022Cr19Ni10无缝304L不锈钢管的裂纹与钢坯及穿孔荒管之间的关系

    国内从20世纪60年代起就不断采用二辊斜轧穿孔工艺消费18-8型不锈钢管，该工艺不只能够用于（304L不锈钢管的消费，同样也合适高合金（如高温合金、耐蚀合金）钢管的消费。但是，在二辊斜轧穿孔工艺中，钢坯质量、坯料加热制度、工具设计、设备调整和操作等要素控制不佳时则容易产生废品，如壁厚、内裂、内擦伤、外裂和表面划伤等。浙江久立特材科技股份有限公司采用二辊斜轧穿孔工艺消费202 mm X 23 mm 022Cr19Ni10(00Cr19Ni10)无缝（304L不锈钢管为冷轧机组提供管坯，但是在一个批次的产品中，简直每根荒管内部沿轴向均零星呈现了裂纹。裂纹特征就是荒管内外表和外外表根本上完好，但是管坯横截面上沿圆周方向零星散布细微裂纹，裂纹沿管坯轴向的长度大约数毫米。裂纹严重时，在整个圆周上发作金属分层现象。为找到产生裂纹的缘由，作者针对该批次内部呈现裂纹的022Cr19Ni10穿孔荒管，采用光学显微镜、热力学计算软件、定量金相、扫描电镜等多种办法对荒管内部产生裂纹的缘由停止了剖析，为其后续消费提供指导和自创。

1  理化检验及热力学计算结果

   二辊斜轧热穿孔工艺所用钢坯由国内某（304L不锈钢管厂提供，在呈现裂纹的022Cr19Ni10穿孔荒管管坯上锯下一段长度约为40 mm且包含裂纹的圆环，然后沿荒管轴向切下一块宽度约为20 mm的试样，停止化学成分剖析；应用热力学计算软件，以022Cr19Ni10钢坯的化学成分为基准，停止相均衡计算，肯定钢坯在不同温度下的相组成；采用定量金相法计算022Cr19Ni10钢坯及穿孔荒管中δ铁素体（δ相）的含量（面积分数），δ相的腐蚀办法是将显现奥氏体中δ相的溶液煮沸，腐蚀时间约为10 min;采用便携式铁素体测定仪对铁素体含量停止测定，以便和定量金相计算结果停止比照；采用Hitachi-3400N型扫描电子显微镜(SEM)察看022Cr19Ni10钢坯及穿孔荒管的显微组织，用其附带的能谱仪剖析物相组成。

1.1  显微组织

    通常来说，二辊斜轧穿孔中荒管质量缺陷的产生既有内在缘由（钢坯的化学成分、夹杂物的品种及散布形态等），也有外部要素（坯料加热温度及制度、工模具等）。该022Cr19Ni10无缝（304L不锈钢管穿孔工艺中钢坯的穿孔温度为1 100～1 140℃，穿孔完毕后立刻水冷。在同样的穿孔工艺下，对不同炉号、不同批次的钢坯停止穿孔，均未发现穿孔裂纹，而只要一个炉号的钢坯，共计30余支料简直每根荒管内部都呈现了零星裂纹。由此揣测，裂纹的原因很可能主要是由钢坯质量所惹起的。因而，对钢坯及荒管的显微组织停止剖析。

    从图2中能够看出，在管坯轴向，沿晶界散布着大量细长条状的黑色物质。经过定量金相计算知该细长条状黑色物质面积分数为2%～3%。

从图3中能够发现，沿轴向存在大量细微裂纹，部分裂纹宽度达0.1 mm；同时沿晶界散布着大量的细长条状物质，且大多数细微裂纹与细长条物质伴生。此外，依据能谱仪对细长条物质的剖析，知其为贫镍富铬的相（26.2%铬，3.6%镍）。可见，穿孔荒管内部裂纹的呈现与此细长条状物质亲密相关，如何肯定并消弭该物质关于进步穿孔荒管的质量具有非常重要的意义。

1.2  热力学相计算

    钢液冷却时首先从液相中析出体心立方(BCC)构造的δ相，在1 450℃左右发作包晶反响，液相全部转变为δ相；当温度继续降落时，α相中析出面心立方(FCC)构造的奥氏体相（γ相），在1170℃左右α相全部转变为γ相；当温度继续降落到840～720℃时，从γ相中先后析出M23C6和α相，温度降到约680℃以下时，从γ相中析出BCC构造的。铁素体相。依据022Cr19Ni10的穿孔工艺能够判别，M23C6、δ相和α相是不可能大量呈现的。因而，细长条状物质可能就是δ相。

2  剖析与讨论

    通常来说，δ相的呈现有两种缘由：一是铸锭凝固时直接从液相中析出，在随后的铸锭开坯及热加工过程中不断遗留在合金内部；二是由于钢坯加热温度偏高且时间较长，招致从γ相中析出δ相。022Cr19Ni10无缝（304L不锈钢管穿孔工艺中，穿孔温度为1 1OO～1 140℃，穿孔时间十分短，且穿孔完毕后立刻水冷。可见，穿孔工艺是不太可能招致α相的产生。此外，在同样的工艺下，其它炉号和批次的022Cr19Ni10穿孔荒管内部均未发现裂纹。由此推断，荒管内部的δ相应该是从钢坯中遗传下来的。

