304不銹鋼管表面裂紋原因分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用金相、掃描電鏡等分析了304不銹鋼管表面裂紋的形貌特征和產(chǎn)生原因，結(jié)果表明：表面裂紋是不銹鋼管表面在淬火介質(zhì)中冷卻不均勻而形成的淬火裂紋。采用等溫淬火或壓縮氣體淬火，可以降低淬火應(yīng)力，能有效地減少表面裂紋的產(chǎn)生。304不銹鋼管規(guī)格為406ｍｍ×8ｍｍ，制造工藝為：原材料復(fù)驗→下料→旋壓收底→銑內(nèi)底→底部氣密→旋壓收口→力學(xué)性能測試→調(diào)質(zhì)處理→承壓和泄露檢測→入庫。在承壓檢測中部分氣瓶性能存在不合格，肉眼觀察發(fā)現(xiàn)在氣瓶外表面存在多條無規(guī)律分布的細小裂紋。為提高產(chǎn)品成材率，本文通過人工斷口形貌、顯微組織觀察、硬度測試及ＳＥＭ分析，分析討論了表面裂紋的產(chǎn)生原因，并結(jié)合生產(chǎn)工藝，提出了有效改進措施。

一、檢驗測試

  1. 宏觀形貌

  304不銹鋼管外表面有多條細小的裂紋，分布無規(guī)律。在裂紋部位取樣，沿裂紋方向壓開制成人工斷口，斷口顯示為新、舊兩個明顯區(qū)域，在舊斷口上顯示出回火色和不同程度的污染，經(jīng)超聲波清洗后，在舊斷口區(qū)（緊挨氣瓶外表面）顯示出較明顯的回火色，舊斷口非常平坦，顯示脆性斷裂形貌；而新斷口相對較粗糙，顯示韌性斷裂形貌。根據(jù)斷口形貌可以斷定開裂起源于氣瓶鋼外表面。

 2. 金相檢驗

  將缺陷試樣制備成金相拋光態(tài)試樣，在顯微鏡下檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)及正常區(qū)有集中分布的非金屬夾雜物，按照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》評定基體的非金屬夾雜物級別為試劑侵蝕，鏡下觀察結(jié)果顯示，試樣從304不銹鋼管內(nèi)表面到外表面皆為馬氏體的回火組織，整個瓶壁已完全淬透。裂紋呈鋸齒狀，尾部尖銳，為典型淬火裂紋特征，裂紋兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，說明裂紋未經(jīng)歷高溫氧化過程。

 3. 掃描電鏡分析

  將前述人工斷口試樣用超聲波清洗后，于掃描電鏡上觀察，如圖所示，舊斷口區(qū)全部呈沿晶斷裂特征，且存在較多微裂紋，驗證了金相檢驗中缺陷為淬火裂紋的結(jié)論。

 4. 化學(xué)成分分析

  對304不銹鋼管取樣進行化學(xué)成分分析，同時錄入了國際標準中通用的304不銹鋼規(guī)定的成分范圍。

 5. 硬度測定

  在壁厚的近外壁、中心部位、近內(nèi)壁分別選３個點進行硬度測試，測試結(jié)果顯示管壁的硬度均勻。有文獻介紹304不銹鋼管的淬火態(tài)硬度超過50HRC，而實際硬度值均在33HRC左右，說明氣瓶淬火后經(jīng)歷了中溫回火，具有良好的強韌性。

二、結(jié)果分析與討論

 1. 裂紋成因分析

 304不銹鋼管的化學(xué)成分滿足標準要求，未檢出與開裂相關(guān)的冶金缺陷和不良的組織。裂紋由外表面向徑向延伸，呈鋸齒狀，尾部尖銳，舊斷口上顯示沿晶脆斷特征，這些都是淬火裂紋的典型特征；裂紋兩側(cè)及尖端組織與基體組織沒有差異，皆為馬氏體回火組織，且兩側(cè)無脫碳現(xiàn)象，未經(jīng)歷高溫氧化過程，說明裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻過程中。通過斷口觀察，顯示出新、舊斷口區(qū)域，在舊斷口顯示出回火色和污染物，經(jīng)超聲清洗后，斷口上顯示明顯的回火色。氣瓶一旦淬裂，敞露到表面的裂紋會受到滲入的淬火介質(zhì)的污染，并在回火過程中形成不同程度的回火色。至德鋼業(yè)提出了表示碳含量和合金元素成分對鋼淬火開裂傾向復(fù)合影響的關(guān)系，這里用碳當量來表示，值越大，開裂的敏感性就越高，越易開裂；計算該氣瓶鋼的碳當量最小值已大于0.52，屬于易于開裂的成分范圍。

 304不銹鋼管的組織皆為奧氏體的回火組織，說明氣瓶的壁厚已全被淬透。全淬透的鋼制品在水溶性介質(zhì)中冷卻時，厚度上存在一個淬火開裂的危險尺寸，尺寸小于最危險尺寸時，心部和表面溫差小，淬火應(yīng)力小，不易開裂；尺寸大于這些數(shù)值時，淬火應(yīng)力雖然增大，但拉應(yīng)力峰遠離表面，淬裂傾向反而減小，只有這一范圍的尺寸，拉應(yīng)力峰值在近表面，且數(shù)值也較大，對淬裂最敏感。該氣瓶的壁厚為8ｍｍ，在淬火開裂的危險尺寸（8～15ｍｍ）范圍內(nèi)。

  材質(zhì)和壁厚決定了304不銹鋼管具有較大的淬火開裂敏感性，淬火工藝稍有不當就會產(chǎn)生淬裂現(xiàn)象。軸向的淬火介質(zhì)流流經(jīng)水平放置的圓柱型瓶體，由于散熱不均勻，攪拌使底部散熱較快，上表面散熱較慢，淬火介質(zhì)攪拌不良就最會在上下表面之間形成較大的熱應(yīng)力梯度，同時進入介質(zhì)時瓶體內(nèi)腔形成的壓力和介質(zhì)的浮力以及吊裝不鉛垂造成瓶體的漂浮，都會使瓶體各表面冷卻不均勻，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力足夠大時就會在表面開裂，該應(yīng)力狀態(tài)決定了裂紋尚未擴展到壁厚的一半就停止了，不能形成穿透性裂紋。

 2. 消除裂紋的措施

 淬火裂紋為熱處理裂紋，圓柱型瓶體在攪拌不良的水溶性淬火介質(zhì)中冷卻不均勻，使上表面與下表面之間形成較大熱應(yīng)力梯度，要避免該淬火裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)改善淬火工藝，對此鉻、鉬合金鋼件應(yīng)采用等溫淬火或壓縮空氣淬火，或在不改變淬火條件的情況下，改變瓶體進入淬火介質(zhì)的方式，將瓶體垂直放入淬火槽中，并保持瓶體同時均勻冷卻，消除產(chǎn)生熱處理裂紋的應(yīng)力條件。

三、結(jié)論

  304不銹鋼管表面裂紋的產(chǎn)生是由于圓柱形不銹鋼管在淬火介質(zhì)中冷卻不均勻所致，在瓶體上下表面之間產(chǎn)生的較大的熱應(yīng)力梯度，在304不銹鋼管外表面表現(xiàn)為拉應(yīng)力，當應(yīng)力足夠大，就會在瓶體表面開裂。隨著應(yīng)力釋放，裂紋尚未擴展到壁厚的一半就停止了。304不銹鋼管采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，采用等溫淬火或壓縮空氣淬火的均勻淬火冷卻為控制思路，改善淬火工藝以達到減小淬火應(yīng)力的作用。