304 棒材法蘭斷面開裂分析

楊 梟，吳東平

304（06Cr19Ni10）不銹鋼棒材是奧氏體不銹鋼，作為不銹鋼、耐熱鋼使用最廣，是食品設(shè)備，一般化學(xué)設(shè)備，原子能工業(yè)用材。不銹鋼棒材主要用于制作不銹鋼管件、不銹鋼法蘭、螺桿等產(chǎn)品，由于不銹鋼中添加了較多的合金元素Ni、Cr、N 等，從而擁有較優(yōu)異的性能，加上客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求，因此要求熱軋不銹鋼棒材不僅要有良好的物理性能，而且對(duì)表面也有較高的質(zhì)量要求。304 是我司產(chǎn)量最大的產(chǎn)品，產(chǎn)品表面質(zhì)量和力學(xué)性能都在一直穩(wěn)步向前，對(duì)法蘭客戶提出下料端面開裂，我司高度重視做了大量實(shí)驗(yàn)和工藝調(diào)整，力求產(chǎn)品質(zhì)量滿足客戶要求。

1 生產(chǎn)工藝流程

304 棒材生產(chǎn)工藝流程：鋼坯→加熱爐→粗軋機(jī)組→液壓剪→一中軋機(jī)組→1#飛剪→精軋機(jī)組→2#飛剪→編組臺(tái)架→熱鋸→冷床→精整修磨→精整打包→稱重入庫(kù)。

304 棒材生產(chǎn)工藝流程;熱軋棒材切分（15cm ～25cm 按法蘭大?。訜釥t→一次鍛壓→二次鍛壓→沖壓成型→冷卻→入庫(kù)。

2 缺陷原因分析

2.1 宏觀開裂形貌

從裂口宏觀形貌來(lái)看，裂紋長(zhǎng)度基本貫穿斷面直徑，裂紋延申垂直于客戶剪切方向，裂口兩側(cè)或者一側(cè)有比較明顯的韌斷河流花樣。

（1）法蘭下料橫斷刀切方向與裂紋方向垂直。由于剪切剪刃的作用導(dǎo)致端面直徑變小，橫向端面應(yīng)力集中。

（2）方框區(qū)域?yàn)榱鸭y區(qū)域。裂紋長(zhǎng)度基本貫穿整個(gè)棒材直徑。

（3）橫斷截面中心區(qū)域出現(xiàn)了明顯金屬剪切韌斷的河流花樣。出現(xiàn)韌斷的河流花樣說(shuō)明棒材圓鋼的強(qiáng)度偏低，剪切時(shí)出現(xiàn)了微量的緊縮現(xiàn)象。

圖1 所示。

2.2 微觀金相組織分析

從金相組織來(lái)看，晶界處析出脆性相，脆性析出相的存在影響了不銹鋼的力學(xué)性能。

（1）圖a 為未開裂試樣。組織均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的晶界析出物。

（2）圖b 裂紋的延伸入機(jī)體深度較深，應(yīng)力集中加上脆性析出物對(duì)晶界力學(xué)性能的影響導(dǎo)致裂紋向機(jī)體延伸較大。

（3）圖c 晶界處析出脆性相Cr23C6。脆性析出相的存在增加了橫向剪切應(yīng)力釋放開裂的幾率。

圖2 所示。

2.3 PMA 電子探針分析

從EPMA 電子探針分析結(jié)果來(lái)看，晶界處析出脆性相Cr23C6。

（1）圖a 分別為40 倍、300 倍、500 倍的形貌分析。從形貌上看裂紋呈現(xiàn)斷續(xù)狀，深淺不一，裂紋端部呈現(xiàn)尖銳狀。

（2）圖b500 倍形貌下的光譜分析，譜圖1 和譜圖2 成分C、Cr、Ni、O 均異常，出現(xiàn)了C、Cr 化合物和Cr、Ni 氧化物，譜圖3為正常機(jī)體成分正常。

圖1 304 棒材法蘭下料端面開裂宏觀形態(tài)

圖2 304 棒材法蘭下料端面開裂金相組織

圖3 所示。

圖3 304 棒材法蘭下料端面開裂PMA 電子探針分析

2.4 夏比沖擊試驗(yàn)

（1）沖擊試驗(yàn)屬于極限破壞性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)本身的化學(xué)成分、金相組織、晶粒度，以及是否含有夾雜、偏析、白點(diǎn)、裂紋都會(huì)有一定的體現(xiàn)，所以沖擊試驗(yàn)得到廣泛應(yīng)用。但是由于影響實(shí)驗(yàn)的因素較多，也會(huì)使得沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果離散性較大。

（2）加工式樣使用線切割，缺口的角度、深度精度、粗糙度無(wú)法保證，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)誤差。

（3）排除式樣本身因素影響，沖擊實(shí)驗(yàn)的V 型缺口斷裂影響最大的是缺口角度、深度、粗糙度和V 型缺口根部半徑，之前式樣因制樣條件受限，未加工V 型缺口根部半徑，使得沖擊實(shí)驗(yàn)擺錘擊打式樣時(shí)出現(xiàn)了V 型缺口根部應(yīng)力集中。

3 改進(jìn)措施

（1）煉鋼成分提高N、Mn 含量，提高棒材軋制成品強(qiáng)度，減緩碳化物敏化析出和二次相形成。

（2）積極改進(jìn)方坯中心縮孔，減少中心裂紋源。保證方坯軋制后芯部組織致密性。

（3）熱軋棒材軋制提高加熱爐溫度，改進(jìn)軋線水冷系統(tǒng)，使成品架成品迅速降溫，盡可能規(guī)避540 ～900 這一敏化區(qū)間。減少碳化物析出。同時(shí)在540℃以后盡量緩冷，減少軋制表面張力和芯部應(yīng)力。

（4）溝通客戶加強(qiáng)對(duì)剪切機(jī)剪刃的管理，對(duì)于剪刃老化、夾具松動(dòng)等問(wèn)題及時(shí)更換。

（5）為消除加工式樣精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，加入沖擊試驗(yàn)剪切斷面分析率，對(duì)剪切斷面率異常的，再單獨(dú)進(jìn)行斷面金相組織和夾雜物分析?，F(xiàn)在我司就沖擊實(shí)驗(yàn)著手積累數(shù)據(jù)，弱化沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果偶然性。

4 總結(jié)

綜上所述分析得出棒材法蘭下料端面開裂原因是：法蘭生產(chǎn)使用剪切機(jī)下料，使棒材橫截面有較大形變導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以使用的下料剪刃和剪切力需要調(diào)整到最佳，減少剪切應(yīng)力；盡量減少下料端面棒材直徑方向形變，使機(jī)械對(duì)開裂的影響降到最低，因?yàn)?04 不銹鋼棒材軋制過(guò)程中必然要通過(guò)540℃～900℃敏化溫度區(qū)，間晶界處一定會(huì)析出脆性相Cr23C6。那么抑制和減少脆性析出相的存在就能大大提高不銹鋼的力學(xué)性能，市場(chǎng)流通普通304N、Mn 含量，無(wú)法滿足法蘭下料成品強(qiáng)度，對(duì)減緩碳化物敏化析出和二次相形成難以保證產(chǎn)品服役條件,我司通過(guò)對(duì)N、Mn 含量的優(yōu)化，提高了棒材產(chǎn)品的強(qiáng)度使其在剪切過(guò)程中端面變形量減少，減低應(yīng)力集中。

表1 煉鋼鋼種及成分含量