    从图5中能够看出，沿着钢坯轴向存在大量的细长条状δ相。定量金相测定其体积分数为3%～4%。此外，经过便携式铁素体仪停止测定，结果也标明铁素体含量（体积分数）约为3%左右。

    依据上述剖析，能够推断上述细长条状物质就是δ相。分离穿孔工艺，以为α相的呈现和钢坯的冶炼亲密相关。从表1可见，022Cr19Ni10(00Cr19Ni10)钢坯中钼的质量分数约为0.11%，规范中是没育此元素的；而镍的质量分数只要8.14%，处于规范值的下限。钼元素是铁素体的构成元素，通常来说为了取得稳定的奥氏体组织，在含钼的钢中必需恰当进步镍的含量，以均衡钼的作用。因而，在此低镍含钼的022Cr19Ni10钢坯中，假如铬、钼元素存在偏析则更容易构成δ相。此外，铸锭凝固过程中，假如冷却控制得不好，招致δ相来不及充沛回溶到基体中，在后期加工中产生组织遗传现象，从而影响到钢坯的热加工性能。

    二辊斜轧穿孔是一种复杂的、不平均的金属变形过程，在穿孔变形区各阶段横截面的变形强度沿直径散布的规律能够用[(U1+W)+2U2]表示，如图6所示。

    在穿孔准备区，和轧辊接触的管坯表面层变形猛烈，晶粒细化，靠近管坯中心的变形量小，晶粒粗大，变形强度沿直径方向呈U形散布，即U1区。随着直径压下量的增加，该区域持续这样一个过程。当压下量进一步增加时，和轧辊接触的管坯表面层变形量大，同时中心区域变形量也很大，而在两者之间的过渡区域变形量小，管坯内外外表晶粒得到细化，而过渡区晶粒粗大，变形强度沿直径方向呈W形散布，即W区。这种形态不断持续到穿孔顶头鼻部，但是晶粒继续细化，同一横截面上晶粒尺寸差异逐步减少。在穿孔段和碾轧段，与轧辊接触的外外表变形量大，呈现晶粒细化层。同时与顶头接触的荒管内外表的变形量也较大，呈现晶粒细化层。但是，在荒管壁厚中间区变形较缓和，晶粒稍大。这样，在顶头一侧，变形强度沿半径方向呈U形散布，在直径方向这样的变形区有两个，即2U2区。

    在这样一种不平均变外形态下，表面层金属变形猛烈，金属必然要产生纵向、横向和切向活动，同时发作改变，金属趋向于周长增大和胀曲，从而在表面层变形区和壁厚中间过渡变形区产生附加拉应力和剪切应力。当这种附加拉应力超越金属的强度和塑性变形才能时，金属就会产生开裂，这就是荒管表面层开裂的缘由。外裂通常发作在U1区和U2区。在W区，金属晶粒得到细化，当金属流经顶头外表时，遭到顶头碾轧作用，管坯内外表金属发作猛烈变形，晶粒继续细化。同时，金属产生切向、纵向活动和改变。于是，在内表层和中间过渡区产生纵向、切向和横向拉应力，金属在碾轧过程中，当这种拉应力超越金属的断裂强度时，便会在内表层和中间层之间产生内裂纹，内裂纹通常在U区产生。

    δ相是体心立方构造，而γ相是面心立方构造，两者的变形才能不分歧，特别是两者相界面的热塑性低于γ相基体的，当这两相共存变形时，容易产生裂纹。采用恒温热紧缩实验研讨022Cr19Ni10钢的热加工性能时发现，高温高速变形时容易产生δ相并招致合金高温塑性降低，当变形温度在1 200℃，应变速率在100 s-1时，生成了约0.7%（体积分数）的δ相，招致加工失稳现象产生；在厚壁管的斜轧穿孔过程中，由于变形过程不容易到达管壁的中心层，沿变形区产生双鼓变形的应力状态，所以此时中心层部位的拉应力和剪切应力急剧增大。在这种较高的拉应力状态下，在中心层δ相和γ相界面上更容易产生裂纹现象，如图7所示，以至在整个圆周上产生金属分层现象。

    综上可见，022Cr19Ni10（304L不锈钢管二辊斜轧穿孔工艺中的不平均变外形态、δ相的存在是产生裂纹的主要缘由，而不平均变形产生超越金属断裂强度的拉应力和切应力则是促进了裂纹产生。因而，在奥氏体不锈钢厚壁管的二辊斜轧穿孔中，首先需求控制原料的质量，尽量防止α相的产生；同时，需求合理选择穿孔工艺参数，如坯料加热温度、碾轧角、喂入角和轧辊转速，尽量降低穿孔变形区的不平均变形及其产生的附加拉应力。

3  结  论

    (1) 022Cr19Ni10不锈钢坯由于化学成分控制不佳，在钢坯中产生了约3%（体积分数）的δ铁素体相，穿孔时不平均变形是开裂纹的主要缘由。

    (2) 022Cr19Ni10不锈钢二辊斜轧热穿孔过程中，变形强度沿横截面方向散布不平均，δ相与γ相变形才能不分歧，在两相的界面产生高于金属断裂强度的拉应力和切应力，从而促进微裂纹构成并扩展。