UNS N08810無縫鋼管冷擴(kuò)（拔）裂紋的形成原因分析及控制

郭 玲，趙 明，龐于思，劉富強(qiáng)，王連華，劉 靜

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 560460）

UNS N08810耐蝕合金為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。其中約有30%的Ni，20%的Cr，Al和Ti的總量約為1%。極低的碳含量和提高了的Ti∶C比率增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗敏化性以及抗晶間腐蝕性；其較高的鎳含量使其在水性腐蝕條件下具有很好的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能。高鉻含量使之具有更好的耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕開裂性能，廣泛地應(yīng)用在熱交換器、蒸汽動力渦輪、油氣管道等。它是耐蝕合金鋼種中應(yīng)用最為廣泛的鋼種之一。

UNS N08810無縫鋼管的加工工藝為擠壓開坯后冷軋（拔）出成品，該鋼種擠壓和冷軋工藝很成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能一直很穩(wěn)定。但隨著市場的深入開發(fā)，如Φ342 mm×16 mm、Φ123 mm×13 mm等規(guī)格非標(biāo)準(zhǔn)組距管都需要擠壓后冷擴(kuò)生產(chǎn)到成品，但在生產(chǎn)過程中冷擴(kuò)徑量4～9 mm，冷擴(kuò)后管材的外表面均出現(xiàn)了嚴(yán)重的魚鱗狀開口裂紋。研究分析UNS N08810無縫鋼管冷擴(kuò)后出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，進(jìn)而優(yōu)化加工工藝，最終實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 冷擴(kuò)外徑的工藝路線及主要工藝參數(shù)

中間品規(guī)格Φ114.3 mm×13.49 mm，經(jīng)過固溶→矯直→平頭→酸洗→修磨→探傷→潤滑→冷擴(kuò)（Φ123 mm×13 mm）→固溶→矯直→酸洗白化。潤滑采用牛油石灰，牛油與石灰的配比為1∶3，石灰和水的配比為1∶10。酸洗采用HNO3+HF溶液進(jìn)行酸洗，HNO3濃度為16%，HF濃度為4%。冷拔機(jī)為T200型冷拔機(jī)，冷拔速度為1.0 m/min，液壓傳動運(yùn)行平穩(wěn)。中間品固溶溫度參照ASTM B 407—2014《鎳鐵鉻合金無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》，設(shè)定為（1 150±10）℃，保溫20 min，強(qiáng)制水冷。UNS N08810管坯的化學(xué)成分滿足ASTM B 407—2014標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)的要求，見表1。

表1 UNS N08810合金管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2 冷擴(kuò)裂紋產(chǎn)生的原因及其分析

2.1 裂紋的形貌及金相組織

觀察冷擴(kuò)后管材的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，冷擴(kuò)后管材表面有嚴(yán)重的魚鱗狀開口裂紋，裂紋沿著縱向擴(kuò)展，長度5～50 mm。為了解UNS N08810冷擴(kuò)裂紋產(chǎn)生的原因以及裂紋的微觀組織結(jié)構(gòu)，對裂紋部位進(jìn)行了定位取樣。切取20 mm×25 mm的小試樣，酸浸后進(jìn)行組織、裂紋位置以及形貌的觀察。管坯金相形貌如圖1所示，從圖1可以看出，晶粒大小及分布不均勻，存在3.5級（600 μm左右）的超大晶粒，并且粗大晶粒周圍伴生有細(xì)小的晶粒，晶粒度級差超過5級，平均晶粒度為2.5～3.0級，出現(xiàn)非正?；炀КF(xiàn)象。管坯析出相形貌如圖2所示，發(fā)現(xiàn)細(xì)晶粒區(qū)域有較多的析出相，為圓形、三角形和多邊形等各種形狀。

2.2 裂紋部位的掃描電鏡及能譜分析

圖1 管坯金相形貌

圖2 管坯析出相形貌

在典型裂紋的部位進(jìn)行取樣，并在掃描電子顯微鏡SEM下觀察試樣腐蝕后的形貌，裂紋形貌如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，裂紋沿晶界開裂，并且在外力作用下得到有效擴(kuò)展，裂紋相互交錯、相互連接。裂紋內(nèi)部情況如圖4所示，塊狀物X射線能譜分析如圖5所示。圖5所示中圖譜1位置的三角形、長方形等各種形狀的灰白色塊狀物浮于基體上，并且沿晶界走向。晶粒內(nèi)部也有多邊形的灰白色塊狀物，有部分析出相聚集在一起呈現(xiàn)長條狀。為進(jìn)一步了解這種白亮塊狀物質(zhì)的成分，選取該物質(zhì)富集的區(qū)域進(jìn)行X射線能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)的主要成分為TiC，Ti的含量為42.15%，C的含量為39.58%，含有少量的Cr和Fe元素。文獻(xiàn)［1］認(rèn)為Ti的碳化物主要在位錯處析出，其長大主要受Ti在奧氏體中的擴(kuò)散速度控制。當(dāng)Ti含量大于0.04%，Ti會在低溫奧氏體區(qū)，奧氏體和鐵素體兩相區(qū)以及鐵素體區(qū)彌散析出，能顯著提高材料的強(qiáng)度。文獻(xiàn)［2］研究了TiC對鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，當(dāng)Ti含量為0.045%～0.130%時，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕琓iC對鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可達(dá)到100～250 MPa。

圖3 裂紋形貌

圖4 裂紋內(nèi)部情況

圖5 塊狀物X射線能譜分析

2.3 冷擴(kuò)裂紋的原因分析

2.3.1 晶粒度對裂紋的影響

金屬的晶粒大小對金屬的許多性能有很大影響。晶粒度的影響，實質(zhì)是晶界面積大小的影響。晶粒越細(xì)小均勻，晶界面積越大，對金屬性能的影響也越大［3］。對于金屬的常溫力學(xué)性能來說，晶粒越細(xì)小均勻，則強(qiáng)度和硬度越高，同時塑性和韌性也越好。

