摘 要:将303Cu不锈钢线材拉拔成六角棒后对其打孔,在这两个工艺过程中,材料开裂几率较 大。采用化学成分分析、金相检验、电子探针分析等方法对开裂试样进行了全面分析,同时对线材 的生产工艺进行分析,找到了开裂原因,并提出了应对措施。结果表明:钢中硫化物夹杂的成分、形 态及其分布是产生开裂的主要原因;采用调整连铸和热轧加热工艺,以及增加轧后在线热处理工 艺,有效降低了303Cu不锈钢线材的加工开裂几率。

关键词:不锈钢;拉拔及机加工;开裂;在线热处理

中图分类号:TG156 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)02-0049-04

303Cu不锈钢是一种铜、硫元素含量都很高的 奥氏体不锈钢,硫元素在钢中与锰、铁等元素形成夹 杂物,这类夹杂物能阻断基体金属的连续性。通常 钢的易切削性能随着硫元素含量的增加而增强,但 是随着硫元素含量的增加,其热加工性能、冷加工的 塑性变形,尤其是横向塑性、韧性、疲劳性能等都会 受到较大的影响[1-3]。

将某厂生产的10 mm 的303Cu不锈钢线材 开卷后,拉拔成对边距约为8.7mm 的六角棒,在拉 拔过程中,六角棒经常会发生开裂,裂纹沿六角棒的 纵向延伸,开裂率为15.3%;对未开裂的六角棒继 续打孔并加工外螺纹,在此加工过程中六角棒也会 发生开裂,裂纹延伸到螺纹位置并垂直于螺纹,开裂 率为8.4%。试样加工过程示意及开裂宏观形貌如 图1所示。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

对开裂样品取样,采用SPECTROLAB M10型 光电 直 读 光 谱 仪 对 试 样 进 行 化 学 成 分 分 析 (见 表1),由 表 1 可 以 看 出,结 果 均 符 合 标 准 GB/T 4356-2016《不锈钢盘条》的要求。

1.2 金相检验

制作标准金相试样,在 AxioImagerAim 型金 相显微 镜 下 观 察 显 微 组 织 形 貌,参 考 标 准 GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准 评级图显微检验法》(见图2~4)。由图2~4可以 看出,不论开裂部位还是正常部位,硫化物类夹杂物 均呈细条状分布,且存在局部聚集的现象,裂纹尾部 有点状的硫化物颗粒。材料的基体组织为奥氏体, 其晶粒度为11.5级,不存在沿晶裂纹。

1.3 电子探针显微分析

采用电子探针进行显微分析,裂纹周围元素分 布面扫描结果如图5所示,裂纹周围能谱成分分析 结果如表2所示。由图5及表2可知,裂纹周围锰、 硫元素含量异常偏高,裂纹处存在较为粗大的硫化 锰夹杂物;局部还存在铜、硫元素含量偏高的现象, 显微形貌为类似气泡的孔洞。

2 综合分析

由金相检验和电子探针分析结果可知,材料基体存在分布不均匀且呈长条状的硫化锰类夹杂物, 且此类夹杂物伴随着类似气泡的孔洞。硫化铜的熔 点较低,不锈钢基体中硫化铜的熔点一般不会超过 1000 ℃,在连铸、热轧加热及后续热处理时极易形 成液态的硫化铜,当温度降低,硫化铜凝固且体积变 小,硫化铜存在的位置容易形成真空泡,这类真空泡 也跟夹杂物一样阻断了基体的连续性,在拉拔及机 加工过程中使基体开裂。

通过以上分析可知,303Cu不锈钢开裂的主要 原因是硫化物夹杂中存在硫化铜,夹杂物的形态呈 长条状,且分布不均匀。

连铸过程中保持元素的均匀性,可避免产生较 大的化学成分偏析,尤其是铜元素的偏析。通过控 制轧制前的加热温度,硫化物在不锈钢中呈现出有 利于轧制的状态。试验发现,随着加热温度的升高, 沿纵向呈长条状分布的硫化物有变短、变细、均匀分 布的趋势。当加热温度为1180~1300 ℃时,硫化 物明显细化、分布较均匀,有利于轧制的进行[4]。

303Cu不锈钢在冷变形塑性加工前都会进行固 溶处理,由于该钢种的特殊性,正常固溶处理容易导 致材料局部晶粒粗大,反而不利于其塑性加工。实 践证明,减少固溶加热时间和降低固溶温度可适当 避免晶粒粗大现象。

3 工艺改进措施

化学成分方面,调整锰元素的质量分数不小于 2.2%,硫元素的质量分数不大于0.27%;连铸投入 电磁搅拌,将二冷水的进出水温度差控制在8 ℃以 上,加大二冷水的流量;在现有工艺制度的基础上, 将热轧加热炉加热段和均热段温度均提高20℃,在 炉时间保持不变。可在冷却辊道增加保温罩,在保 温罩内增加升温装置,在保温罩末端增加冷却装置。

经过改进工艺后,夹杂物及其周围组织形貌如图6 所示。图6a)显示硫化物分布均匀,大部分呈纺锤状, 没有真空泡伴生;图6b)显示夹杂物周围组织为奥氏 体,晶粒度为8.5级,晶粒大小均匀。在拉拔六角棒和 打孔的过程中,开裂率分别降低到0.32%和0%,有效 地改善了303Cu不锈钢塑性加工开裂的现象。

4 结语

303Cu不锈钢在拉拔及机加工开裂的主要原因 是硫化物夹杂物中存在硫化铜,夹杂物的形态为长 条状,且局部聚集。另外,其组织状态为细小的奥氏 体,而且晶界不明显。控制锰、硫、氧元素的含量,连 铸时辅以电磁搅拌、提高二冷水的冷却效果,提高热 轧加热温度和增加轧后在线热处理等工艺有效地降 低了后续塑性加工的开裂率。

参考文献:

[1] 陆世英.不锈钢[M].北京:原子能出版社,1995:161- 164.

[2] 李洪生,高辉.钢中硫化锰的形态及对钢性能的影响 [J].一重技术,2004(4):26-28.

[3] 王哨兵.303Cu易切削不锈钢盘条生产实践[J].安徽 冶金,2018(3):37-40.

[4] 马宝国,冯倡敏.不锈钢线材 303Cu和 302HQ 的 生 产实践[J].宝钢技术,2006(6):32-35.

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 2期 (pp:49-52)>