某E355鋼冷拔油缸管點(diǎn)狀缺陷分析

王 樺,趙健明

(衡陽華菱鋼管有限公司,衡陽421001)

E355鋼因具有良好的力學(xué)性能、低溫性能和焊接性能,被廣泛用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等領(lǐng)域。某批次E355 鋼冷拔油缸管是按照EN 10297-1《機(jī)械和一般工程用無縫鋼管。交貨技術(shù)條件 第2 部分 非合金和合金鋼管》生產(chǎn)的,其生產(chǎn)工藝為:管坯→加熱→斜軋穿孔→二次穿孔延伸→定徑→矯直→酸洗→磷化＋皂化→冷拔→內(nèi)外表面切削加工,生產(chǎn)完成后,檢查人員發(fā)現(xiàn)冷拔油缸管內(nèi)表面存在較密集的點(diǎn)狀缺陷。為查明冷拔油缸管出現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

圖1 冷拔油缸管內(nèi)表面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of inner surface of cold drawing cylinder tube

宏觀觀察發(fā)現(xiàn),冷拔油缸管內(nèi)表面存在呈無規(guī)律散點(diǎn)狀分布的黑色點(diǎn)狀缺陷,缺陷有拉長(zhǎng)的趨勢(shì)。

1.2 化學(xué)成分分析

分別在本批次和前批次E355 鋼上取樣,采用QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見,和前批次E355鋼的化學(xué)成分相比,本批次E355鋼的化學(xué)成分中只有硫含量有較大差異,其它元素含量相差不大。

表1 不同批次E355鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of different batches of E355 steel（mass fraction） %

1.3 非金屬夾雜物分析

在冷拔油缸管點(diǎn)狀缺陷密集區(qū)域取樣,按照GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,采用Axio Imager M1m 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行非金屬夾雜物分析,結(jié)果如表2所示?？梢夾 類非金屬夾雜物(硫化物類)評(píng)級(jí)結(jié)果不符合企業(yè)技術(shù)文件的技術(shù)要求。

表2 冷拔油缸管非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果Tab.2 Rating results of non-metallic inclusions in cold drawing cylinder tube

1.4 金相檢驗(yàn)

分別在冷拔油缸管點(diǎn)狀缺陷密集區(qū)域沿管體縱向和橫向取樣,試樣經(jīng)打磨、拋光,采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用Axio Imager M1m 型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可見,橫向和縱向試樣中缺陷為空洞狀腐蝕坑,腐蝕坑靠冷拔油缸管內(nèi)表面部位(箭頭處)呈現(xiàn)出撕開變形的特征,這推測(cè)是切削加工導(dǎo)致;缺陷附近無金屬異常流變痕跡。

圖2 冷拔油缸管內(nèi)表面縱向和橫向試樣的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of longitudinal and transverse specimens on the inner surface of cold drawing cylinder tube

1.5 掃描電鏡和能譜分析

在冷拔油缸管點(diǎn)狀缺陷密集區(qū)域取樣,采用JSM-6490LA 型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行形貌觀察。由圖3可見,缺陷為類似蟲繭狀的坑,該坑沿管徑縱向拉長(zhǎng),坑底分布著白色和黑色疏松物。

圖3 冷拔油缸管內(nèi)表面缺陷處的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of defects on inner surface of cold drawing cylinder tube

分別在冷拔油缸管缺陷的白色和黑色疏松物處取樣,采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析,分析位置和分析結(jié)果分別如圖4和表3 所示?？梢姲咨杷晌镏兄饕貫樘肌⒀?、鈉、磷、鋅和鐵,推測(cè)應(yīng)為冷拔加工前浸涂的潤(rùn)滑劑(磷化液和皂化液)殘留物;黑色疏松物中主要元素為氧、硫、錳和鐵,推測(cè)應(yīng)為非金屬夾雜物[1]。

圖4 冷拔油缸管缺陷處疏松物能譜分析取樣位置Fig.4 Sampling position of energy spectrum analysis of loose matter in defect of cold drawing oil cylinder tube

表3 冷拔油缸管缺陷處疏松物能譜分析結(jié)果Tab.3 Energy spectrum analysis results of loose matter in defect of cold drawing cylinder tube %

在冷拔油缸管的長(zhǎng)條形A 類非金屬夾雜物部位取樣,采用掃描電鏡附帶的能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析,分析位置和分析結(jié)果如圖5所示?？梢夾 類非金屬夾雜物的主要元素為硫、錳和鐵,推測(cè)應(yīng)為MnS[1]。

圖5 A類非金屬夾雜物的能譜分析位置和分析結(jié)果Fig.5 a）Position and b）results of energy spectrum analysis of A-type non-metallic inclusions

2 分析與討論

2.1 硫含量及非金屬夾雜物含量的影響

由非金屬夾雜物分析結(jié)果可知,該批次E355鋼中A 類非金屬夾雜物等級(jí)粗系達(dá)到2.5,不符合企業(yè)技術(shù)文件中A 類夾雜物等級(jí)粗系不大于2.0的要求。查驗(yàn)E355鋼的生產(chǎn)檢驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn),其A 類夾雜物等級(jí)控制在0～1.0。由化學(xué)成分分析結(jié)果可見兩批次E355鋼的化學(xué)成分只有硫含量存在較大差異。硫在鋼中會(huì)與錳和鐵形成硫化錳夾雜物,該夾雜物會(huì)中斷基體金屬的連續(xù)性,在切削時(shí)促使斷屑形成小而短的卷曲狀,使斷屑更易排除,從而降低加工表面粗糙度,減少刀具磨損,提高刀具使用壽命。為確保切削質(zhì)量,企業(yè)技術(shù)文件對(duì)本批次E355鋼中冷拔油缸管硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求為0.018%～0.026%。而前批次E355鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.010%,這說明硫含量對(duì)A 類夾雜物(硫化物)影響較大,隨著硫含量的增加,A 類非金屬夾雜物的含量呈上升趨勢(shì)[1]。

