冷軋沖壓用節(jié)鎳奧氏體不銹鋼盆表面裂紋研究

梁經(jīng)威 許榮君 田偉光 徐佳林 張永林

摘 要：本文采用掃描電子顯微鏡、直讀光譜儀等對冷軋沖壓用節(jié)鎳奧氏體不銹鋼盆進行微觀組織形貌以及成分的分析。結(jié)果表明：基體碳含量偏高是導致不銹鋼沖壓開裂的根本原因，其主要與連鑄階段的冷卻強度、拉速，熱軋階段的加熱溫度、加熱時間等工藝有關。通過數(shù)據(jù)分析，確立了節(jié)鎳不銹鋼的最佳生產(chǎn)工藝：連鑄拉速為1.0～1.2m/min，結(jié)晶器寬面冷卻強度為2350L/min、結(jié)晶器窄面冷卻強度370L/min，二冷Ⅱ區(qū)冷卻強度為170L/min以內(nèi)，加熱爐加一段溫度1100℃～1160℃、加二段溫度1260℃～1280℃、均熱段溫度1265℃～1285℃，總時間≥200min。該措施實施后，節(jié)鎳不銹鋼因裂紋導致的脫皮缺陷降級率由14.8%降低至2.4%，為冷軋沖壓用奧氏體不銹鋼提供了品質(zhì)的保障。

關鍵詞：冷軋沖壓;奧氏體不銹鋼;裂紋

中圖分類號：TG142.71

Abstract：In this study，the microstructure，composition of austenitic stainless steel in cold rolling stamping were analyzed by scanning electron microscope and optical emission spectrometer.The results show that the high carbon content of the matrix is the root cause of the stamping cracking of stainless steel，which is mainly related to the cooling strength and pulling speed in the continuous casting stage，the heating temperature and heating time in the hot rolling stage.According to data analysis，the optimum production process of nickel-saving stainless steel was determined as：casting speed was 1.0 ～ 1.2 m/min，intensity of cooling for wide surface of crystallizer was 2350 L/min，the narrow surface was 370 L/min，intensity of secondary cooling zone II was 170L/min，first section of the heating furnace was 1100℃～1160℃，the second heating section was 1260℃～1280℃，the average heating section was 1265℃～1285℃，and the total heating time was no less than 200min.After the implementation of this measure，the degradation rate of peeling defects of nickel-saving stainless steel due to cracks was reduced from 14.8% to 1.5%，which provided quality assurance for austenitic stainless steel used for cold rolling and stamping.

Key words：cold rolling stamping;austenitic stainless steel;crack

隨著建筑、五金制品、醫(yī)療器械等行業(yè)的不斷發(fā)展，金屬材料的需求量在穩(wěn)步提升[1-3]。目前，應用最為廣泛的金屬材料仍以奧氏體不銹鋼為主，但市場反饋表明：一些行業(yè)的不銹鋼制品雖然仍需具備一定的耐蝕性和冷成形性，但已不再作為結(jié)構鋼使用，如：食品、家居裝飾等行業(yè)[4]。因此，在傳統(tǒng)的304、316不銹鋼不再滿足多變的市場需求前提下，亟待尋找一種低成本、高性能的奧氏體不銹鋼替代材料[5]。

節(jié)鎳不銹鋼作為一種低鉻、錳、鎳的奧氏體不銹鋼，其具有較好的耐蝕性、耐熱性和低溫強度，生產(chǎn)成本相對較低，但冶煉、成型的過程中伴隨內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，從而導致冷軋不銹鋼性能惡化、品質(zhì)降級。為此，在低合金含量下，越來越多的研究者將研究重點轉(zhuǎn)向了如何改善生產(chǎn)工藝來降低不銹鋼冷加工制品失效問題。

