2205雙相不銹鋼管表面起皮缺陷分析報告

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對2205雙相不銹鋼管表面起皮缺陷進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，并結(jié)合其冶煉－熱軋－退火酸洗整個生產(chǎn)工藝，得出：缺陷的實質(zhì)是熱軋過程中咬入氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后的表現(xiàn)形式。通過對2205雙相不銹鋼管坯加熱后金相組織、熱塑性、熱軋板金相組織以及熱軋板氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的分析，得出：板坯邊部柱狀晶的存在以及熱軋加熱爐加熱溫度過高會影響材料的熱塑性，導(dǎo)致軋制過程邊部出現(xiàn)微裂紋，熱軋完成后演變?yōu)橐胧窖趸F皮缺陷。提高2205雙相不銹鋼管等軸晶率、控制加熱溫度在1260℃以下可以有效避免起皮缺陷的發(fā)生。

 雙相不銹鋼是一個集優(yōu)良的耐腐蝕、高強(qiáng)度和良好的焊接性能等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。2205雙相不銹鋼作為第二代雙相不銹鋼，被廣泛應(yīng)用于造紙、石油化工和海洋工程等領(lǐng)域。但是2205雙相不銹鋼管在熱軋生產(chǎn)過程中，始終處于兩相區(qū)，鐵素體和奧氏體兩相變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致熱塑性較差，尤其是NO．1板表面的缺陷發(fā)生率較高，且缺陷經(jīng)研磨無法去除，嚴(yán)重影響其推廣和應(yīng)用。由于起皮缺陷發(fā)生在退火酸洗后的表面，而在熱軋黑卷表面無法發(fā)現(xiàn)。至德鋼業(yè)選用2205雙相不銹鋼管作為研究對象，并結(jié)合其冶煉-連鑄-修磨-加熱-高壓水除鱗-粗軋-精軋-退火酸洗整個生產(chǎn)工藝，對2205雙相不銹鋼管起皮缺陷采用掃描電鏡和能譜分析方法進(jìn)行觀察，并通過對2205不銹鋼管坯加熱后進(jìn)行金相組織、板坯熱塑性、熱軋板金相組織以及熱軋板氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的分析，找出該缺陷形成原因，對提高產(chǎn)品質(zhì)量將會有重大意義。

一、缺陷特征及檢驗分析

 1. 起皮缺陷形貌

 2205雙相不銹鋼管產(chǎn)生起皮缺陷的方向與帶鋼的軋制方向一致，在鋼管兩邊部200mm內(nèi)斷續(xù)出現(xiàn)，中部沒有，其尺寸較小，上表面發(fā)生較多，圖為2205雙相不銹鋼起皮缺陷照片。

 2. 掃描電鏡和能譜分析

 圖為起皮缺陷的掃描電鏡形貌。從圖中可以看出，起皮缺陷處的顯微形貌有明顯的分層，而且疏松、不致密，有明顯的脫落痕跡。隨著放大倍數(shù)的提高，邊界處分層更加嚴(yán)重?？觾?nèi)組織細(xì)小，組織呈顆粒狀，其他部位組織連續(xù)呈片狀分布，如圖所示。表為起皮缺陷中A、B處的化學(xué)成分，從表中可以看出，A處的鉻、氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于B處，而B處的化學(xué)成分基本上與2205雙相不銹鋼管基體化學(xué)成分相近，未見異常。

 從對起皮缺陷的掃描電鏡和能譜分析來看，缺陷處氧化鐵皮的成分和形態(tài)有明顯的差別。在A處，氧化鐵皮的氧含量高達(dá)26.99%，因此這里的氧化鐵皮是經(jīng)過了較長時間氧化形成的，說明不是退火酸洗過程形成的表層氧化鐵皮，而是熱軋加熱過程中形成的咬入式氧化鐵皮；而在B處，氧化鐵皮很薄，氧含量相對較低（2.05%），為典型的退火酸洗過程形成的表層氧化鐵皮。

