王小萍,董易淼,朱雄明,沈偉杰 

(湖州久立永興特種合金材料有限公司,湖州 313000) 

    摘 要(yao):某(mou)批次07Cr18Ni11Nb不(bu)銹鋼(gang)在(zai)穿(chuan)孔過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)出(chu)現(xian)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)。采用(yong)宏觀(guan)及微觀(guan)檢查、化學(xue)成 分(fen)分(fen)析(xi)、金相(xiang)檢驗、掃描電鏡和能(neng)譜分(fen)析(xi)等方法,對其穿(chuan)孔分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)原因進行了分(fen)析(xi)。結果表明:該不(bu) 銹鋼(gang)坯(pi)(pi)料中(zhong)(zhong)沿(yan)軸向分(fen)布的(de)(de)(de)鏈狀(zhuang)和棒(bang)狀(zhuang)初生(sheng)(sheng) Nb(C,N)偏(pian)析(xi)相(xiang)和穿(chuan)孔過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)非(fei)均勻變形是導致(zhi)分(fen) 層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)主要原因;穿(chuan)孔過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong),初生(sheng)(sheng) Nb(C,N)相(xiang)與奧氏體(ti)基(ji)體(ti)變形不(bu)協調(diao),在(zai)界面處產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)應(ying)力集中(zhong)(zhong)使 管坯(pi)(pi)局部斷(duan)裂強度降低,在(zai)非(fei)均勻變形產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)附加拉(la)應(ying)力作(zuo)用(yong)下,應(ying)力集中(zhong)(zhong)區域產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)裂紋(wen),并在(zai)后 續(xu)碾(nian)軋(ya)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)不(bu)斷(duan)擴(kuo)展,導致(zhi)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng);建議在(zai)冶煉(lian)過程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)控(kong)制碳、鈮元素含量,改(gai)善重熔凝固條(tiao)件(jian),調(diao) 整(zheng)穿(chuan)孔工藝參數,適(shi)當降低軋(ya)輥轉(zhuan)速,以有效防止穿(chuan)孔分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)發生(sheng)(sheng)。 關鍵詞:07Cr18Ni11Nb鋼(gang);無縫鋼(gang)管;斜(xie)軋(ya)穿(chuan)孔;分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng);鈮偏(pian)析(xi)

中(zhong)圖分類號(hao):TG142.71 文獻(xian)標志碼:B 文章編號:1000-3738(2020)08-0097-06

    Abstract:Abatchof07Cr18Ni11Nbstainlesssteelexhibiteddelaminationduringthepiercingprocess.Thecausesofdelamination wereanalyzedthrough macroscopicand microscopicinspection,chemicalcompositionanalysis,metallographicexamination,scanningelectron microscopyandenergyspectrum analysis.Theresultsshowthatthechain-likeandrod-likeprimaryNb(C,N)segregationphaseandnon-uniformdeformationduringthe

piercingprocesswerethemaincausesofdelamination.Duringthepiercingprocess,thestressconcentrationcaused

bythedeformationincompatibilitybetweenprimaryNb(C,N)phaseandaustenitematrixreducedthelocalfracture

strengthofthetubebillet.Undertheeffectofadditionaltensilestresscausedbynon-uniformdeformation,cracks

occurredinthestressconcentrationareaandcontinuedtoexpandinthesubsequentrollingprocess,resultinginthe

delamination.Itwasrecommendedtocontrolthecontentofcarbonandniobiuminsmeltingprocess,improvethe

remeltingandsolidificationconditions,adjustthepiercingprocessparametersandreducetherollspeedappropriately

toeffectivelypreventtheoccurrenceofpiercingdelamination.

Keywords:07Cr18Ni11Nbsteel;seamlesssteeltube;diagonalrollingpiercing;delamination;niobiumsegregation

0 引 言

    07Cr18Ni11Nb不銹(xiu)鋼(美標牌(pai)號(hao) UNSS34709)屬于(yu)高碳(tan)含鈮(ni) Cr-Ni奧氏體不銹(xiu)鋼,穩定化(hua)元素(su)鈮(ni)的(de)加入(ru)使(shi)其(qi)具有優(you)良的(de)耐酸(suan)堿腐蝕性(xing)能,廣泛應用于(yu)鍋爐、發電、石油、化(hua)工等領(ling)域,主要用于(yu)制作熱強性(xing)要求較高的(de)各類(lei)管(guan)道(dao)零件。