不銹鋼微裂紋往往與基體局部的應力集中有關，不同階段呈現(xiàn)不同缺陷形式。目前，針對不銹鋼裂紋產(chǎn)生的不同階段已有相應的研究。連鑄階段，晶型的轉(zhuǎn)變常伴隨熱量的改變與初生坯殼體積的變化。所以，1100℃～1450℃，初始坯殼在結(jié)晶器中上部形成時，因鑄坯拉速、結(jié)晶器冷卻強度、冷卻均勻性的難控制，易出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變引起應力裂紋的現(xiàn)象[6]。在鑄坯成型后，盧大平等[7]通過徹底處理06Cr17Ni5N奧氏體不銹鋼鑄坯表面氧化皮、表面不平的方法，有效的降低熱軋階段由微裂紋引起的二類脫皮缺陷的發(fā)生。熱軋階段，由于σ、γ相的高溫塑性不同，連鑄時遺留的孔洞更容易聚集、形成裂紋，這些裂紋在二次氧化后沿軋制方向呈線狀、短粗箭頭狀脫皮[8]。為此，李志棟等[9]通過降低06Cr18Ni5Mn7Cu3N奧氏體不銹鋼坯體的駐爐時間（由>210min減少到150—210min）、加熱溫度（由1200℃～1260℃降低到1200℃～1240℃時），有效抑制Cu相沿晶解析出，缺陷的發(fā)生率由7%降至0.5%。退洗階段，氧化裂紋經(jīng)壓延覆蓋的表皮被洗掉，形成較淺凹坑，酸洗不足時，坑邊緣部位有銹成分殘留[10]。在冷軋階段，一旦超過局部所承受載荷極限，未暴露于表層的裂紋在內(nèi)應力的作用下瞬間發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂紋，并迅速蔓延至擠壓應力狀態(tài)處終止。

本文將對節(jié)鎳不銹鋼冷軋沖壓用奧氏體不銹鋼盆的裂紋情況進行微觀形貌、成分的分析，研究裂紋的形成機理，針對性提出相應的改善措施，對進一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低冷軋沖壓用不銹鋼裂紋的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

1 實驗材料與方法

冷軋沖壓用節(jié)鎳奧氏體不銹鋼按照AOD爐冶煉、LF爐精煉、連鑄、熱軋退洗、冷軋的工藝生產(chǎn)，其后在冷軋沖壓成盆時出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)取沖壓后鋼盆裂紋的法蘭（上區(qū)）、盆壁（中區(qū)）、盆底（下區(qū)）三個區(qū)域，分別切割成0.46×25×30mm的薄片樣品進行研究分析（見圖1）。

材料的微觀形貌采用掃描電子顯微鏡（EVO18 SEM，蔡司，上海）進行分析，成分采用能譜儀（X-MAX EDS，牛津儀器，上海）、直讀光譜儀（QSN750I，OBLF，上海）及紅外碳硫分析儀（CS-3000）氧氮分析儀（TC-600，美資立可儀器有限公司，上海）進行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 截面形貌

圖2所示為三個區(qū)域的截面微觀形貌。由圖2可得，上、中、下三區(qū)的斷口逐漸由粗糙變得光滑。其中，上區(qū)截面的外側(cè)部分呈現(xiàn)臺階狀解理性斷口，屬于脆性斷裂，由此可以推斷出：在沖壓成型的過程中，上區(qū)內(nèi)側(cè)易率先開裂。對局部進行仔細觀察后發(fā)現(xiàn)，截面還存在少量大型孔洞（20～40μm）與大量微型孔洞（<1μm）;中區(qū)的截面較光滑，截面依然遍布大量直徑不一的孔洞，且由內(nèi)側(cè)到外側(cè)孔洞的直徑逐漸減小，該區(qū)的大型孔洞集中分布于內(nèi)側(cè)表層，具有連續(xù)性。下區(qū)截面與中區(qū)截面形貌類似，有所不同的是，該區(qū)的大型孔洞靠近截面外側(cè)。

2.2 成分分析

對不銹鋼盆裂紋的上、中、下三個區(qū)域進行成分分析，其結(jié)果如表1所示。對比鋼盆中、下兩區(qū)成分可知，上區(qū)的合金元素的鉻鎳當量（Creq/Nieq）較低，C、N含量較高，室溫時該區(qū)域的塑性變形能力差，冷軋過程更容易因應力集中而開裂。

圖3為不同區(qū)域斷裂截面微觀結(jié)構及能譜結(jié)果。在裂紋上區(qū)位置（圖3a和b），截面金屬元素含量均正常，未發(fā)現(xiàn)大面積坑渣以及氧化物的存在。值得注意的是，局部區(qū)域C元素含量異常（見表2），具有沿盆內(nèi)側(cè)向外側(cè)方向增大的趨勢（位置1到位置3）。此外，沿著裂紋上區(qū)到中區(qū)方向的縱向截面上，C元素含量也逐漸增大，具體表現(xiàn)為：從位置1到位置4（盆內(nèi)側(cè)方向），C含量由0.11%增大到0.62%;從位置3到位置5（盆外側(cè)方向），C含量由0.38%增大到0.86%。