二、起皮缺陷形成機(jī)理分析

 經(jīng)過以上對起皮缺陷的分析，判定此缺陷的實質(zhì)是熱軋過程中咬入的氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后的表現(xiàn)形式。奧氏體加鐵素體雙相組織在賦予2205雙相不銹鋼管優(yōu)異性能的同時也帶來了不容易熱軋的缺點。在熱軋過程中鐵素體和奧氏體兩相的再結(jié)晶機(jī)制不同，導(dǎo)致兩相變形不協(xié)調(diào)，惡化了熱塑性，容易出現(xiàn)微裂紋。通過對2205雙相不銹鋼管坯加熱后金相組織、板坯熱塑性、熱軋板金相組織以及熱軋板氧化鐵皮結(jié)構(gòu)相關(guān)的試驗研究，將進(jìn)一步分析2205雙相不銹鋼管起皮缺陷在熱軋工序形成的原因。

 1. 熱塑性

 為了研究2205雙相不銹鋼管坯邊部和中部的熱塑性，對鑄坯進(jìn)行低倍組織侵蝕，侵蝕劑為三氯化鐵加鹽酸溶液，如圖所示。分別選取邊部柱狀晶區(qū)試樣和中部等軸晶區(qū)試樣。將試樣加工成5mm×69mm的高溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣。試樣兩端加工成M10普通螺紋，便于試樣的固定。利用WL-015微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行2205雙相不銹鋼管連鑄坯的高溫拉伸試驗。將試樣以10℃/s的升溫速度快速加熱到不同溫度（950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃），保溫60秒后以1s-1的應(yīng)變速率拉伸，直至斷裂。試驗后人工測得2205雙相不銹鋼管連鑄坯的斷面收縮率，如圖所示。

 斷面收縮率是衡量鑄坯塑性好壞的重要指標(biāo)，斷面收縮率越大，表明鑄坯在外力作用下發(fā)生塑性變形的能力越強(qiáng)，抵抗裂紋發(fā)生的能力越好。從圖中可以看出，在950～1150℃溫度范圍內(nèi)，2205雙相不銹鋼管坯邊部試樣斷面收縮率都要比中部試樣低。中部試樣在950～1150℃溫度范圍內(nèi)，斷面收縮率都大于65%，表現(xiàn)出熱塑性。邊部試樣在1050℃以下，熱塑性變差，950℃時斷面收縮率最低，為50.4%。

 2. 邊部試樣加熱后金相組織

 選取2205雙相不銹鋼管坯柱狀晶區(qū)試樣，試樣大小為20mm×20mm×20mm，在1220℃、1240℃、1260℃不同溫度下保溫20分鐘進(jìn)行加熱處理，處理完后進(jìn)行水淬。將熱處理后的鑄坯試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光和腐蝕（偏重亞硫酸鉀+鹽酸溶液）后采用金相顯微鏡觀察金相組織，如圖所示。從圖片中可以看出，2205雙相不銹鋼管連鑄坯試樣在1220℃、1240℃加熱溫度下，奧氏體相以塊狀為主，1260℃時奧氏體晶粒明顯變得粗大。奧氏體組織粗大，熱變形時某些部位的鐵素體受到相鄰粗大奧氏體的阻礙，這樣就容易在奧氏體和鐵素體的晶界形成微裂紋。2205雙相不銹鋼管在加熱爐的加熱溫度設(shè)定在1245～1260℃之間，由于板坯在加熱過程中受加熱爐內(nèi)燒嘴的布置及氣流的影響，管坯邊部的溫度要高于板坯設(shè)定的加熱溫度。邊部溫度達(dá)到1260℃時，奧氏體晶粒變粗大，導(dǎo)致板坯邊部的熱塑性比中部差，在后續(xù)熱軋過程中邊部出現(xiàn)微裂紋。

