徐　奇， 高　虹， 程　健， 沈衛(wèi)強， 祝曉斌， 侯小龍， 翟麗麗

(江蘇武進不銹股份有限公司，江蘇 常州　213111)

1　概　述

不銹鋼無縫管00Cr19Ni10相當于ASME材料UBS TP304L，具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質及酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕和優(yōu)良的綜合性能等特點，是產量和消費量最大、最知名的一種18-8型Cr-Ni不銹鋼無縫管鋼種[1]；被廣泛應用于國民經濟諸多領域。

目前，國內18-8型奧氏體不銹鋼無縫管的加工方法，主要采用的是“熱軋穿孔+冷加工”工藝，具有較高的成材率和良好的經濟性。熱軋穿孔作為不銹鋼圓鋼加工成荒管的關鍵環(huán)節(jié)，是決定成品荒管質量、成材率以及加工成本的關鍵工序之一。圓鋼質量、加熱制度、模具設計、設備調整和操作等因素控制不當時，會造成荒管內/外表面擦傷、內/外裂、折疊等缺陷[2-3]，不僅增加后續(xù)加工難度，嚴重時將導致荒管報廢。

某公司采用二輥斜軋穿孔工藝生產00Cr19Ni10不銹鋼荒管，在某一批次的生產過程中，荒管全長范圍內出現內壁開裂和折疊(如圖1所示)，導致整批荒管報廢。本文對該批荒管內壁開裂產生的原因進行了分析，為其后續(xù)生產提供指導和借鑒。

圖1　報廢荒管內壁宏觀形貌

2　試樣檢測

報廢的00Cr19Ni10不銹鋼荒管所用圓鋼尺寸為Φ65mm，熱軋穿孔荒管規(guī)格為Φ65 mm × 5.5 mm。該批圓鋼穿孔工藝為：加熱溫度1070～1100 ℃，保溫45 min后，在線水冷。

2.1　檢測方法

從報廢荒管上取一段長30 mm且包含裂紋的圓環(huán)，采用線切割方式割取試樣。分別依據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(常規(guī)法)》、GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定-標準評級圖顯微檢驗法》、GB/T 13305-2008《不銹鋼中α-相面積含量金相測定法》、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》標準進行化學成分、非金屬夾雜物、α相含量以及晶粒度測定。

2.2　檢測結果

2.2.1化學成分

在荒管開裂處的臨近位置取樣，按GB/T

11170-2008標準，用SPECTRO MAXX直讀光譜儀進行光譜分析。該批荒管化學成分分析結果如表1所示，符合GB/T 13296-2013標準的要求。

表1　化學成分分析結果/%

2.2.2非金屬夾雜物

在荒管開裂處的裂紋末端，依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，對該樣品進行非金屬夾雜物的測定，結果如表2所示。

表2　非金屬夾雜物評定/級

2.2.3α相含量及晶粒度評定

采用10%草酸溶液電解腐蝕方法制備荒管縱截面金相圖片。如圖2所示，荒管基體為奧氏體組織，沿荒管縱向分布著大量條狀α相。依據GB/T 13305-2008標準對該樣品測定α相含量，結果為：3.0級(12%～20%)；依據GB/T 6394-2002標準對樣品進行晶粒度測定，結果為7.5級。

圖2　荒管縱截面金相圖片

2.2.4裂紋微觀形貌

如圖3,4所示，分別給出了裂紋拋光態(tài)和10%草酸電解腐蝕后的微觀形貌。結合圖1可知，該主裂紋發(fā)源于管坯內表面，沿壁厚延伸一定距離后，轉為沿加工方向延伸。主裂紋末端存在細小分叉，且其周圍存在與主裂紋平行的細小裂紋。腐蝕后發(fā)現，主裂紋周邊α相含量較高，存在嚴重的加工流變痕跡。

圖3　裂紋微觀形貌(拋光態(tài))

圖4　裂紋微觀形貌(10%草酸電解腐蝕態(tài))

3　成因分析

3.1　硅酸鹽類夾雜物對開裂的影響

由于試樣鋼中硅酸鹽類夾雜物為2.5級，已達到標準要求的臨界值，在不銹鋼中其化學成分、力學性能、熱加工性能與基材截然不同，硅酸鹽類夾雜物以彌散態(tài)存在于基材中，含量、形狀、顆粒大小、熔點以及在不銹鋼荒管上的分布情況，其存在破壞了不銹鋼基體的連續(xù)性。在不銹鋼圓鋼熱軋穿孔成型過程中，由材料內部應力引起的附加變形，在硅酸鹽夾雜物存在的地方造成應力集中，塑性變形將使缺陷加深、加長；同時，管體表面由于非金屬(硅酸鹽)夾雜物分布于晶界上，從而減弱晶粒間的聯系，使金屬熱塑性降低。特別是夾雜物含量級別已達到標準臨界值時，應力分布不均勻，從而產生應力集中現象，即在與硅酸鹽夾雜物相鄰的基體上應力急劇升高，容易在硅酸鹽夾雜物處形成裂紋[4]。因此，硅酸鹽夾雜物是造成開裂和折疊的主要誘因之一。