圖3（d）、（f）所示分別為不銹鋼盆中區(qū)、下區(qū)能譜面掃描結(jié)果。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，截面大型孔洞的周圍出現(xiàn)了C元素的富集現(xiàn)象，再次說明了C元素的富集與不銹鋼的冷軋開裂現(xiàn)象具有相關性。

3 改善措施及結(jié)果

3.1 成分

不銹鋼基體碳含量偏高，形變時誘導馬氏體大量產(chǎn)生，易引起局部硬度過高，不利于加工成型。為降低材料局部微裂紋、改善加工性能，現(xiàn)將碳含量由0.130%～0.180%調(diào)至0125%～0.150%，銅含量由0.34%～0.80%調(diào)至0.34%～0.38%，具體成分見表3。

3.2 連鑄冷卻強度與拉速

連鑄拉速影響初坯內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，拉速越大，鋼液在結(jié)晶器內(nèi)易卷渣，相應結(jié)晶器水、二冷區(qū)冷卻水強度增大，鑄坯處于快冷模式，內(nèi)部易出現(xiàn)后續(xù)導致裂紋萌生的缺陷，如疏松、多孔、三角區(qū)柱狀晶、元素偏析等。為此，提出了針對節(jié)鎳不銹鋼采用慢拉速，相對快冷的連鑄工藝，調(diào)整后二冷區(qū)域各段冷卻強度如圖4所示。盡量避免出現(xiàn)影響拉速、冷卻強度的因素，并在后續(xù)生產(chǎn)過程中保持澆鑄拉速在1.0～1.2m/min，結(jié)晶器水寬面控制在2350L/min、窄面370L/min，優(yōu)化前后變化如表4所示。

3.3 熱軋加熱爐溫控制

加熱爐的溫度與時間控制影響鋼坯內(nèi)部裂紋的轉(zhuǎn)變。溫度過低，加熱時間過短，軋機將難以軋制，粗軋時微裂紋難以軋合，易出現(xiàn)邊裂、頭部分層等大型裂紋缺陷。溫度過高，加熱時間過長，易出現(xiàn)“燒鋼”現(xiàn)象，嚴重影響材料的加工性能。為此，針對性提出控制節(jié)鎳加一段溫度1100℃～1160℃，加二段溫度1260℃～1280℃，均熱段溫度1265℃～1285℃，總時間≥200min，改善前后變化如表5所示。

3.4 改善結(jié)果

根據(jù)以上分析結(jié)果，確定節(jié)鎳不銹鋼最佳生產(chǎn)工藝：碳含量：0.125～0.150%，銅含量：0.34～0.38%，拉速：1.0～12m/min，結(jié)晶器寬面2350L/min、窄面370L/min，二冷Ⅱ區(qū)170L/min以內(nèi)，加一段溫度1100℃～1160℃，加二段溫度1260℃～1280℃，均熱段溫度1265℃～1285℃，總時間≥200min。采用改善后的工藝參數(shù)，節(jié)鎳不銹鋼因微裂紋引起的脫皮缺陷降級情況得到明顯改善（見圖5），從6月份148%的降級率降低到12月份的2.4%。

4 結(jié)論

（1）局部碳元素偏高是導致不銹鋼盆沖壓出現(xiàn)裂紋的根本原因。

（2）確立了節(jié)鎳不銹鋼的最佳生產(chǎn)工藝：連鑄拉速為10～1.2m/min，結(jié)晶器寬面冷卻強度為2350L/min、結(jié)晶器寬面冷卻強度為窄面370L/min，二冷Ⅱ區(qū)冷卻強度為170L/min以內(nèi)，加熱爐加一段溫度1100℃～1160℃、加二段溫度1260℃～1280℃、均熱段溫度1265℃～1285℃，總時間≥200min。

（3）以上措施實施后，節(jié)鎳鋼種應裂紋導致脫皮缺陷的降級例由14.8%降低至2.4%，為冷軋沖壓用奧氏體不銹鋼提供了品質(zhì)的保障。

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作者簡介：梁經(jīng)威（1989— ），男，本科，助理工程師，主要從事軋鋼工藝研究。

*通訊作者：許榮君（1993— ），男，碩士，助理工程師，主要從事不銹鋼生產(chǎn)工藝研究。