    我國(guo)自20世紀60年代(dai)開(kai)始采用二輥斜(xie)軋(ya)穿(chuan)孔(kong)工藝制備無縫管[1]。坯料由(you)傾斜(xie)布置的(de)(de)、與軋(ya)制線成一定(ding)角度的(de)(de)雙錐形軋(ya)輥帶(dai)動,沿縱(zong)軸旋轉(zhuan)前行(xing),被置于軋(ya)輥間的(de)(de)穿(chuan)孔(kong)頂頭強制穿(chuan)孔(kong)后,再進(jin)行(xing)壁厚縮減、外徑擴(kuo)大、長度延伸和進(jin)一步的(de)(de)碾(nian)軋(ya)變形。二輥斜(xie)軋(ya)穿(chuan)孔(kong)工藝具有較(jiao)高的(de)(de)成材(cai)率和良好的(de)(de)經濟性,適(shi)用于 生 產 不 銹 鋼、高 溫 合 金 及(ji) 耐 蝕 合 金 無 縫管[2-5]。穿孔作為無縫(feng)管生產的第一道工(gong)序(xu),直(zhi)接影響成品(pin)(pin)(pin)管(guan)(guan)(guan)(guan)材(cai)的(de)質(zhi)量。而穿(chuan)孔(kong)毛(mao)(mao)管(guan)(guan)(guan)(guan)質(zhi)量的(de)優劣取決于管(guan)(guan)(guan)(guan)坯(pi)(pi)成分、加(jia)熱制度(du)、模具設計、設備調整和操作等因素,若控制不當,極易出現(xian)穿(chuan)孔(kong)廢(fei)品(pin)(pin)(pin)。某公 司 采 用 二 輥(gun) 斜 軋 穿(chuan) 孔(kong) 工 藝 生(sheng) 產(chan)(chan) 一(yi)(yi) 批07Cr18Ni11Nb不銹鋼無(wu)(wu)縫(feng)管(guan)(guan)(guan)(guan),在穿(chuan)孔(kong)過程中(zhong)圓鋼下料14支(zhi),其中(zhong)3支(zhi)毛(mao)(mao)管(guan)(guan)(guan)(guan)在隨后的(de)超聲波探傷中(zhong)出現(xian)缺陷(xian)信號,波形反射較強,并沿毛(mao)(mao)管(guan)(guan)(guan)(guan)軸(zhou)向有一(yi)(yi)定延伸長度(du)。因缺陷(xian)不在表面,無(wu)(wu)法通過打磨(mo)、拋(pao)光去除,導致(zhi)鋼管(guan)(guan)(guan)(guan)報廢(fei)。該無(wu)(wu)縫(feng)管(guan)(guan)(guan)(guan)生(sheng)產(chan)(chan)流程為管(guan)(guan)(guan)(guan)坯(pi)(pi)(直徑為247mm 的(de)圓鋼)→剝皮(pi)→定尺(chi)下料→定心孔(kong)→裝爐加(jia)熱→穿(chuan)孔(kong)毛(mao)(mao)管(guan)(guan)(guan)(guan)(?250 mm×22 mm)→拋(pao)光→酸洗→探傷→冷(leng)軋成品(pin)(pin)(pin)管(guan)(guan)(guan)(guan)(?168mm×11mm)。為指導后續生(sheng)產(chan)(chan),提高成材(cai)率,減少經濟(ji)損(sun)失,作者對(dui)該批毛(mao)(mao)管(guan)(guan)(guan)(guan)內部缺陷(xian)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)原(yuan)因進行了分析。

1 理化檢(jian)驗(yan)與結果

1.1 宏觀及微觀檢查

   目視(shi)檢查發現,在毛管橫截面靠(kao)近(jin)內壁處存在一(yi)條明顯的裂(lie)紋,如圖1所示。利用 AxioImager.M2m型光學顯微鏡進一(yi)步分(fen)析可知(zhi),該裂(lie)紋沿(yan)毛管周(zhou)向(xiang)(橫截面)寬度(du)達1.5mm,沿(yan)軸(zhou)向(xiang)(縱截面)長度(du)超過20mm,為二(er)維平面缺陷。

1.2 化學成(cheng)分(fen)

    按照 ASTM A751-2014a,在毛管缺陷處取樣,采用SpcetroMAXx型直讀光(guang)譜儀進行化(hua)學成(cheng)分分析。由表1可知,穿孔毛管與圓鋼化(hua)學成(cheng)分基本(ben)一致,均符合 GB/T13296-2013對07Cr18Ni11Nb不銹鋼的要求。

1.3 晶粒度及非(fei)金屬夾雜物

    在毛管缺(que)陷(xian)處截取試樣(yang),經打磨、拋光(guang)后(hou),采用質(zhi)量分數(shu)為(wei)10%的草酸溶液進行(xing)電解腐蝕,然后(hou)依據 ASTM E112-2013對(dui)其晶粒(li)度進行(xing)評級。由圖2可知,穿孔后(hou)毛管晶粒(li)度為(wei)7.5級,無異常粗大晶粒(li),而(er)裂紋(wen)附近(jin)晶粒(li)度達8.0級,且腐蝕顏(yan)色較深。