3.2　α相對熱加工性能的影響

00Cr19Ni10不銹鋼中有α相鐵素體存在，α-Fe晶體組織結構為體心立方結構，而奧氏體組織γ-Fe晶體組織結構為面心立方結構，兩者在變形能力上差異較大。當00Cr19Ni10不銹鋼中兩相共存變形時，在α相和γ相的界面易產生高于金屬斷裂強度的拉應力和切應力，兩相變形不一致，塑性急劇降低，其熱加工性能顯著降低，裂紋易在熱塑性較低的兩相界面處萌生。兩相界面極易成為熱軋穿孔過程中裂紋的發(fā)源地和擴展路徑。此外，二輥斜軋穿孔是一種復雜的、不均勻的變形過程。在頂頭或軋輥的碾軋作用下，管坯金屬發(fā)生劇烈變形，產生切向、縱向流動和扭轉。若穿孔工藝參數控制不當，兩相界面處應力水平超出其斷裂強度時，裂紋萌生，并沿兩相界面進行擴展。這種開裂形式在奧氏體不銹鋼熱加工過程中常有發(fā)生[5-6]。

3.3　管坯加熱制度對開裂的影響

由于00Cr19Ni10不銹鋼熱塑性變形溫度范圍窄，變形抗力較大，熱膨脹系數大，具有低的熱傳導性。熱穿孔變形溫度和保溫時間影響到不銹鋼圓鋼的塑性和流動行為，從而影響其變形分布形態(tài)。因此不銹鋼斜軋穿孔工藝中，熱穿孔時圓鋼與頂頭界面上的劇烈摩擦、與環(huán)境之間的熱交換和塑性變形熱效應均影響軋制荒管溫度的大小及分布[7]，溫升的大小決定穿孔速度和變量，整個過程都需要在良好的塑性變形區(qū)范圍內進行。要求在穿孔過程中管坯具有足夠的塑性和低的變形抗力，以有效改善管坯的組織性能。因此，合適的穿孔變形溫度是穿制荒管的必要條件。

針對00Cr19Ni10不銹鋼的低熱傳導性、低塑性以及原始應力等特性，在升溫過程中(<800℃時)管坯需要緩慢加熱；在高溫加熱階段，由于管坯的導熱性和塑性顯著增加，同時沿斷面的溫差減少，從而熱應力大為減小，可快速加熱到所需溫度并均熱。采用這種加熱制度，可有效地避免過快加熱易導致坯料產生裂紋，而過長時間處于高溫狀態(tài)，又導致坯料晶粒度過分長大，惡化穿孔性能。從檢測到晶粒度為7.5級數據來看，相對保溫時間不足。

3.4　熱穿孔參數對荒管內裂的影響

不銹鋼管坯熱穿孔主要利用管坯中心區(qū)域金屬裂而未斷的疏松狀態(tài)，將頂頭置于疏松區(qū)進行穿孔，是一種復雜、不均勻變形的金屬形變過程，通過合理的工藝參數設定，從而獲得穿孔過程的力學、運動學和荒管質量的最佳效果。通過對穿孔工藝分析，穿孔主要的影響參數包括軋輥轉速、頂前壓下量、橢圓度等[8]。從荒管開裂處可清晰地觀察形貌,造成內裂主要原因是頂頭前壓下量過大造成空腔；還由于穿孔速度過快，坯料的內表面溫度升高，在穿孔的過程中不銹鋼坯析出δ鐵素體，造成內表面缺陷，兩類因素迭加，使穿孔后荒管內表面產生裂紋。

4　控制措施及效果

在充分了解熱穿孔開裂產生機理及現場工藝考察的情況下，采取切實有效的措施控制表面開裂的產生，主要有：

①基于00Cr19Ni10不銹鋼管坯非金屬夾雜物級別已達到臨界值，因坯料為外購，在入廠理化檢驗中，一旦發(fā)現同類情況，通過在同批爐號的圓鋼上增加抽樣率，嚴格控制原材料質量。

②管坯中的大量α相主要來自于鑄錠的凝固過程。因此，在原材料檢驗時，除化學成分、非金屬夾雜物等檢測項目外，必須嚴格控制圓鋼中α相的體積分數。此外，通過合理選擇穿孔工藝參數，如坯料加熱溫度、保溫時間、導板距、軋輥距、軋輥轉速等，盡量降低穿孔變形區(qū)的不均勻變形及其產生的附加拉應力。

③針對不銹鋼導熱性差的問題優(yōu)化其穿孔加熱制度，斜底式加熱爐窯在低溫加熱階段時，通過適當延長加熱升溫時間，增加圓鋼管坯翻鋼頻次，使溫度沿管坯橫斷面及長度方向分布更均勻；在高溫加熱階段，通過快速加熱到所需溫度，再在均熱段充分保溫，使管坯沿橫斷面和長度方向溫差減小，以確保整支管坯溫度場分布均勻。

④適當減小頂頭前壓下量，分別進行各頂前壓下量對比試驗，確定適合的參數。同時對軋輥速度進行優(yōu)化，確定最優(yōu)的穿孔速度。

通過以上改進措施，在后續(xù)生產00Cr19Ni10不銹鋼荒管過程中，荒管開裂質量問題得到消除，生產過程穩(wěn)定，后續(xù)多批次穿孔荒管均合格。

5　結束語

引起00Cr19Ni10不銹鋼荒管熱穿孔開裂的原因較多，本文通過對報廢的00Cr19Ni10荒管進行常規(guī)檢測和分析，查找到產生穿孔內表面裂紋的主要原因是彌散在管體中硅酸鹽夾雜物、α相的偏高以及熱穿孔工藝不合理。在此基礎上，展示了熱穿孔過程中各參數對塑性變形的影響的細節(jié)，通過加強對原材料把關，嚴格按相關標準要求對原材料進行驗收；優(yōu)化熱穿孔生產工藝，主要通過合理地調整升溫速率，使開穿溫度沿圓鋼橫截面和長度方向分布更均勻，降低穿孔速率和減小頂前壓下量等參數的調整和優(yōu)化，為提高熱穿孔質量提供了有效的解決措施和方法。

參考文獻：

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