(06Cr19Ni10)304不銹鋼管冷軋表面線缺陷的形貌分析

 冷軋不銹鋼管的表面常出現各種各樣的缺陷，造成廢品或產品的降級。表面缺陷的產生原因十分復雜。浙江至德鋼業有限公司針對304不銹鋼管冷軋薄板表面出現的線缺陷的形貌，分析其形成原因，并進行熱模擬試驗，研究其不同的一次結晶組織的變形特點。太原鋼鐵公司作為國內最大的不銹鋼生產企業，在生產304不銹鋼管時，出現一種表面線條狀的缺陷，主要分布在距離兩個側面約200mm的范圍內，而這種線條狀的缺陷只有當冷軋板酸洗后才能觀察到。受太原鋼鐵公司委托，北京科技大學對這種表面線缺陷的形態、分布和產生原因進行初步分析，從有缺陷的304不銹鋼管上取樣，利用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察其形貌，利用能譜儀對局部成分進行了點分析和面分布的測量，并分析了出現這種缺陷的連鑄坯的質量，從連鑄坯上取樣進行熱模擬試驗，探討了這種線缺陷的產生機理。

一、試驗方法與設備

 從存在表面線缺陷的304不銹鋼管卷上裁剪小塊鋼板，用鉬絲線切割的方法在存在線缺陷位置截取金相試樣，進行微觀形貌的觀察。采用Laborlox 12 ME型光學顯微鏡和Cambridge S-250、S-360MKⅢ型掃描電鏡對不銹鋼板的表面進行微觀觀察，并用能譜儀對微區成分進行點分析和面分布的測量。為了進一步尋找這種線缺陷產生原因和其形成機理，在連鑄板坯上截取試樣進行表面質量檢查和微觀分析；并進行熱軋模擬試驗，采用Gleeble熱模擬試驗機進行高溫壓縮，觀察不同位置截取的試樣的熱變形規律。

 采用火焰切割的方法從連鑄板坯上截取坯料進行質量檢查，將火焰切割的板坯經過機加工，粗磨后用熱酸侵蝕顯示其宏觀組織，并制備金相試樣進行微觀組織觀察。熱模擬試樣從連鑄板坯上截取，試樣尺寸Φ8 mm×15 mm，如圖1所示，分別在距離窄邊表面為50 mm和30 mm處，截取了G1~G7 7個試樣，其中G1、G2、G5試樣的軸向平行于連鑄坯的柱狀樹枝晶一次臂方向，而G4、G7試樣的軸向垂直于柱狀樹枝晶一次臂方向，而G3和G6處于從窄邊和寬邊生長的柱狀樹枝晶的交界處。根據太鋼熱軋工藝確定用6道次軋制進行試驗，其中1~5道次模擬5道次粗軋，第6道次模擬精軋，各道次的試驗參數如圖2所示，每道次的變形量和變形速率是根據上面的熱軋參數和軋輥尺寸確定的。

二、試驗結果與分析

1. 線缺陷形貌觀察結果

 試驗發現，在出現表面質量的304不銹鋼管上存在兩種形態的缺陷，一種是線條狀的缺陷，一種是斑點狀缺陷。用肉眼觀察這種線狀缺陷，其形貌類似于劃痕，但在不同角度其反光特征不同于劃痕；在光學顯微鏡下觀察，這種線條狀缺陷處呈黑色，不同部位的深度、寬度有所不同，而且形貌也存在一定的差異；在掃描電鏡下觀察，這種表面線缺陷在微觀尺度上是一種“溝槽”，這種“溝槽”的深度和寬度在不同部位有所不同，溝底溝邊的形態也存在一定的差異。綜合形貌觀察結果，這種表面線缺陷存在以下幾個特征。

  a. 宏觀觀察呈暗色，與一般劃痕存在明顯差別，一般劃痕在宏觀下觀察呈銀亮色。結果表明，這種線缺陷為短針狀細線，其長度大部分為5~8 mm，個別長度達到120 mm。

  b. 從微觀尺度上描述這種線缺陷應是一種“溝槽”，線缺陷“溝槽”比正常的軋制鋼板表面低；在顯微鏡下觀察這種線缺陷“溝槽”的底部和側邊的表面是粗糙不平的，其反射光線能力低，如圖是同一部位的照片，可以看出溝槽與溝邊不在一個平面上，在光學顯微鏡下并不能同時聚焦，說明這種線缺陷與正常的軋制面不在一個平面上，從垂直截面觀測，這種溝槽的深度為5~25μm；而在顯微鏡下觀察劃痕的溝底和溝邊比較平整，反光能力強，如圖是出劃痕位置的光學顯微照片。

  c. 溝邊存在鋪展層，這種鋪展層的晶粒細小，在線缺陷的尾部，這種鋪展層的面積增加，在局部視場出現細小晶粒的鋪展層覆蓋整個線缺陷溝槽現象，分析推斷這種細小晶粒的鋪展層可能是最后一道軋制過程中形成的，由于軋制變形量比其他部位大，晶粒被細化。

  d. 線缺陷溝槽邊的氧化夾雜的微區成分分析結果

 在線缺陷溝槽邊存在夾雜物，主要為鐵和鉻的氧化物，這種氧化夾雜一般在線缺陷邊緣的細晶鋪展層下面。

 圖是試樣的SEM照片，在線缺陷溝槽邊的夾雜物的微區成分如下。A點主要為鉻的氧化物和少量夾雜物，f點主要是氧化鉻和氧化鐵，g點主要是含硅的夾雜物。根據線缺陷邊緣的線掃描結果，可以看出在線缺陷溝槽的溝邊存在氧化鉻和氧化鐵的夾雜。