    按照(zhao) ASTM E45-2013A 法進行非金屬(shu)夾雜物(wu)評(ping)級,結果(guo)如表2所示,可(ke)見(jian)缺陷處 A、B、C、D 類夾雜物(wu)分布及尺寸(cun)均無明(ming)顯異常。

1.4 微(wei)觀形貌及微(wei)區成分

     采用 HitachiS-3400N 型掃描(miao)電子顯(xian)微鏡背(bei)散射電子衍射(BSE)模式對(dui)不(bu)銹鋼(gang)毛(mao)管(guan)缺(que)陷(xian)處進行顯(xian)微觀察(cha)。由圖(tu)(tu)3可知(zhi):該(gai)缺(que)陷(xian)開裂界面平直,無次(ci)生裂紋,初步(bu)判斷為分(fen)(fen)層;在分(fen)(fen)層缺(que)陷(xian)附(fu)近(jin)分(fen)(fen)布著大量鏈(lian)狀(zhuang)(zhuang)和短 棒(bang) 狀(zhuang)(zhuang) 白(bai) 色 析 出(chu) 相(xiang),其 中 鏈(lian) 狀(zhuang)(zhuang) 相(xiang) 最 長 可 達300μm,單個(ge)棒(bang)狀(zhuang)(zhuang)相(xiang)長度超過20μm。采用 X-ACT型能譜儀(EDS)對(dui)含有該(gai)相(xiang)的區域(yu)進行元(yuan)(yuan)素面掃描(miao)定性分(fen)(fen)析。由圖(tu)(tu)4可知(zhi),該(gai)白(bai)色析出(chu)相(xiang)富含鈮(ni)元(yuan)(yuan)素,鐵、鉻和鎳元(yuan)(yuan)素含量較(jiao)少(shao),由此判斷其為富鈮(ni)碳氮化物 Nb(C,N)。

2 分層原因分析

2.1 碳(tan)氮化物偏(pian)析(xi)

