316L鍛打法蘭黑帶缺陷原因分析

供稿|王哨兵 / WANG Shao-bing

316L標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2，具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐蝕性能，在氧化性和還原性介質(zhì)中耐蝕性均較好，可用來制作耐酸設(shè)備，如耐蝕容器及設(shè)備襯里、輸送管道、耐硝酸的設(shè)備零件等[1-3]。某客戶在生產(chǎn)316L鍛打法蘭時(shí)出現(xiàn)了個(gè)別鍛打法蘭局部區(qū)域磁性高且有銹蝕的“條帶狀的黑帶”問題，本文通過檢測(cè)分析，找出了造成該缺陷的原因。

檢測(cè)方法

(1) 對(duì)316L鍛打法蘭宏觀檢驗(yàn)，主要是利用肉眼對(duì)生產(chǎn)出來的法蘭表面進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2) 對(duì)316L鍛打法蘭取樣分析，在SPECTROLAB M10型光電直讀光譜儀上檢測(cè)其化學(xué)成分，對(duì)比所得到的化學(xué)成分是否在該鋼種的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(3) 制作標(biāo)準(zhǔn)金相樣品，在Axin Imager Aim型金相顯微鏡下觀察微觀組織形貌。具體實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T12938—1991“金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”。

(4) 對(duì)316L法蘭樣品進(jìn)行掃描電鏡分析，根據(jù)得到的能譜圖像，對(duì)比正常部位和磁性強(qiáng)部位的成分差異。

檢測(cè)結(jié)果

宏觀檢驗(yàn)

對(duì)該客戶的生產(chǎn)車間走訪，其法蘭產(chǎn)品如圖1所示，316L鍛打法蘭上出現(xiàn)了條帶狀的黑線。圓圈內(nèi)顏色發(fā)暗部位即為磁性強(qiáng)的部位，黑線的最大寬度約3.5 mm，長度35～40 mm。

化學(xué)成分分析

根據(jù)對(duì)客戶的316L鍛打法蘭取樣檢測(cè)，其化學(xué)成分如表1所示，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

金相檢驗(yàn)

圖1 樣品宏觀形貌

表1 316L鍛打法蘭化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2 缺陷處金相形貌

圖2為316L鍛打法蘭正常部位與缺陷部位的金相形貌對(duì)比?？梢钥闯觯捍判詮?qiáng)的缺陷部位與正常部位有明顯的界線；磁性強(qiáng)的缺陷部位顏色較暗，且有較多的硫化物夾雜，金相組織為鐵素體組織；正常部位顏色較淺，無夾雜物聚集現(xiàn)象，金相組織為奧氏體組織。

圖3為316L鍛打法蘭正常部位的奧氏體組織，晶粒度為5.0級(jí)，無混晶現(xiàn)象。圖4為磁性強(qiáng)的缺陷部位的鐵素體組織，鐵素體的晶粒度為8.0級(jí)。缺陷處的晶粒明顯較正常處的細(xì)小。

掃描電鏡分析

利用掃描電鏡對(duì)316L法蘭上有磁性和無磁性的區(qū)域進(jìn)行掃描分析，對(duì)比其化學(xué)成分存在的差異，具體見圖5和圖6所示。

圖3 正常部位組織形貌

圖4 缺陷處組織形貌

利用掃描電鏡對(duì)比缺陷處與正常部位的能譜結(jié)果可以看出：缺陷處主要是Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%的異金屬，Cr和Ni等基體元素含量很低；個(gè)別點(diǎn)的能譜分析有O元素含量偏高的現(xiàn)象，主要是在試樣制作過程中Fe基部位在空氣中氧化所致，同時(shí)導(dǎo)致Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低；正常部位的Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)在69%左右，其余元素與所檢驗(yàn)的化學(xué)成分相差不大。

圖5 磁性強(qiáng)缺陷部位掃描電鏡圖

表2 316L鍛打法蘭磁性強(qiáng)的缺陷處能譜成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 316L鍛打法蘭正常部位能譜成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

討論與分析

根據(jù)316L鍛打法蘭取樣分析，法蘭局部磁性強(qiáng)且容易生銹的缺陷原因是該部位為Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%的異金屬，金相組織為鐵素體，且該部位與母體材料界線清晰，初步分析是在鋼液凝固過程中卷入異金屬而形成。

經(jīng)與客戶溝通，對(duì)大量的316L鍛打法蘭現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，呈現(xiàn)局部磁性缺陷的法蘭占總體比例的0.25%，結(jié)合該廠的生產(chǎn)工藝流程及以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定了該廠的生產(chǎn)工藝本身不存在導(dǎo)致產(chǎn)生該缺陷的可能。初步判斷，本次質(zhì)量事故發(fā)生的原因是現(xiàn)場(chǎng)操作人員在澆注前鋼錠模具未認(rèn)真清理，導(dǎo)致含F(xiàn)e異金屬卷入鋼水所致。

結(jié)束語

圖6 正常部位掃描電鏡圖

針對(duì)客戶316L鍛打法蘭生產(chǎn)中出現(xiàn)個(gè)別鍛打法蘭局部區(qū)域磁性高且有銹蝕的“條帶狀的黑帶”問題，利用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)分析、金相分析和掃描電鏡分析等檢測(cè)手段對(duì)316L鍛打法蘭缺陷樣品進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)黑帶部位即為磁性強(qiáng)的部位，黑帶的最大寬度約3.5 mm，長度35～40 mm。對(duì)法蘭樣品的成分分析表明其成分控制在國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的范圍內(nèi)。根據(jù)金相分析，局部磁性強(qiáng)的缺陷組織為鐵素體組織，晶粒度8.0級(jí)，而法蘭樣品正常部位為奧氏體組織，晶粒度5.0級(jí)。對(duì)比樣品缺陷處與正常部位的能譜結(jié)果，缺陷處主要是Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過90%的異金屬，樣品正常部位的Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)在69%左右。分析表明，造成這種黑帶缺陷的原因是澆鑄過程中異金屬的卷入。判斷該質(zhì)量事故發(fā)生的原因是現(xiàn)場(chǎng)操作人員在澆注前未認(rèn)真清理鋼錠模具導(dǎo)致含F(xiàn)e異金屬卷入鋼水形成的。因而合理地控制澆鑄過程中操作因素的影響，完全可以避免類似缺陷的產(chǎn)生。

[1] 杜紅元，魏獻(xiàn)玲，胡效軍. 亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼封頭應(yīng)力開裂分析. 石油化工設(shè)備，2011，40(1)：103

[2] 康學(xué)勤，孫智. 供熱管道不銹鋼波紋管膨脹節(jié)失效分析. 壓力容器，2007，24(8)：38

[3] 盛水平，王杏芳，劉延雷，等. 金屬波紋管膨脹節(jié)在燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用與事故預(yù)防. 管道技術(shù)與設(shè)備，2011(5)：30

[4] 程曉農(nóng)，戴起勛. 奧氏體鋼設(shè)計(jì)與控制. 北京：國防工業(yè)出版社，2005