制約生產(chǎn)進度。管材軋制開裂的照片見圖1,裂紋呈放射狀擴展,斷口無塑性變形特征,是脆性斷裂。通過對原料成分、非金屬夾雜物、軋制工藝調(diào)整、擠壓成形工藝、鋼管顯微組織和性能進行分析,找出材料脆性斷裂的原因,然后提出控制措施,優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

 
S32750超級雙相鋼無縫管開裂照片

1 試驗材料與方法

S32750鋼冶煉工藝為EAF+AOD+LF,鑄錠壓縮比>3.5,鍛后圓坯加工后直徑是φ357 mm。鋼管成形工藝路線：φ375 mm→熱擠壓φ222 mm×17.1 mm→鍛軋φ193.2 mm×11.5 mm。從鍛軋開裂的鋼管上取樣,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》和GB/T 20124—2006《鋼鐵氮含量的測定惰性氣體溶融熱導(dǎo)法》進行化學(xué)成分檢測,表1是S32750鋼的化學(xué)成分實測值,符合ISO 13680-2020要求。

Table 1 Chemical composition of the S32750 steel (mass fraction, %)

1.2 分析步驟和方法

2) 顯微組織分析：組織采用10%～30%的NaOH溶液電解,析出相檢測標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E562-2011《系統(tǒng)人工點計數(shù)法測定體積分數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》,相比例檢測標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 13305—2008《不銹鋼中鐵素體相的測定方法》,夾雜物檢測標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E45-2018《鋼中非金屬夾雜物的評定方法》。

2 S32750鋼管軋制開裂原因分析

冶煉純凈度控制不好的話,材料中會存在較多非金屬夾雜物。夾雜物塑性差,存在過多就會割裂金屬基體的連續(xù)性,降低塑性變形能力。從鍛軋開裂的鋼管上取樣,按照ASTM E45-2018進行檢測評級,在顯微鏡下觀察整個試樣表面,分別記錄不同類別夾雜物細系和粗系的尺寸,按標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計出最嚴重的級別數(shù),檢測結(jié)果見表2和圖2。

Table 2 Raw material requirements and measured nonmetallic inclusion contents of the cracked S32750 steel pipe

注：表中“—”表示未發(fā)現(xiàn)該類夾雜物

Fig.2 Morphologies of non-metallic inclusions in the cracked S32750 steel pipe

2.2 軋制工藝設(shè)計和調(diào)整

如果鍛軋速度過快,管材來不及釋放應(yīng)力,應(yīng)力集中超出材料強度極限也會出現(xiàn)裂紋。為進一步分析鍛軋工藝的影響,首先采取減少軋制次數(shù)和送進量的方法,軋制次數(shù)從初始的50～60次/min減少為30～35次/min,送進量從初始的4.0～4.5 mm/次減少為3.0～3.5 mm/次,調(diào)整鍛軋速度后仍然出現(xiàn)開裂問題。隨后采用減小變形量的方法,將軋輥距離放大,芯棒后撤,鍛軋后規(guī)格改為φ194 mm×12.1 mm,加工變形量降低到37%,減小變形量后開裂依舊存在。統(tǒng)計對比以往雙相不銹鋼生產(chǎn)參數(shù),40%左右變形量的鍛軋屬于成熟工藝,通過關(guān)鍵參數(shù)調(diào)整,開裂問題依舊沒有改善,說明軋制工藝和變形量不是本次開裂的原因。

管材擠壓成形過程受三向壓應(yīng)力的作用,如果擠壓工藝設(shè)計和操作不當(dāng),材料表面會被擠破產(chǎn)生微裂紋。沒有清理掉的缺陷可能成為鍛軋的裂紋源,經(jīng)過鍛軋后,微裂紋擴展成宏觀開裂?，F(xiàn)對本批次S32750鋼管材擠壓工藝參數(shù)進行分析,圖3是管材熱擠壓成形過程結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 S32750鋼管材熱擠壓過程結(jié)構(gòu)示意圖