     07Cr18Ni11Nb不銹鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鈮元(yuan)素(su)(su)主(zhu)要起穩定化(hua)作用,其(qi)(qi)與(yu)碳(tan)(tan)、氮間(jian)隙原(yuan)子具有較(jiao)(jiao)(jiao)強的(de)(de)(de)(de)(de)(de)親和力,在(zai)(zai)(zai)(zai)退火過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)容易(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)細小彌(mi)散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)二次析(xi)(xi)(xi)出(chu)碳(tan)(tan)氮化(hua)物(wu),這可以(yi)(yi)降低材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶間(jian)腐蝕傾向,同(tong)時(shi)(shi)(shi)(shi)提高(gao)材料強度(du)(du)。然而,在(zai)(zai)(zai)(zai)鋼(gang)(gang)錠熔(rong)(rong)煉凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong),由(you)于熔(rong)(rong)體(ti)微(wei)觀(guan)成(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不均(jun)勻性,各部分(fen)初(chu)凝點不盡相同(tong)。熔(rong)(rong)體(ti)以(yi)(yi)樹(shu)枝(zhi)(zhi)狀結晶方式凝固(gu)(gu)時(shi)(shi)(shi)(shi),先(xian)凝固(gu)(gu)區(qu)域(yu)和后凝固(gu)(gu)區(qu)域(yu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)元(yuan)素(su)(su)含(han)量(liang)便(bian)會存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai)偏(pian)差,形(xing)成(cheng)(cheng)(cheng)枝(zhi)(zhi)晶偏(pian)析(xi)(xi)(xi)。通常(chang)原(yuan)子序數(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)鋁之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)(de)(de)合(he)金(jin)(jin)元(yuan)素(su)(su),如鉬、鉭、鈮、鈦、鉿、鋯(gao)等的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度(du)(du)依(yi)次增加(jia)(jia)[6-7]。鋼(gang)(gang)錠尺(chi)寸(cun)越(yue)大(da),合(he)金(jin)(jin)化(hua)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)度(du)(du)越(yue)高(gao),偏(pian)析(xi)(xi)(xi)敏感(gan)度(du)(du)則(ze)越(yue)高(gao)。一(yi)(yi)般枝(zhi)(zhi)晶干(gan)上主(zhu)要元(yuan)素(su)(su)含(han)量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多(duo),枝(zhi)(zhi)晶間(jian)則(ze)容易(yi)富集鈮、鋁、鈦等元(yuan)素(su)(su),且碳(tan)(tan)氮化(hua)物(wu)等析(xi)(xi)(xi)出(chu)相較(jiao)(jiao)(jiao)多(duo),晶粒尺(chi)寸(cun)較(jiao)(jiao)(jiao)小,因此易(yi)發生(sheng)腐蝕,故在(zai)(zai)(zai)(zai)金(jin)(jin)相檢驗時(shi)(shi)(shi)(shi),枝(zhi)(zhi)晶間(jian)表現為暗區(qu),且晶粒相對較(jiao)(jiao)(jiao)小,這與(yu)圖(tu)(tu)2顯微(wei)組織(zhi)(zhi)分(fen)析(xi)(xi)(xi)結果一(yi)(yi)致(zhi)。該批次 07Cr18Ni11Nb不 銹 鋼(gang)(gang) 熔(rong)(rong) 煉 時(shi)(shi)(shi)(shi) 的(de)(de)(de)(de)(de)(de) 電 極直(zhi)徑為350mm,電渣鋼(gang)(gang)錠直(zhi)徑為500mm,較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)截面(mian)尺(chi)寸(cun)使得鋼(gang)(gang)錠在(zai)(zai)(zai)(zai)凝固(gu)(gu)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)不可避免(mian)會發生(sheng)枝(zhi)(zhi)晶偏(pian) 析(xi)(xi)(xi)。鈮 在(zai)(zai)(zai)(zai) 鋼(gang)(gang) 中(zhong) 偏(pian) 析(xi)(xi)(xi) 時(shi)(shi)(shi)(shi) 通 常(chang) 以(yi)(yi) 高(gao) 硬 的(de)(de)(de)(de)(de)(de) 初(chu) 生(sheng)Nb(C,N)相 形(xing) 式 出(chu) 現(圖(tu)(tu) 5),其(qi)(qi) 主(zhu) 要 分(fen) 布 在(zai)(zai)(zai)(zai) 枝(zhi)(zhi) 晶間(jian),尺(chi)寸(cun)通常(chang)較(jiao)(jiao)(jiao)大(da)(微(wei)米級(ji)以(yi)(yi)上)[8]。經(jing)1200 ℃固(gu)(gu)溶后,鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)枝(zhi)(zhi)晶偏(pian)析(xi)(xi)(xi)及初(chu)生(sheng) Nb(C,N)相依(yi)然大(da)量(liang)存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai),說明(ming)該析(xi)(xi)(xi)出(chu)相很穩定,很難通過(guo)固(gu)(gu)溶處理使 其(qi)(qi) 溶 解(jie)。SUNDMAN 等[9] 研 究 發 現,在(zai)(zai)(zai)(zai)07Cr18Ni11Nb不銹 鋼(gang)(gang) 中(zhong),20% (體(ti) 積 分(fen) 數(shu),下 同(tong))的(de)(de)(de)(de)(de)(de) NbC以(yi)(yi)初(chu)生(sheng)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)式出(chu)現,熔(rong)(rong)煉時(shi)(shi)(shi)(shi)該碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)在(zai)(zai)(zai)(zai)1360 ℃ 開 始 形(xing) 成(cheng)(cheng)(cheng),降 溫 至 550 ℃ 時(shi)(shi)(shi)(shi) 基(ji) 本 結束;固(gu)(gu)溶溫度(du)(du)為1000 ℃時(shi)(shi)(shi)(shi),約85%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)不會發生(sheng)溶解(jie)而繼續留(liu)在(zai)(zai)(zai)(zai)基(ji)體(ti)中(zhong),固(gu)(gu)溶溫度(du)(du)為1200 ℃時(shi)(shi)(shi)(shi),約50%的(de)(de)(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化(hua)物(wu)會保留(liu)下來。由(you)圖(tu)(tu)5(c)可以(yi)(yi)看出(chu),經(jing)熱(re)鍛加(jia)(jia)工(gong)后,07Cr18Ni11Nb不銹鋼(gang)(gang)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)枝(zhi)(zhi)晶已基(ji)本消失,而初(chu)生(sheng) Nb(C,N)偏(pian)析(xi)(xi)(xi)相依(yi)然存(cun)(cun)在(zai)(zai)(zai)(zai),甚至在(zai)(zai)(zai)(zai)熱(re)變形(xing)過(guo)程(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)中(zhong)出(chu)現聚集長(chang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)趨勢,這進一(yi)(yi)步說明(ming)初(chu)生(sheng) Nb(C,N)相非(fei)常(chang)穩定,不易(yi)通過(guo)熱(re)處理或熱(re)加(jia)(jia)工(gong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方式消除,具有非(fei)常(chang)高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組織(zhi)(zhi)遺(yi)傳性。

