超级双相不锈钢S32750轧制开裂原因分析和解决措施

S32750钢管材生产工艺路线是锻造+热挤压+轧制,某批次管材轧制过程中出现严重的开裂问题,制约生产进度。管材轧制开裂的照片见图1,裂纹呈放射状扩展,断口无塑性变形特征,是脆性断裂。通过对原料成分、非金属夹杂物、轧制工艺调整、挤压成形工艺、钢管显微组织和性能进行分析,找出材料脆性断裂的原因,然后提出控制措施,优化生产工艺。

 
S32750超级双相钢无缝管开裂照片

1 试验材料与方法

S32750钢冶炼工艺为EAF+AOD+LF,铸锭压缩比>3.5,锻后圆坯加工后直径是φ357 mm。钢管成形工艺路线：φ375 mm→热挤压φ222 mm×17.1 mm→锻轧φ193.2 mm×11.5 mm。从锻轧开裂的钢管上取样,依据GB/T 11170—2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》和GB/T 20124—2006《钢铁氮含量的测定惰性气体溶融热导法》进行化学成分检测,表1是S32750钢的化学成分实测值,符合ISO 13680-2020要求。

Table 1 Chemical composition of the S32750 steel (mass fraction, %)

1.2 分析步骤和方法

2) 显微组织分析：组织采用10%～30%的NaOH溶液电解,析出相检测标准是ASTM E562-2011《系统人工点计数法测定体积分数的标准试验方法》,相比例检测标准是GB/T 13305—2008《不锈钢中铁素体相的测定方法》,夹杂物检测标准是ASTM E45-2018《钢中非金属夹杂物的评定方法》。

2 S32750钢管轧制开裂原因分析

冶炼纯净度控制不好的话,材料中会存在较多非金属夹杂物。夹杂物塑性差,存在过多就会割裂金属基体的连续性,降低塑性变形能力。从锻轧开裂的钢管上取样,按照ASTM E45-2018进行检测评级,在显微镜下观察整个试样表面,分别记录不同类别夹杂物细系和粗系的尺寸,按标准统计出最严重的级别数,检测结果见表2和图2。

Table 2 Raw material requirements and measured nonmetallic inclusion contents of the cracked S32750 steel pipe

注：表中“—”表示未发现该类夹杂物

Fig.2 Morphologies of non-metallic inclusions in the cracked S32750 steel pipe

2.2 轧制工艺设计和调整

如果锻轧速度过快,管材来不及释放应力,应力集中超出材料强度极限也会出现裂纹。为进一步分析锻轧工艺的影响,首先采取减少轧制次数和送进量的方法,轧制次数从初始的50～60次/min减少为30～35次/min,送进量从初始的4.0～4.5 mm/次减少为3.0～3.5 mm/次,调整锻轧速度后仍然出现开裂问题。随后采用减小变形量的方法,将轧辊距离放大,芯棒后撤,锻轧后规格改为φ194 mm×12.1 mm,加工变形量降低到37%,减小变形量后开裂依旧存在。统计对比以往双相不锈钢生产参数,40%左右变形量的锻轧属于成熟工艺,通过关键参数调整,开裂问题依旧没有改善,说明轧制工艺和变形量不是本次开裂的原因。

管材挤压成形过程受三向压应力的作用,如果挤压工艺设计和操作不当,材料表面会被挤破产生微裂纹。没有清理掉的缺陷可能成为锻轧的裂纹源,经过锻轧后,微裂纹扩展成宏观开裂。现对本批次S32750钢管材挤压工艺参数进行分析,图3是管材热挤压成形过程结构示意图。