高溫坯料送到擠壓筒內(nèi),擠壓桿推動擠壓墊和坯料向擠出方向前進。坯料前端緊貼玻璃墊后,擠壓桿繼續(xù)對坯料施壓,坯料前端金屬被擠入擠壓模與擠壓針組成的孔腔而變成管材,待擠壓桿前進到限位處時,擠壓結(jié)束。擠壓坯料外徑、內(nèi)徑尺寸分別為φ357 mm、φ65 mm,表面粗糙度不大于3.2 μm,一次感應(yīng)加熱爐中加熱到1120～1150 ℃,擴孔筒溫度大于150 ℃,擴孔速度100～200 mm/s,擴孔比約1.33,擴孔后外徑、內(nèi)徑尺寸分別為φ369 mm、φ200 mm,二次感應(yīng)加熱爐中加熱到1140～1180 ℃,擠壓筒溫度大于200 ℃,擠壓速度150～250 mm/s,擠壓比約6.9,擠壓管尺寸φ222 mm(鋼管外徑)×17.1 mm(鋼管壁厚),擴孔和擠壓過程都用玻璃粉潤滑,管材擠壓后水中快冷。通過工藝設(shè)計參數(shù)和現(xiàn)場操作記錄查詢,生產(chǎn)過程正常,經(jīng)過人工目視、ASTM E213-2014《金屬管材超聲波檢測的標(biāo)準(zhǔn)操作方法》和ISO 10124-1994《壓力用途的無縫鋼管層狀缺陷檢測用超聲檢驗》無損檢測,管材的表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量合格,沒有微裂紋存在。

超級雙相不銹鋼合金含量多,在加熱和冷卻過程中,除了兩相比例和兩相中合金元素含量發(fā)生變化外,還有碳化物M7C3、M23C6,氮化物CrN、Cr2N,金屬間相σ、χ、α′、R、π等析出,這些析出相會對力學(xué)性能和腐蝕性能產(chǎn)生不利影響[10]。從鍛軋開裂管材上取樣,進行顯微組織分析,結(jié)果見圖4。由圖4可以看出,鍛軋開裂S32750鋼管的顯微組織中存在較多金屬間σ相。黑色區(qū)域為σ相,在鐵素體-奧氏體相界處形核,然后沿著鐵素體-鐵素體晶界和鐵素體相內(nèi)長大,σ相周圍Cr、Mo等鐵素體形成元素貧化,形成白色區(qū)域奧氏體相,組織中鐵素體相大大減少,σ相的含量已達到5%～10%。

Fig.4 Microstructure of the rolling cracked S32750 steel pipe

表3 圖5中各點的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù),%)

Fig.5 Morphology of σ phase in the rolling cracked S32750 steel pipe

3.1 軋制前固溶處理及其組織性能

S32750雙相不銹鋼管經(jīng)過固溶處理后的顯微組織和析出相形貌如圖6和圖7所示,可以看出,鐵素體形成元素Cr、Mo等回溶到奧氏體中,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體,通過高溫擴散調(diào)整了相比例。奧氏體和鐵素體沿著擠壓方向以條帶狀交替分布,實測鐵素體含量47.53%,奧氏體和鐵素體兩相比例接近1∶1。析出相含量大大減少,僅在鐵素體晶界上分布少量黑色碳氮化物。多個視場沒有發(fā)現(xiàn)σ相,證明高溫固溶下σ相已經(jīng)完全溶解。鍛軋前管材經(jīng)過1100 ℃×60 min水冷的固溶處理,可以獲得良好的兩相組織和相比例。
 

Fig.6 Microstructure of the S32750 steel pipe solution treated at 1100 ℃ for 60 min
 

Fig.7 Precipitated phases in the S32750 steel pipe solution treated at 1100 ℃ for 60 min

表4 S32750鋼管經(jīng)1100 ℃×60 min固溶處理前后的力學(xué)性能

圖8 固溶處理后S32750鋼管材軋制后的實物照片
(a)管材頭部;(b)管身

固溶處理消除脆性σ金屬間相效果明顯,可以優(yōu)化S32750超級雙相不銹鋼的組織,均勻成分,調(diào)整相比例,提高塑韌性,為鍛軋變形提供塑性較好的原料。

3.3 成品的力學(xué)和耐蝕性能

表5 S32750鋼成品固溶處理后的力學(xué)性能(1100 ℃×40 min)

表6 S32750鋼成品固溶處理后的耐蝕性(1100 ℃×40 min)

4 結(jié)論

S32750鋼在鍛軋前經(jīng)固溶處理后,鐵素體形成元素Cr、Mo等回溶到奧氏體中,調(diào)整了相比例,奧氏體和鐵素體兩相比例接近1∶1;σ相高溫固溶下完全溶解;強度和硬度明顯降低,伸長率和沖擊吸收能量明顯提高,鍛軋過程順利,管材沒有出現(xiàn)裂紋。

文章引用：王海瑞,王錦永,劉富強,等.超級雙相不銹鋼S32750軋制開裂原因分析和解決措施[J].金屬熱處理,2024,49(02):291-296.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.02.045.