2.2 穿孔過(guo)程中的附加拉應力

    由理化(hua)檢驗結果(guo)可知(zhi),分(fen)層(ceng)(ceng)失效毛(mao)管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)化(hua)學成(cheng)分(fen)滿足標準(zhun)要(yao)求,非(fei)金(jin)屬(shu)夾雜物均無異(yi)常,晶(jing)粒(li)也無明(ming)顯粗(cu)化(hua)。然而(er),其組(zu)(zu)織(zhi)中(zhong)分(fen)布(bu)(bu)著大(da)(da)量(liang)(liang)遺(yi)傳自(zi)鋼(gang)錠組(zu)(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)、經(jing)熱加(jia)工未充分(fen)破碎的(de)(de)(de)(de)(de)鏈(lian)狀和(he)短(duan)(duan)棒狀初(chu)生Nb(C,N)相(xiang)。Nb(C,N)相(xiang) 中(zhong) NbC 的(de)(de)(de)(de)(de) 顯 微 硬 度(du)(du) 在(zai)(zai)23.5GPa以上,NbN 的(de)(de)(de)(de)(de)顯微硬度(du)(du)約為14.3GPa,而(er)07Cr18Ni11Nb 鋼(gang) 基 體(ti) 的(de)(de)(de)(de)(de) 顯 微 硬 度(du)(du) 最 大(da)(da) 僅 為210MPa,因此在(zai)(zai)受外力作用時(shi),兩者變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)存在(zai)(zai)不(bu)協調性,相(xiang)界面(mian)處會產生應(ying)力集(ji)中(zhong),使管(guan)(guan)(guan)坯(pi)的(de)(de)(de)(de)(de)局部斷裂(lie)強(qiang)度(du)(du)降低(di);該應(ying)力集(ji)中(zhong)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域在(zai)(zai)后續斜軋穿(chuan)(chuan)孔過程中(zhong),極易成(cheng)為裂(lie)紋源,導致毛(mao)管(guan)(guan)(guan)開(kai)裂(lie)甚至分(fen)層(ceng)(ceng)。二輥(gun)斜軋穿(chuan)(chuan)孔工藝是一種復雜的(de)(de)(de)(de)(de)、不(bu)均勻的(de)(de)(de)(de)(de)金(jin)屬(shu)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)過程,穿(chuan)(chuan)孔各階段變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)橫截面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)(du)沿(yan)直(zhi)徑(jing)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)規律可以用 [(U1 + W)+2U2]表(biao)(biao)示(shi)[10]。在(zai)(zai)開(kai)始(shi)階段,坯(pi)料(liao)表(biao)(biao)面(mian)首先與(yu)軋輥(gun)接觸而(er)發(fa)生劇烈變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing),形(xing)(xing)成(cheng)表(biao)(biao)面(mian)細(xi)晶(jing)層(ceng)(ceng),此時(shi)中(zhong)心區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域尚為粗(cu)晶(jing)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)強(qiang)度(du)(du)沿(yan)直(zhi)徑(jing)方向(xiang)呈 U 形(xing)(xing)分(fen)布(bu)(bu),即(ji) U1 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),如圖(tu)6(a)所示(shi)。隨著壓下量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)進(jin)一步(bu)增加(jia),和(he)軋輥(gun)接觸的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)坯(pi)外表(biao)(biao)層(ceng)(ceng)以及中(zhong)心區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)較(jiao)(jiao)大(da)(da),而(er)二者之間的(de)(de)(de)(de)(de)過渡區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)較(jiao)(jiao)小(xiao),管(guan)(guan)(guan)坯(pi)外表(biao)(biao)面(mian)和(he)中(zhong)心晶(jing)粒(li)得到細(xi)化(hua),過渡區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)晶(jing)粒(li)粗(cu)大(da)(da),變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)強(qiang)度(du)(du)沿(yan)直(zhi)徑(jing)方向(xiang)呈W 形(xing)(xing)分(fen)布(bu)(bu),即(ji) W 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),見圖(tu)6(b)。W 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)形(xing)(xing)態一直(zhi)延續到坯(pi)料(liao)與(yu)穿(chuan)(chuan)孔頂(ding)頭(tou)接觸時(shi),當兩者接觸后,金(jin)屬(shu)流經(jing)頂(ding)頭(tou)表(biao)(biao)面(mian),受到頂(ding)頭(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)碾軋作用,晶(jing)粒(li)進(jin)一步(bu)細(xi)化(hua),毛(mao)管(guan)(guan)(guan)孔腔內壁形(xing)(xing)成(cheng)細(xi)晶(jing)層(ceng)(ceng),其與(yu)表(biao)(biao)面(mian)細(xi)晶(jing)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)過渡區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域即(ji)毛(mao)管(guan)(guan)(guan)壁中(zhong)間區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)量(liang)(liang)較(jiao)(jiao)小(xiao),晶(jing)粒(li)尺寸較(jiao)(jiao)大(da)(da),這樣在(zai)(zai)毛(mao)管(guan)(guan)(guan)直(zhi)徑(jing)方向(xiang)便存在(zai)(zai)兩個 U 形(xing)(xing)區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),即(ji)2U2 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu),見圖(tu)6(c)。變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)強(qiang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布(bu)(bu)是一種動(dong)態概念,與(yu)碳鋼(gang)相(xiang)比,高合金(jin)鋼(gang)通常 U1 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)長,W 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)短(duan)(duan),U2 區(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)(bian)(bian)(bian)形(xing)(xing)不(bu)均勻性較(jiao)(jiao)嚴重。