2.2 冷拔油缸管內(nèi)表面缺陷原因分析

由宏觀觀察結(jié)果可知,冷拔油缸管內(nèi)表面存在呈散點(diǎn)狀分布的點(diǎn)狀缺陷。由化學(xué)成分分析結(jié)果可知,本批次與前批次E355 鋼中硫含量差異較大。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,冷拔油缸管存在超標(biāo)的A 類非金屬夾雜物,評(píng)級(jí)結(jié)果達(dá)到2.5級(jí)。由掃描電鏡和能譜分析結(jié)果可知,點(diǎn)狀缺陷內(nèi)含磷化液、皂化液以及非金屬夾雜物。

綜上可知,導(dǎo)致本批次E355 鋼冷拔油缸管內(nèi)表面缺陷的主要原因有:

(1)本批次E355鋼中含硫非金屬夾雜物含量較高。鋼中夾雜物含量對(duì)鋼的性能影響極大,含硫非金屬夾雜物是鋼中點(diǎn)狀缺陷的主要誘發(fā)源[1]。含硫非金屬夾雜物和少量未凝固的鋼液凝固時(shí)不能全部充滿枝晶間造成疏松,進(jìn)而形成點(diǎn)狀缺陷[2-3]。鋼材冶煉時(shí)含硫合金加入順序不同造成鋼中含硫非金屬夾雜物種類和數(shù)量有明顯區(qū)別[4],如果精煉和脫氧等冶煉工藝控制不好,也會(huì)形成大型含硫非金屬夾雜物,因而冶煉工藝控制不當(dāng)易造成E355鋼中含硫非金屬夾雜物含量差異較大,產(chǎn)生點(diǎn)狀缺陷。

(2)在進(jìn)行鋼管冷拔加工前,需用HCl在加溫下酸洗。本批次冷拔油缸管存在粗系等級(jí)為2.5的A 類非金屬夾雜物,在酸洗過程中,強(qiáng)酸浸泡后冷拔油缸管表面會(huì)形成鈍化膜,鈍化膜的連續(xù)性和完整性因A 類非金屬夾雜物在鋼管表面露出而被破壞,鋼管基體與A 類非金屬夾雜物交界處的鈍化膜失去保護(hù)作用,使A 類非金屬夾雜物周圍的鋼管基體發(fā)生腐蝕后析出鐵離子,夾雜物周圍出現(xiàn)空洞。由于A 類非金屬夾雜物MnS極易溶解于含Cl－的水中(MnS易降低鋼的耐蝕性,特別是降低鋼的耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕性能[5]),因而MnS等A 類非金屬夾雜物仍在空洞中保留下來。此外,鋼管基體與A類非金屬夾雜物交界處原子排列混亂,因而該處極易誘發(fā)點(diǎn)蝕并處于持續(xù)腐蝕狀態(tài)。如果酸洗過程因操作不當(dāng)存在酸洗時(shí)間過長(zhǎng)或酸洗溫度過高導(dǎo)致過酸洗情況,A 類非金屬夾雜物周圍的鋼管基體就會(huì)在酸液的長(zhǎng)時(shí)間浸蝕下,四周空洞不斷擴(kuò)展;而溫度過高會(huì)進(jìn)一步觸發(fā)和加速點(diǎn)蝕,進(jìn)而形成局部點(diǎn)蝕坑。鋼管經(jīng)酸洗后再進(jìn)行磷化和皂化處理,于是含有碳、氧、鈉、磷、硫、鋅的磷化液和皂化液會(huì)滲入空洞并殘留下來。在冷拔時(shí),空洞被縱向拉長(zhǎng),最終冷拔油缸管內(nèi)表面形成點(diǎn)狀缺陷。

3 結(jié)論及建議

E355鋼冶煉工藝控制不當(dāng)造成硫含量偏高,從而形成較多含硫A 類非金屬夾雜物,破壞了冷拔油缸管表面鈍化膜,在A 類非金屬夾雜物四周形成空洞,而酸洗過程操作不當(dāng)造成過酸洗形成了點(diǎn)蝕,最終導(dǎo)致冷拔油缸管內(nèi)表面形成點(diǎn)狀缺陷。

建議恢復(fù)原來的硫含量控制范圍,同時(shí)盡量將硫均勻分布,避免MnS等A 類非金屬夾雜物聚集和長(zhǎng)大;調(diào)整含硫合金的加入順序,降低爐外精煉負(fù)荷,改進(jìn)脫氧工藝,嚴(yán)格控制卷渣和促進(jìn)連鑄過程夾雜物上浮[4];控制酸洗時(shí)間和溫度,避免酸洗時(shí)間過長(zhǎng)或溫度過高導(dǎo)致過腐蝕的發(fā)生。