 3. 熱軋板金相組織

 至德鋼業(yè)對加熱溫度1260℃、在爐時間200分鐘工藝條件下生產(chǎn)的2205雙相不銹鋼管邊部和中部分別取樣觀察金相組織，見圖所示。雙相不銹鋼組織特征是鐵素體基體中分布著奧氏體島，通過軋制后，奧氏體島沿著軋制方向呈長條狀排列，如圖中部試樣組織所示。從圖中可以看出，邊部試樣奧氏體晶粒明顯比中部粗大。2205雙相不銹鋼管中奧氏體和鐵素體兩相存在力學(xué)性能的差異，熱軋生產(chǎn)過程中的應(yīng)變通過晶界在兩相中進(jìn)行分配，過多分配給鐵素體相有可能導(dǎo)致兩相邊界區(qū)域應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋。奧氏體晶粒粗大更容易造成上述現(xiàn)象的發(fā)生。

 4. 熱軋板邊部氧化鐵皮結(jié)構(gòu)分析

 至德鋼業(yè)對2205雙相不銹鋼管邊部氧化皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，如圖所示。從圖中可以看出，邊部不同部位的氧化鐵皮成分和形態(tài)有明顯的差別。紅色箭頭所指的鉻、氧的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)明顯高于黑色箭頭所指處。說明紅色箭頭所指處的表層氧化鐵皮是熱軋加熱過程中形成的咬入式氧化鐵皮，這和起皮缺陷處掃描電鏡能譜分析方法得出的結(jié)論是一致的。黑色箭頭所指部位氧化鐵皮為典型的熱軋態(tài)表層氧化鐵皮。在正常的酸洗條件下，無法去除咬入熱軋板基體的氧化鐵皮，咬入的氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后便成為表面起皮缺陷。

 從上面的分析來看，2205雙相不銹鋼管起皮缺陷主要是熱軋板邊部組織異常、熱塑性差所引起的。2205雙相不銹鋼管坯中邊部為柱狀晶，中部為等軸晶，在950～1150℃熱軋溫度范圍內(nèi)，2205雙相不銹鋼管坯邊部試樣斷面收縮率都要比中部試樣低。此外，2205雙相不銹鋼管坯在加熱爐的加熱溫度設(shè)定在1245～1260℃之間，由于管坯在加熱過程中受加熱爐內(nèi)燒嘴的布置及氣流的影響，管坯邊部的溫度要高于板坯設(shè)定的加熱溫度。當(dāng)邊部溫度達(dá)到1260℃時，奧氏體晶粒變粗大，導(dǎo)致板坯邊部的熱塑性比中部差。在加熱溫度1260℃、在爐時間200分鐘工藝條件下生產(chǎn)的2205雙相不銹鋼管底部金相組織中也可以觀察到，邊部試樣的奧氏體晶粒明顯比中部粗大。上述不利因素，導(dǎo)致2205雙相不銹鋼管坯邊部在熱軋過程中，在兩相界面處產(chǎn)生微裂紋，熱軋完成后演變?yōu)橐胧窖趸F皮缺陷，咬入的氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后便成為表面起皮缺陷。通過以上分析，針對起皮缺陷制定如下措施，可有效避免起皮缺陷的發(fā)生。

   a. 提高2205雙相不銹鋼管坯等軸晶率，通過提高電磁攪拌強(qiáng)度和降低過熱度使2205雙相不銹鋼等軸晶率達(dá)到95%以上。

    b. 嚴(yán)格控制2205雙相不銹鋼管坯邊部加熱溫度在1260℃以下，防止邊部奧氏體晶粒粗大。

三、結(jié)論

 1. 結(jié)合2205雙相不銹鋼管冶煉-熱軋-退火酸洗整個生產(chǎn)工藝，得出其不銹鋼管表面起皮缺陷是由熱軋過程中咬入的氧化鐵皮經(jīng)過退火酸洗后造成的。

 2. 管坯邊部柱狀晶的存在以及熱軋加熱爐加熱溫度過高會影響2205雙相不銹鋼管坯邊部的熱塑性，導(dǎo)致軋制過程邊部出現(xiàn)微裂紋，熱軋完成后演變?yōu)橐胧窖趸F皮缺陷。

 3. 提高2205雙相不銹鋼管等軸晶率、控制加熱溫度在1260℃以下可以有效避免起皮缺陷的發(fā)生。