    在上述不均勻變形狀態下(xia),始終與(yu)(yu)軋(ya)輥接觸的(de)外(wai)表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)變形劇烈,隨著(zhu)軋(ya)輥的(de)帶動(dong)(dong),金(jin)(jin)屬(shu)(shu)會(hui)向(xiang)(xiang)(xiang)切(qie)向(xiang)(xiang)(xiang)、縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)并發(fa)生扭轉(zhuan),趨向(xiang)(xiang)(xiang)于(yu)(yu)使毛(mao)管(guan)周長(chang)增長(chang)和(he)鼓脹。于(yu)(yu)是(shi)坯料(liao)/毛(mao)管(guan)的(de)外(wai)表(biao)層(ceng)(ceng)(ceng)與(yu)(yu)中(zhong)心層(ceng)(ceng)(ceng)交界處(chu)產生切(qie)向(xiang)(xiang)(xiang)、縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)和(he)徑向(xiang)(xiang)(xiang)附加(jia)拉(la)應力(li)。在后續進行碾軋(ya)變形時(shi),若該(gai)附加(jia)拉(la)應力(li)超過金(jin)(jin)屬(shu)(shu)的(de)斷裂強度或裂紋源處(chu)的(de)最(zui)大承載應力(li),金(jin)(jin)屬(shu)(shu)就會(hui)發(fa)生開(kai)裂,形成外(wai)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)。外(wai)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)發(fa)生 在 坯 料(liao) 與(yu)(yu) 軋(ya) 輥 接 觸 的(de) U1 區 或U2 區。當坯料(liao)與(yu)(yu)穿孔頂(ding)頭接觸時(shi),金(jin)(jin)屬(shu)(shu)組織受頂(ding)頭碾軋(ya)作用(yong)而發(fa)生細(xi)化。這部分(fen)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)在劇烈塑性(xing)變形作用(yong)下(xia)必然要向(xiang)(xiang)(xiang)切(qie)向(xiang)(xiang)(xiang)和(he)縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)(dong)并發(fa)生扭轉(zhuan),于(yu)(yu)是(shi)在毛(mao)管(guan)腔內(nei)表(biao)面和(he)中(zhong)間層(ceng)(ceng)(ceng)過渡(du)區域(yu)產生切(qie)向(xiang)(xiang)(xiang)、縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)和(he)徑向(xiang)(xiang)(xiang)附加(jia)拉(la)應力(li),由應力(li)引(yin)發(fa)的(de)金(jin)(jin)屬(shu)(shu)開(kai)裂會(hui)形成內(nei)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng);內(nei)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)發(fa)生在 U2 區。外(wai)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)與(yu)(yu)內(nei)分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)是(shi)相對概念,分(fen)層(ceng)(ceng)(ceng)缺陷通常靠近毛(mao)管(guan)外(wai)表(biao)面或內(nei)表(biao)面并深入到皮下(xia)一定(ding)深度。

2.3 穿孔過程中的工藝(yi)因(yin)素

   二輥斜軋穿孔(kong)過程中(zhong)的主要工藝參(can)數為坯料(liao)加熱 制 度、軋 輥 轉 速、送 進 角(jiao) 和 碾(nian) 軋 角(jiao) 等。 其 對07Cr18Ni11Nb不銹(xiu)鋼管穿孔(kong)分層的影響(xiang)如下。

    (1)加熱(re)(re)制(zhi)度。07Cr18Ni11Nb不銹鋼(gang)屬(shu)于熱(re)(re)強鋼(gang),其(qi)熱(re)(re)塑性變(bian)(bian)形溫(wen)度范圍窄、高溫(wen)變(bian)(bian)形抗力大、低溫(wen)熱(re)(re)導(dao)率低。因此,在(zai)斜軋穿孔前進行加熱(re)(re)時,若在(zai)低溫(wen)段(小于850℃)加熱(re)(re)過(guo)快,坯(pi)料(liao)易產生裂(lie)(lie)紋(wen);若在(zai)高溫(wen)段(1100~1200 ℃)保溫(wen)時間過(guo)長,晶粒會(hui)發生粗化,導(dao)致其(qi)熱(re)(re)塑性變(bian)(bian)差,進一步增加斜軋變(bian)(bian)形抗力,并(bing)且坯(pi)料(liao)在(zai)高溫(wen)段易析出δ鐵素(su)體,造成毛(mao)管內表面開裂(lie)(lie)、折(zhe)疊等缺陷[11]。此外,對于大尺(chi)寸坯(pi)料(liao),若翻鋼(gang)不及(ji)時,其(qi)橫截面沿(yan)直徑(jing)方向的溫(wen)度分(fen)(fen)布不均勻,也會(hui)加劇分(fen)(fen)層或開裂(lie)(lie)傾向。