图3 S32750钢管材热挤压过程结构示意图

高温坯料送到挤压筒内,挤压杆推动挤压垫和坯料向挤出方向前进。坯料前端紧贴玻璃垫后,挤压杆继续对坯料施压,坯料前端金属被挤入挤压模与挤压针组成的孔腔而变成管材,待挤压杆前进到限位处时,挤压结束。挤压坯料外径、内径尺寸分别为φ357 mm、φ65 mm,表面粗糙度不大于3.2 μm,一次感应加热炉中加热到1120～1150 ℃,扩孔筒温度大于150 ℃,扩孔速度100～200 mm/s,扩孔比约1.33,扩孔后外径、内径尺寸分别为φ369 mm、φ200 mm,二次感应加热炉中加热到1140～1180 ℃,挤压筒温度大于200 ℃,挤压速度150～250 mm/s,挤压比约6.9,挤压管尺寸φ222 mm(钢管外径)×17.1 mm(钢管壁厚),扩孔和挤压过程都用玻璃粉润滑,管材挤压后水中快冷。通过工艺设计参数和现场操作记录查询,生产过程正常,经过人工目视、ASTM E213-2014《金属管材超声波检测的标准操作方法》和ISO 10124-1994《压力用途的无缝钢管层状缺陷检测用超声检验》无损检测,管材的表面质量和内在质量合格,没有微裂纹存在。

超级双相不锈钢合金含量多,在加热和冷却过程中,除了两相比例和两相中合金元素含量发生变化外,还有碳化物M7C3、M23C6,氮化物CrN、Cr2N,金属间相σ、χ、α′、R、π等析出,这些析出相会对力学性能和腐蚀性能产生不利影响[10]。从锻轧开裂管材上取样,进行显微组织分析,结果见图4。由图4可以看出,锻轧开裂S32750钢管的显微组织中存在较多金属间σ相。黑色区域为σ相,在铁素体-奥氏体相界处形核,然后沿着铁素体-铁素体晶界和铁素体相内长大,σ相周围Cr、Mo等铁素体形成元素贫化,形成白色区域奥氏体相,组织中铁素体相大大减少,σ相的含量已达到5%～10%。

Fig.4 Microstructure of the rolling cracked S32750 steel pipe

表3 图5中各点的化学成分(质量分数,%)

Fig.5 Morphology of σ phase in the rolling cracked S32750 steel pipe

3.1 轧制前固溶处理及其组织性能

S32750双相不锈钢管经过固溶处理后的显微组织和析出相形貌如图6和图7所示,可以看出,铁素体形成元素Cr、Mo等回溶到奥氏体中,使奥氏体转变为铁素体,通过高温扩散调整了相比例。奥氏体和铁素体沿着挤压方向以条带状交替分布,实测铁素体含量47.53%,奥氏体和铁素体两相比例接近1∶1。析出相含量大大减少,仅在铁素体晶界上分布少量黑色碳氮化物。多个视场没有发现σ相,证明高温固溶下σ相已经完全溶解。锻轧前管材经过1100 ℃×60 min水冷的固溶处理,可以获得良好的两相组织和相比例。
 

Fig.6 Microstructure of the S32750 steel pipe solution treated at 1100 ℃ for 60 min
 

Fig.7 Precipitated phases in the S32750 steel pipe solution treated at 1100 ℃ for 60 min

表4 S32750钢管经1100 ℃×60 min固溶处理前后的力学性能

图8 固溶处理后S32750钢管材轧制后的实物照片
(a)管材头部;(b)管身

固溶处理消除脆性σ金属间相效果明显,可以优化S32750超级双相不锈钢的组织,均匀成分,调整相比例,提高塑韧性,为锻轧变形提供塑性较好的原料。

3.3 成品的力学和耐蚀性能

表5 S32750钢成品固溶处理后的力学性能(1100 ℃×40 min)

表6 S32750钢成品固溶处理后的耐蚀性(1100 ℃×40 min)

4 结论

S32750钢在锻轧前经固溶处理后,铁素体形成元素Cr、Mo等回溶到奥氏体中,调整了相比例,奥氏体和铁素体两相比例接近1∶1;σ相高温固溶下完全溶解;强度和硬度明显降低,伸长率和冲击吸收能量明显提高,锻轧过程顺利,管材没有出现裂纹。

文章引用：王海瑞,王锦永,刘富强,等.超级双相不锈钢S32750轧制开裂原因分析和解决措施[J].金属热处理,2024,49(02):291-296.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2024.02.045.