 綜上所述，可以得出冷軋304不銹鋼管的線缺陷是一種微觀“溝槽”，線缺陷“溝槽”比正常的軋制鋼板表面低，其長度大部分為5~8 mm，個別線缺陷“溝槽”的長度達到120mm，其寬度為30~1000μm，深度5~20μm；這種線缺陷“溝槽”的底部和側邊的表面是粗糙不平的，其反射光線能力低，肉眼觀察呈暗色；線缺陷溝邊存在折疊層或鋪展層，折疊層或鋪展層的晶粒比正常位置的晶粒細小，在線缺陷的尾部，這種鋪展層的面積增加，在局部視場出現細小晶粒的鋪展層覆蓋整個溝槽；在線缺陷溝槽邊緣存在氧化膜，有的氧化膜呈多層臺階式結構，經過SEM能譜分析主要是氧化鉻和氧化鐵，另外還發現某些氧化膜的邊緣存在含鎂、鈣、鋁等元素；在線缺陷溝槽中的少數晶粒上存在嚴重的點蝕坑。

 2.  連鑄板坯宏觀組織觀察結果圖是窄邊位置的連鑄板坯的宏觀組織照片

    從圖可以看出：

    a. 該連鑄板坯中的柱狀晶十分發達，幾乎整個橫截面上全部為柱狀晶；柱狀晶生長方向平行于連鑄板坯的散熱方向，與結晶器內表面垂直；

    b. 沿寬邊生長出的柱狀晶和窄邊生長出的柱狀晶相互垂直，在板坯角部形成一個三角區，實測這個三角形的底長為180mm，高為90mm，為一等腰直角三角形，即從寬邊和窄邊結晶器生長的柱狀晶的長度相等，說明在該連鑄板坯凝固過程中，從寬邊和窄邊結晶器生長的柱狀晶生長速度相等。

三、熱模擬試驗結果

  熱模擬壓縮試驗后觀察試樣的表面質量，并采用游標卡尺測量高溫壓縮后的試樣的厚度和直徑，測量結果見表。從表中的數據來看，不同位置截取的試樣的高溫壓縮變形程度稍有不同，從連鑄坯表面截取的試樣高溫壓縮變形少，從遠離表面截取的試樣的高溫壓縮變形量較大。圖是經過高溫壓縮后試樣的照片，可以看出在兩個柱狀晶交界處截取的G3在高溫壓縮變形中出現明顯的邊部裂紋，而從表面截取的試樣經過高溫壓縮后其邊部的表面質量較好。

四、冷軋304不銹鋼管線缺陷的產生機理分析

從試驗結果可以判斷，冷軋304不銹鋼管線缺陷的產生主要是由于熱軋過程中兩相軋制所致。據國內外相關資料可知，當奧氏體鋼中鐵素體含量達到20%時，其塑性明顯下降，軋制過程中很容易產生開裂。由于太鋼連鑄板坯中柱狀晶十分發達，而柱狀晶生長過程中是以逐層凝固的方式，固液界面幾乎呈平面方式向前推進，金屬凝固不斷地排出溶質元素，在凝固中鉻和鎳都是溶質元素，其含量高，在凝固過程中的偏析程度大，特別是鉻的偏析。因為鉻的偏析系數較大，偏析系數為正值，在開始結晶的固相中鉻含量低，后凝固鉻含量高，這樣導致了連鑄坯中鐵素體分布不均勻，在柱狀晶生長的界面上鉻高，鐵素體含量高，特別是連鑄板坯窄邊和寬邊生長的柱狀晶交界處鉻的含量很高，導致熱軋坯料中局部鐵素體含量可能很高，超過20%，其局部塑性降低，在熱軋過程中產生微裂紋。當這種微裂紋裸露軋制坯料的表面上，微裂紋的內表面將會發生氧化，生成氧化鉻和氧化鐵的氧化膜，而這種微裂紋中的氧化膜在熱軋除鱗和酸洗過程中將不可能去除，因此在冷軋過程中這種被氧化的表面微裂紋進一步被延伸，形成較長的線缺陷。

五、結論

 冷軋304不銹鋼管的線缺陷是一種微觀“溝槽”，線缺陷“溝槽”比正常的軋制鋼板表面低，這種線缺陷“溝槽”的底部和側邊的表面是粗糙不平的，其反射光線能力低，肉眼觀察呈暗色；線缺陷溝邊存在折疊層或鋪展層，折疊層或鋪展層的晶粒比正常位置的晶粒細小，在線缺陷的尾部，這種鋪展層的面積增加，在局部視場出現細小晶粒的鋪展層覆蓋整個溝槽。

 在線缺陷溝槽邊緣存在氧化膜，有的氧化膜呈多層臺階式結構，經過SEM能譜分析主要是氧化鉻和氧化鐵，另外還發現某些氧化膜的邊緣存在含鎂、鈣、鋁等元素。304不銹鋼管連鑄板坯中的柱狀晶十分發達，幾乎整個橫截面上全部為柱狀晶；沿寬邊生長出的柱狀晶和窄邊生長出的柱狀晶相互垂直，在板坯角部形成一個三角區。

 從表面截取的試樣經過高溫壓縮后其邊部的表面質量較好，不會出現裂紋，而從連鑄坯三角區兩個柱狀晶交界處截取的試樣在高溫壓縮變形中出現裂紋。冷軋304不銹鋼管線缺陷的產生主要是由于連鑄板坯中鉻偏析造成局部鐵素體含量過高，在兩相區熱軋變形產生局部微裂紋，裸露在坯料表面的微裂紋受到氧化，形成氧化膜，在熱軋除鱗和酸洗過程中未去除，在冷軋過程中進一步被延伸發展成為線狀缺陷。