     (2)軋(ya)輥轉(zhuan)速(su)(su)。較低的(de)(de)(de)(de)軋(ya)輥轉(zhuan)速(su)(su)有利于減小頂頭的(de)(de)(de)(de)軸(zhou)向阻力(li),使坯料中(zhong)心發生均勻(yun)塑性變形,促進(jin)孔腔的(de)(de)(de)(de)形成(cheng)。隨著軋(ya)輥轉(zhuan)速(su)(su)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)(gao)(gao),坯料形成(cheng)孔腔的(de)(de)(de)(de)臨界變形量提高(gao)(gao)(gao),而毛(mao)管出現分(fen)層缺陷(xian)的(de)(de)(de)(de)臨界變形量降(jiang)低,不(bu)利于穿(chuan)(chuan)孔變形的(de)(de)(de)(de)進(jin)行。同(tong)時,軋(ya)輥轉(zhuan)速(su)(su)決定了穿(chuan)(chuan)孔速(su)(su)度,穿(chuan)(chuan)孔速(su)(su)度越快,材料因變形產生的(de)(de)(de)(de)溫(wen)升也(ye)越大,且不(bu)易控(kong)制(zhi)[12],這對(dui)于07Cr18Ni11Nb不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)穿(chuan)(chuan)孔變形是十分(fen)不(bu)利的(de)(de)(de)(de)。雖然(ran)穿(chuan)(chuan)孔速(su)(su)度快可(ke)以提高(gao)(gao)(gao)生產效(xiao)率,但(dan)分(fen)層缺陷(xian)未解(jie)決之前,談產量是毫無意(yi)義(yi)的(de)(de)(de)(de),特別(bie)是07Cr18Ni11Nb不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)等高(gao)(gao)(gao)附(fu)加值材料而言。目前,同(tong)樣(yang)穿(chuan)(chuan)孔規(gui)格的(de)(de)(de)(de)普通(tong)304奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)在進(jin)行二(er)輥斜軋(ya)穿(chuan)(chuan)孔時的(de)(de)(de)(de)軋(ya)輥轉(zhuan)速(su)(su)一般 控(kong) 制(zhi) 在 300 ~ 400 r· min-1,而 該(gai) 批(pi) 次07Cr18Ni11Nb不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)的(de)(de)(de)(de)在400r·min-1左右,作為比普通(tong)304不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)熱強性更高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)鋼(gang)(gang)(gang)種,該(gai)轉(zhuan)速(su)(su)顯然(ran)略高(gao)(gao)(gao)。

    (3)碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)和送(song)進角(jiao)(jiao)(jiao)。碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)是指(zhi)(zhi)二輥斜(xie)軋(ya)(ya)穿(chuan)孔機(ji)軋(ya)(ya)輥的(de)出口錐角(jiao)(jiao)(jiao),送(song)進角(jiao)(jiao)(jiao)指(zhi)(zhi)軋(ya)(ya)輥軸線(xian)與穿(chuan)孔方向在水平面投影的(de)夾(jia)角(jiao)(jiao)(jiao),也稱喂入角(jiao)(jiao)(jiao)、前進角(jiao)(jiao)(jiao)、咬(yao)入角(jiao)(jiao)(jiao)等[13-14]。田黨[15]指(zhi)(zhi)出:要(yao)消除分層缺陷(xian),需要(yao)碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)和送(song)進角(jiao)(jiao)(jiao)的(de)合(he)理(li)匹配(pei);對(dui)于(yu)一定成分的(de)合(he)金,其存在一個(ge)臨界(jie)碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao),當碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)大于(yu)該臨界(jie)碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)時,毛(mao)(mao)管的(de)分層缺陷(xian)才能消除。但錐形輥穿(chuan)孔機(ji)的(de)碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)受(shou)到轉鼓、牌坊(fang)空間、天車、廠房高度等的(de)限制,是不(bu)能隨意調整的(de)。在固定碾(nian)(nian)(nian)(nian)軋(ya)(ya)角(jiao)(jiao)(jiao)下,對(dui)于(yu)不(bu)同(tong)規格(ge)的(de)07Cr18Ni11Nb不(bu)銹鋼坯(pi)料及毛(mao)(mao)管,尋求合(he)適的(de)送(song)進角(jiao)(jiao)(jiao)還需匹配(pei)軋(ya)(ya)輥轉速等作系(xi)統性研究。

