至德鋼業(yè)易切削不銹鋼管表面裂紋原因分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司運用金相、掃描電鏡及能譜分析等手段對不銹鋼管表面裂紋進行了分析。結果表明,其表面裂紋是在軋制過程中產生的,并提出了有針對性的改進措施。易切削不銹鋼管是主要供自動機床進行高速切削制作機械零部件用的鋼管。易切削不銹鋼管雖然具有良好的切削性能,但由于其磷、硫的含量較一般碳素鋼高出數(shù)倍,因而降低了鋼管的高溫塑性,軋制和熱加工時易產生裂紋,降低產品合格率。近期,理化室接到一批易切削不銹鋼管試樣，用戶反映軋材經退火拉拔做成緊固件以后,表面出現(xiàn)大量裂紋,直接報廢,給用戶帶來巨大的經濟損失。為了弄清裂紋產生的原因,通過對裂紋部位的取樣,進行了金相、掃描電鏡觀察和能譜分析。

 一、試樣的選取與制備

  對裂紋位置進行取樣,試樣尺寸大小為20mm*20mm*14mm。從截面可以清晰觀察到裂紋向基體的延伸情況,且裂紋具有一定的深度。對裂紋截面進行金相和掃描電鏡觀察,并對裂紋附近的夾雜物進行能譜分析。用4%的硝酸酒精溶液侵蝕,觀察裂紋周圍的組織情況。

二、裂紋的形態(tài)及結果分析

 1. 宏觀形貌

  試樣上的裂紋形貌如圖所示,從圖中可以看出,裂紋呈現(xiàn)細條狀,頭部較寬,尾部狹長并有向基體中心擴展的趨勢,裂紋深度約為11mm。

 2. 金相顯微鏡和能譜分析

  至德鋼業(yè)利用金相顯微鏡觀察裂紋的形態(tài)特征。從圖可以看出,裂紋兩側存在一定厚度的高溫氧化物。裂紋尾部由線狀開始向鏈狀轉變,最后變成點狀。每個點中均有夾雜物,外面被高溫氧化物包裹。基體組織為鐵素體和少量珠光體,屬正常組織。對裂紋尾部點狀夾雜物進行能譜分析,結果如圖所示,元素的定量結果如表。從能譜分析的結果看,夾雜物主要為高溫氧化物包裹的夾雜物。

 3. 分析與討論

 在易切削不銹鋼管中，硫主要以硫化錳(MnS)的形式分布在鋼中。鑄態(tài)組織中,硫化物根據(jù)鋼中氧含量的高低可分為三種類型:Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。其中Ⅰ型、Ⅱ型硫化物有助于改善和提高切削性能,而硫化物對切削加工性能很不利。但在Ⅰ型、Ⅱ型MnS夾雜中,如果硫添加過高,會有多余的硫與鋼中的氧、錳、鐵生成共晶化合物并多成網狀分布于晶界,從而弱化晶界,加工過程中形成開裂。而且這種共晶化合物熔點很低(大約988℃左右),在高溫軋制(溫度為1080℃左右)過程中處于熔融狀態(tài),晶粒之間結合力較弱,易發(fā)生開裂,形成長條裂紋。裂紋兩側有高溫氧化物,說明裂紋形成于退火加熱前,從而排除了加工過程中產生裂紋的可能性。因此,可以推斷,裂紋為母材裂紋,即在軋制過程中產生。

 同時,該裂紋的形成與其鋼中硫化物夾雜的形態(tài)、尺寸、分布密度也有很大的關系。圖即為該裂紋附近硫化物夾雜分布形態(tài)圖。從圖中可以看出,硫化物夾雜分布極不均勻,且夾雜的尺寸差別也很大(夾雜最小處:長18.54mm,寬5.55mm;夾雜最大處:長138.79mm,寬18.64mm)。而在通常情況下,我們希望得到的是夾雜較細小、長度粗短的、分布均勻的紡錘形硫化物。

 為防止軋制過程中裂紋的產生,提出以下幾點措施: 在冶煉時控制硫的添加量,控制好硫化錳在鋼中的分布形態(tài),需要時可采用Zr、Mg變性處理;為獲得理想類型、尺寸和均勻分布的硫化物夾雜,只有采用小斷面連鑄工藝;軋制時,宜采用比較小的軋制比,以防止變形過大而使晶界開裂;由于加入易切削元素后,在鋼中產生夾雜物使鋼的基體脆化,降低了易切削鋼的熱加工性能,所以應適當降低軋制溫度,減少鐵、硫化錳共晶體熔化發(fā)生開裂;鋼坯加熱時應緩慢升溫,在加熱爐高溫段加熱均勻燒透,以使鋼坯內外溫度相同,軋制時變形一致,避免裂紋產生。

三、結論

  該批易切削不銹鋼管表面裂紋是在軋制過程中產生的。一方面應該不斷改進軋制工藝,控制恰當?shù)能堉茰囟?另一方面必須嚴格控制合適的硫含量，從而控制好硫化錳在不銹鋼管中的分布形態(tài),得到分布均勻、短而粗的紡錘形硫化物，進而防止軋制裂紋產生。