303Cu不銹鋼在拉拔及機(jī)加工時(shí)開裂原因

馬正偉, 李貴波

(1.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院, 淄博 255000；2.青島浦友精密金屬有限公司, 青島 266555)

303Cu不銹鋼是一種銅、硫元素含量都很高的奧氏體不銹鋼，硫元素在鋼中與錳、鐵等元素形成夾雜物，這類夾雜物能阻斷基體金屬的連續(xù)性。通常鋼的易切削性能隨著硫元素含量的增加而增強(qiáng)，但是隨著硫元素含量的增加，其熱加工性能、冷加工的塑性變形，尤其是橫向塑性、韌性、疲勞性能等都會受到較大的影響[1-3]。

將某廠生產(chǎn)的φ10 mm的303Cu不銹鋼線材開卷后，拉拔成對邊距約為8.7 mm的六角棒，在拉拔過程中，六角棒經(jīng)常會發(fā)生開裂，裂紋沿六角棒的縱向延伸,開裂率為15.3%；對未開裂的六角棒繼續(xù)打孔并加工外螺紋，在此加工過程中六角棒也會發(fā)生開裂，裂紋延伸到螺紋位置并垂直于螺紋,開裂率為8.4%。試樣加工過程示意及開裂宏觀形貌如圖1所示。

圖1 試樣加工過程示意及開裂宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

對開裂樣品取樣，采用SPECTROLAB M10型光電直讀光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析(見表1)，由表1可以看出，結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4356-2016 《不銹鋼盤條》的要求。

表1 試樣的化學(xué)成分 %

1.2 金相檢驗(yàn)

制作標(biāo)準(zhǔn)金相試樣，在Axio Imager Aim型金相顯微鏡下觀察顯微組織形貌，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》(見圖2～4)。由圖2～4可以看出，不論開裂部位還是正常部位，硫化物類夾雜物均呈細(xì)條狀分布，且存在局部聚集的現(xiàn)象，裂紋尾部有點(diǎn)狀的硫化物顆粒。材料的基體組織為奧氏體，其晶粒度為11.5級，不存在沿晶裂紋。

圖2 裂紋縱向形貌

圖3 裂紋處微觀形貌

圖4 夾雜物顯微組織形貌

1.3 電子探針顯微分析

采用電子探針進(jìn)行顯微分析，裂紋周圍元素分布面掃描結(jié)果如圖5所示，裂紋周圍能譜成分分析結(jié)果如表2所示。由圖5及表2可知，裂紋周圍錳、硫元素含量異常偏高，裂紋處存在較為粗大的硫化錳夾雜物；局部還存在銅、硫元素含量偏高的現(xiàn)象，顯微形貌為類似氣泡的孔洞。

表2 裂紋周圍能譜成分分析結(jié)果

圖5 裂紋周圍元素分布面掃描結(jié)果

2 綜合分析

由金相檢驗(yàn)和電子探針分析結(jié)果可知，材料基體存在分布不均勻且呈長條狀的硫化錳類夾雜物，且此類夾雜物伴隨著類似氣泡的孔洞。硫化銅的熔點(diǎn)較低，不銹鋼基體中硫化銅的熔點(diǎn)一般不會超過1 000 ℃，在連鑄、熱軋加熱及后續(xù)熱處理時(shí)極易形成液態(tài)的硫化銅，當(dāng)溫度降低，硫化銅凝固且體積變小，硫化銅存在的位置容易形成真空泡，這類真空泡也跟夾雜物一樣阻斷了基體的連續(xù)性，在拉拔及機(jī)加工過程中使基體開裂。

通過以上分析可知，303Cu不銹鋼開裂的主要原因是硫化物夾雜中存在硫化銅，夾雜物的形態(tài)呈長條狀，且分布不均勻。

連鑄過程中保持元素的均勻性，可避免產(chǎn)生較大的化學(xué)成分偏析，尤其是銅元素的偏析。通過控制軋制前的加熱溫度，硫化物在不銹鋼中呈現(xiàn)出有利于軋制的狀態(tài)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著加熱溫度的升高，沿縱向呈長條狀分布的硫化物有變短、變細(xì)、均勻分布的趨勢。當(dāng)加熱溫度為1 180～1 300 ℃時(shí)，硫化物明顯細(xì)化、分布較均勻，有利于軋制的進(jìn)行[4]。

303Cu不銹鋼在冷變形塑性加工前都會進(jìn)行固溶處理，由于該鋼種的特殊性，正常固溶處理容易導(dǎo)致材料局部晶粒粗大，反而不利于其塑性加工。實(shí)踐證明，減少固溶加熱時(shí)間和降低固溶溫度可適當(dāng)避免晶粒粗大現(xiàn)象。

3 工藝改進(jìn)措施

化學(xué)成分方面，調(diào)整錳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于2.2%，硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.27%；連鑄投入電磁攪拌，將二冷水的進(jìn)出水溫度差控制在8 ℃以上，加大二冷水的流量；在現(xiàn)有工藝制度的基礎(chǔ)上，將熱軋加熱爐加熱段和均熱段溫度均提高20 ℃，在爐時(shí)間保持不變?？稍诶鋮s輥道增加保溫罩，在保溫罩內(nèi)增加升溫裝置，在保溫罩末端增加冷卻裝置。

經(jīng)過改進(jìn)工藝后，夾雜物及其周圍組織形貌如圖6所示。圖6a)顯示硫化物分布均勻，大部分呈紡錘狀，沒有真空泡伴生;圖6b)顯示夾雜物周圍組織為奧氏體，晶粒度為8.5級，晶粒大小均勻。在拉拔六角棒和打孔的過程中,開裂率分別降低到0.32%和0%，有效地改善了303Cu不銹鋼塑性加工開裂的現(xiàn)象。

圖6 夾雜物及其周圍組織形貌

4 結(jié)語

303Cu不銹鋼在拉拔及機(jī)加工開裂的主要原因是硫化物夾雜物中存在硫化銅，夾雜物的形態(tài)為長條狀，且局部聚集。另外，其組織狀態(tài)為細(xì)小的奧氏體，而且晶界不明顯?？刂棋i、硫、氧元素的含量，連鑄時(shí)輔以電磁攪拌、提高二冷水的冷卻效果，提高熱軋加熱溫度和增加軋后在線熱處理等工藝有效地降低了后續(xù)塑性加工的開裂率。