    綜上所(suo)述(shu),07Cr18Ni11Nb 不(bu) 銹(xiu) 鋼 斜 軋(ya) 穿(chuan)(chuan) 孔(kong)(kong) 時發生(sheng)(sheng)分層缺(que)(que)陷是穿(chuan)(chuan)孔(kong)(kong)過(guo)程中的(de)(de)非均勻(yun)變形和(he)初生(sheng)(sheng)Nb(C,N)偏析(xi)相共同作(zuo)用的(de)(de)結果。受軋(ya)輥(gun)作(zuo)用而在(zai)坯(pi)(pi)料(liao)/毛管(guan)外(wai)表層和(he)中心層過(guo)渡(du)區(qu)域(yu)引入的(de)(de)附(fu)加拉(la)應力(li)和(he)由頂頭作(zuo)用而在(zai)毛管(guan)腔(qiang)內表層和(he)中間層過(guo)渡(du)區(qu)引入的(de)(de)附(fu)加拉(la)應力(li)是分層缺(que)(que)陷產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)必要(yao)條(tiao)件。該失效07Cr18Ni11Nb不(bu)銹(xiu)鋼毛管(guan)坯(pi)(pi)料(liao)中存在(zai)的(de)(de)鏈狀(zhuang)和(he)棒狀(zhuang)初生(sheng)(sheng) Nb(C,N)偏析(xi)相與奧氏體(ti)基體(ti)的(de)(de)非協調變形進一(yi)步降(jiang)低了分層缺(que)(que)陷出現的(de)(de)門檻,較低的(de)(de)附(fu)加拉(la)應力(li)即(ji)可引起管(guan)坯(pi)(pi)金屬的(de)(de)開(kai)裂或分層。同時,管(guan)坯(pi)(pi)加熱制度、穿(chuan)(chuan)孔(kong)(kong)軋(ya)輥(gun)轉速、碾軋(ya)角和(he)送進角等參數之間的(de)(de)匹配也是影響(xiang)穿(chuan)(chuan)孔(kong)(kong)毛管(guan)質量(liang)的(de)(de)重要(yao)因素。

3 結(jie)論(lun)及建議

    (1)該07Cr18Ni11Nb不銹鋼中(zhong)存在(zai)(zai)鏈狀和(he)棒(bang)狀初(chu)生(sheng) Nb(C,N)偏析(xi)相,在(zai)(zai)斜軋穿孔(kong)過程中(zhong),其(qi)與(yu)奧氏體(ti)基體(ti)變(bian)(bian)形不協調,在(zai)(zai)界面處產生(sheng)應(ying)力集中(zhong),造成管(guan)坯局部斷(duan)裂(lie)強(qiang)度降低;同時坯料/毛管(guan)變(bian)(bian)形強(qiang)度沿橫截面分(fen)布(bu)不均勻,過渡區域存在(zai)(zai)附加拉(la)應(ying)力。兩者的共同作用導致(zhi)毛管(guan)出現裂(lie)紋,裂(lie)紋在(zai)(zai)后續碾軋過程中(zhong)不斷(duan)擴展,最終導致(zhi)分(fen)層。

    (2)穿孔工藝參數(shu)如坯(pi)料(liao)加熱制度、軋輥轉速、送進角(jiao)和碾轉角(jiao)等匹配不當,會進一步加劇坯(pi)料(liao)/毛管沿截面的非均勻變形(xing),引起分層。

    (3)建 議 在(zai) 滿 足 產 品(pin) 要 求 的 條 件 下,將07Cr18Ni11Nb鋼中碳、鈮(ni)(ni)元(yuan)素含(han)量控制在(zai)范(fan)圍下限(xian),并盡量 降(jiang)(jiang) 低 氮(dan) 元(yuan) 素 含(han) 量。同(tong) 時 改 進 電 渣 重 熔工藝(yi),降(jiang)(jiang)低 熔 速,改 善 鑄(zhu) 錠 凝 固 條 件,減 小(xiao) 鈮(ni)(ni) 元(yuan) 素的偏析,從源頭上(shang)減少初(chu)生 Nb(C,N)相。此外,要根據坯料情 況(kuang) 合 理 調 整 穿 孔 工 藝(yi) 參 數,如 坯 料 低溫段(duan)(duan)緩(huan)慢加熱、高溫段(duan)(duan)快速加熱,在(zai)現有(you)基(ji)礎上(shang)適當降(jiang)(jiang)低軋(ya)(ya)輥轉(zhuan)速,尋(xun)找軋(ya)(ya)輥碾(nian)軋(ya)(ya)角、送(song)進角和(he)軋(ya)(ya)輥轉(zhuan)速等參數 的 合 理 匹 配,以 降(jiang)(jiang) 低 非 均 勻 變 形 引 起(qi)的附加拉應力。

（文章來源：材料與測試網-機械工程材料 > 2020年 > 8期 > pp.97）