經(jīng)過高溫短時間固溶后的UNS N08810管坯的平均晶粒度為2.5級，級差超過5級，管坯出現(xiàn)了晶粒嚴(yán)重的不均勻現(xiàn)象，尤其是超大晶粒周圍附著小晶粒的混晶現(xiàn)象，在一定程度上降低鋼的機(jī)械性能。這是因為晶粒均勻，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越?。欢揖ЯＴ骄鶆蛟郊?xì)，晶界面會越多，晶界會越曲折；晶粒與晶粒中間犬牙交錯的機(jī)會就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好；相反，粗晶與細(xì)晶共生，晶界面大大減少，晶界變得平直，晶粒與晶粒間犬牙交錯的機(jī)會明顯減少，使得鋼的機(jī)械性能明顯降低。實際生產(chǎn)中，鋼管在較大的載荷作用下，產(chǎn)生大量的塑性變形。因外力通過內(nèi)模傳遞給鋼管，所以與內(nèi)模接觸的內(nèi)層金屬流動較快，外層金屬流動較慢。這種冷擴(kuò)方式會引起明顯的晶格畸變，從而使晶格能量提高，金屬內(nèi)能增加，產(chǎn)生更大的殘余內(nèi)應(yīng)力［4］。當(dāng)外層金屬的晶界承受晶格畸變超出其晶界面的承受力時，晶界就會被撕裂［5］，并在外力的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，這是導(dǎo)致冷擴(kuò)開裂的主要原因。

2.3.2 析出物與裂紋的關(guān)系

圖5所示譜圖1析出相化學(xué)成分見表2。由圖5和表2可見，多邊形析出物富含42.15%的Ti和35.98%的C。這兩種元素可以復(fù)合形成TiC，屬于鎳基合金中常見的MC型化合物［6］。

表2 譜圖1析出相化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

用Thermo-Cal軟件計算UNS N08810各析出相的平衡固溶析出規(guī)律，N08810合金中的TiC（即MC相）加熱到800℃開始溶解，直到1 220℃才能全部溶解［7］。可認(rèn)為還有部分TiC在固溶過程中沒有充分溶解掉［8］，而是在晶界附近析出，并保留到室溫狀態(tài)。

有研究表明［9］，TiC是一種脆性相，當(dāng)在晶界形成大尺寸的TiC薄膜時，由于這些相在晶粒界面上密集分布，使得晶粒從整體上看來是被一層脆性薄膜包圍，薄膜將是裂紋擴(kuò)展的一個低能通道，裂紋可以沿其晶界迅速擴(kuò)展，宏觀上表現(xiàn)為沿晶裂紋［10-11］。晶粒內(nèi)部的TiC析出物則對裂紋擴(kuò)展幾乎不產(chǎn)生影響［12-13］。由于UNS N08810合金中Ti含量較高，而在晶界上大量析出TiC將導(dǎo)致晶界富Ti，晶粒內(nèi)部貧Ti，會大大降低合金的塑性［14-15］，因此在應(yīng)力作用下很容易沿晶界產(chǎn)生裂紋源，從而增加裂紋產(chǎn)生的傾向。

3 優(yōu)化工藝細(xì)化晶粒

將冷加工及熱處理工藝結(jié)合起來，采用多道次大變形量冷軋與低溫固溶處理方式，通過控軋控冷的技術(shù)達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。首先，工藝設(shè)計上要采用二道次以上冷軋，變形量控制在50%～60%。因為通過大變形量冷軋后，粗大的晶粒將沿著軋制方向被拉長或軋碎，軋成帶狀或是纖維狀的組織。其次，采用1 010～1 050℃的低溫短時固溶處理，并采用最大水量噴淋進(jìn)行強(qiáng)制水冷，使晶粒經(jīng)過回復(fù)再結(jié)晶時停止長大，將晶粒度控制到5級或更細(xì)，從而得到均勻細(xì)化的組織晶粒。試驗方案為：Φ133 mm×13.49 mm軋至Φ108 mm×8 mm再軋至Φ76 mm×5 mm，之后擴(kuò)徑至Φ83 mm×5 mm。實踐證明，經(jīng)過二道次冷軋及固溶處理后，組織晶粒度可以達(dá)到5級，低溫固溶后晶粒度如圖6所示，之后再擴(kuò)拔到Φ83 mm×5 mm時，沒有出現(xiàn)裂紋，擴(kuò)拔后鋼管表面如圖7所示，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)。

圖6 低溫固溶后晶粒度示意

圖7 擴(kuò)拔后鋼管表面示意

4 結(jié) 語

（1）UNS N08810擠壓管組織晶粒度級差大，非正?；炀?yán)重，使合金的強(qiáng)度、塑性和韌性降低。當(dāng)外層金屬的晶界承受晶格畸變超出其晶界面的承受力時，晶界就會被撕裂，這是導(dǎo)致冷擴(kuò)開裂的主要原因。

（2）UNS N08810合金管的Ti含量較高，脆性TiC質(zhì)點(diǎn)在晶界附近析出，給裂紋提供了一個低能擴(kuò)展的通道，使得裂紋更容易擴(kuò)展，增加了裂紋產(chǎn)生的傾向。

（3）采用多道次大變形量冷軋形變，以及控制熱處理工藝和冷卻方式，可以有效地細(xì)化晶粒到5級或更細(xì)，減少擴(kuò)拔裂紋的產(chǎn)生。