304 棒材法兰断面开裂分析
2022-06-06吴东平
杨 枭，吴东平
304（06Cr19Ni10）不锈钢棒材是奥氏体不锈钢，作为不锈钢、耐热钢使用最广，是食品设备，一般化学设备，原子能工业用材。不锈钢棒材主要用于制作不锈钢管件、不锈钢法兰、螺杆等产品，由于不锈钢中添加了较多的合金元素Ni、Cr、N 等，从而拥有较优异的性能，加上客户对产品质量的更高要求，因此要求热轧不锈钢棒材不仅要有良好的物理性能，而且对表面也有较高的质量要求。304 是我司产量最大的产品，产品表面质量和力学性能都在一直稳步向前，对法兰客户提出下料端面开裂，我司高度重视做了大量实验和工艺调整，力求产品质量满足客户要求。
1 生产工艺流程
304 棒材生产工艺流程：钢坯→加热炉→粗轧机组→液压剪→一中轧机组→1#飞剪→精轧机组→2#飞剪→编组台架→热锯→冷床→精整修磨→精整打包→称重入库。
304 棒材生产工艺流程;热轧棒材切分（15cm ～25cm 按法兰大小）→加热炉→一次锻压→二次锻压→冲压成型→冷却→入库。
2 缺陷原因分析
2.1 宏观开裂形貌
从裂口宏观形貌来看，裂纹长度基本贯穿断面直径，裂纹延申垂直于客户剪切方向，裂口两侧或者一侧有比较明显的韧断河流花样。
（1）法兰下料横断刀切方向与裂纹方向垂直。由于剪切剪刃的作用导致端面直径变小，横向端面应力集中。
（2）方框区域为裂纹区域。裂纹长度基本贯穿整个棒材直径。
（3）横断截面中心区域出现了明显金属剪切韧断的河流花样。出现韧断的河流花样说明棒材圆钢的强度偏低，剪切时出现了微量的紧缩现象。
图1 所示。
2.2 微观金相组织分析
从金相组织来看，晶界处析出脆性相，脆性析出相的存在影响了不锈钢的力学性能。
（1）图a 为未开裂试样。组织均匀，未发现明显的晶界析出物。
（2）图b 裂纹的延伸入机体深度较深，应力集中加上脆性析出物对晶界力学性能的影响导致裂纹向机体延伸较大。
（3）图c 晶界处析出脆性相Cr23C6。脆性析出相的存在增加了横向剪切应力释放开裂的几率。
图2 所示。
2.3 PMA 电子探针分析
从EPMA 电子探针分析结果来看，晶界处析出脆性相Cr23C6。
（1）图a 分别为40 倍、300 倍、500 倍的形貌分析。从形貌上看裂纹呈现断续状，深浅不一，裂纹端部呈现尖锐状。
（2）图b500 倍形貌下的光谱分析，谱图1 和谱图2 成分C、Cr、Ni、O 均异常，出现了C、Cr 化合物和Cr、Ni 氧化物，谱图3为正常机体成分正常。
图1 304 棒材法兰下料端面开裂宏观形态
图2 304 棒材法兰下料端面开裂金相组织
图3 所示。
图3 304 棒材法兰下料端面开裂PMA 电子探针分析
2.4 夏比冲击试验
（1）冲击试验属于极限破坏性实验，实验本身的化学成分、金相组织、晶粒度，以及是否含有夹杂、偏析、白点、裂纹都会有一定的体现，所以冲击试验得到广泛应用。但是由于影响实验的因素较多，也会使得冲击实验的结果离散性较大。
（2）加工式样使用线切割，缺口的角度、深度精度、粗糙度无法保证，导致实验数据会出现误差。
（3）排除式样本身因素影响，冲击实验的V 型缺口断裂影响最大的是缺口角度、深度、粗糙度和V 型缺口根部半径，之前式样因制样条件受限，未加工V 型缺口根部半径，使得冲击实验摆锤击打式样时出现了V 型缺口根部应力集中。
3 改进措施
（1）炼钢成分提高N、Mn 含量，提高棒材轧制成品强度，减缓碳化物敏化析出和二次相形成。
（2）积极改进方坯中心缩孔，减少中心裂纹源。保证方坯轧制后芯部组织致密性。
（3）热轧棒材轧制提高加热炉温度，改进轧线水冷系统，使成品架成品迅速降温，尽可能规避540 ～900 这一敏化区间。减少碳化物析出。同时在540℃以后尽量缓冷，减少轧制表面张力和芯部应力。
（4）沟通客户加强对剪切机剪刃的管理，对于剪刃老化、夹具松动等问题及时更换。
（5）为消除加工式样精度对实验结果的影响，加入冲击试验剪切断面分析率，对剪切断面率异常的，再单独进行断面金相组织和夹杂物分析。现在我司就冲击实验着手积累数据，弱化冲击实验结果偶然性。
4 总结
综上所述分析得出棒材法兰下料端面开裂原因是：法兰生产使用剪切机下料，使棒材横截面有较大形变导致应力集中，所以使用的下料剪刃和剪切力需要调整到最佳，减少剪切应力；尽量减少下料端面棒材直径方向形变，使机械对开裂的影响降到最低，因为304 不锈钢棒材轧制过程中必然要通过540℃～900℃敏化温度区，间晶界处一定会析出脆性相Cr23C6。那么抑制和减少脆性析出相的存在就能大大提高不锈钢的力学性能，市场流通普通304N、Mn 含量，无法满足法兰下料成品强度，对减缓碳化物敏化析出和二次相形成难以保证产品服役条件,我司通过对N、Mn 含量的优化，提高了棒材产品的强度使其在剪切过程中端面变形量减少，减低应力集中。
表1 炼钢钢种及成分含量
