冷轧冲压用节镍奥氏体不锈钢盆表面裂纹研究

    梁经威 许荣君 田伟光 徐佳林 张永林

    

    

    

    摘 要：本文采用扫描电子显微镜、直读光谱仪等对冷轧冲压用节镍奥氏体不锈钢盆进行微观组织形貌以及成分的分析。结果表明：基体碳含量偏高是导致不锈钢冲压开裂的根本原因，其主要与连铸阶段的冷却强度、拉速，热轧阶段的加热温度、加热时间等工艺有关。通过数据分析，确立了节镍不锈钢的最佳生产工艺：连铸拉速为1.0～1.2m/min，结晶器宽面冷却强度为2350L/min、结晶器窄面冷却强度370L/min，二冷Ⅱ区冷却强度为170L/min以内，加热炉加一段温度1100℃～1160℃、加二段温度1260℃～1280℃、均热段温度1265℃～1285℃，总时间≥200min。该措施实施后，节镍不锈钢因裂纹导致的脱皮缺陷降级率由14.8%降低至2.4%，为冷轧冲压用奥氏体不锈钢提供了品质的保障。

    关键词：冷轧冲压;奥氏体不锈钢;裂纹

    中图分类号：TG142.71

    Abstract：In this study，the microstructure，composition of austenitic stainless steel in cold rolling stamping were analyzed by scanning electron microscope and optical emission spectrometer.The results show that the high carbon content of the matrix is the root cause of the stamping cracking of stainless steel，which is mainly related to the cooling strength and pulling speed in the continuous casting stage，the heating temperature and heating time in the hot rolling stage.According to data analysis，the optimum production process of nickel-saving stainless steel was determined as：casting speed was 1.0 ～ 1.2 m/min，intensity of cooling for wide surface of crystallizer was 2350 L/min，the narrow surface was 370 L/min，intensity of secondary cooling zone II was 170L/min，first section of the heating furnace was 1100℃～1160℃，the second heating section was 1260℃～1280℃，the average heating section was 1265℃～1285℃，and the total heating time was no less than 200min.After the implementation of this measure，the degradation rate of peeling defects of nickel-saving stainless steel due to cracks was reduced from 14.8% to 1.5%，which provided quality assurance for austenitic stainless steel used for cold rolling and stamping.

    Key words：cold rolling stamping;austenitic stainless steel;crack

    随着建筑、五金制品、医疗器械等行业的不断发展，金属材料的需求量在稳步提升[1-3]。目前，应用最为广泛的金属材料仍以奥氏体不锈钢为主，但市场反馈表明：一些行业的不锈钢制品虽然仍需具备一定的耐蚀性和冷成形性，但已不再作为结构钢使用，如：食品、家居装饰等行业[4]。因此，在传统的304、316不锈钢不再满足多变的市场需求前提下，亟待寻找一种低成本、高性能的奥氏体不锈钢替代材料[5]。

    节镍不锈钢作为一种低铬、锰、镍的奥氏体不锈钢，其具有较好的耐蚀性、耐热性和低温强度，生产成本相对较低，但冶炼、成型的过程中伴随内部裂纹的产生，从而导致冷轧不锈钢性能恶化、品质降级。为此，在低合金含量下，越来越多的研究者将研究重点转向了如何改善生产工艺来降低不锈钢冷加工制品失效问题。

    不锈钢微裂纹往往与基体局部的应力集中有关，不同阶段呈现不同缺陷形式。目前，针对不锈钢裂纹产生的不同阶段已有相应的研究。连铸阶段，晶型的转变常伴随热量的改变与初生坯壳体积的变化。所以，1100℃～1450℃，初始坯壳在结晶器中上部形成时，因铸坯拉速、结晶器冷却强度、冷却均匀性的难控制，易出现晶型转变引起应力裂纹的现象[6]。在铸坯成型后，卢大平等[7]通过彻底处理06Cr17Ni5N奥氏体不锈钢铸坯表面氧化皮、表面不平的方法，有效的降低热轧阶段由微裂纹引起的二類脱皮缺陷的发生。热轧阶段，由于σ、γ相的高温塑性不同，连铸时遗留的孔洞更容易聚集、形成裂纹，这些裂纹在二次氧化后沿轧制方向呈线状、短粗箭头状脱皮[8]。为此，李志栋等[9]通过降低06Cr18Ni5Mn7Cu3N奥氏体不锈钢坯体的驻炉时间（由>210min减少到150—210min）、加热温度（由1200℃～1260℃降低到1200℃～1240℃时），有效抑制Cu相沿晶解析出，缺陷的发生率由7%降至0.5%。退洗阶段，氧化裂纹经压延覆盖的表皮被洗掉，形成较浅凹坑，酸洗不足时，坑边缘部位有锈成分残留[10]。在冷轧阶段，一旦超过局部所承受载荷极限，未暴露于表层的裂纹在内应力的作用下瞬间发生断裂，产生裂纹，并迅速蔓延至挤压应力状态处终止。

    本文将对节镍不锈钢冷轧冲压用奥氏体不锈钢盆的裂纹情况进行微观形貌、成分的分析，研究裂纹的形成机理，针对性提出相应的改善措施，对进一步优化生产工艺，降低冷轧冲压用不锈钢裂纹的产生，提高产品质量具有重要意义。

    1 实验材料与方法

    冷轧冲压用节镍奥氏体不锈钢按照AOD炉冶炼、LF炉精炼、连铸、热轧退洗、冷轧的工艺生产，其后在冷轧冲压成盆时出现裂纹。现取冲压后钢盆裂纹的法兰（上区）、盆壁（中区）、盆底（下区）三个区域，分别切割成0.46×25×30mm的薄片样品进行研究分析（见图1）。

    材料的微观形貌采用扫描电子显微镜（EVO18 SEM，蔡司，上海）进行分析，成分采用能谱仪（X-MAX EDS，牛津仪器，上海）、直读光谱仪（QSN750I，OBLF，上海）及红外碳硫分析仪（CS-3000）氧氮分析仪（TC-600，美资立可仪器有限公司，上海）进行分析。

    2 实验结果与分析

    2.1 截面形貌

    图2所示为三个区域的截面微观形貌。由图2可得，上、中、下三区的断口逐渐由粗糙变得光滑。其中，上区截面的外侧部分呈现台阶状解理性断口，属于脆性断裂，由此可以推断出：在冲压成型的过程中，上区内侧易率先开裂。对局部进行仔细观察后发现，截面还存在少量大型孔洞（20～40μm）与大量微型孔洞（<1μm）;中区的截面较光滑，截面依然遍布大量直径不一的孔洞，且由内侧到外侧孔洞的直径逐渐减小，该区的大型孔洞集中分布于内侧表层，具有连续性。下区截面与中区截面形貌类似，有所不同的是，该区的大型孔洞靠近截面外侧。

    2.2 成分分析

    對不锈钢盆裂纹的上、中、下三个区域进行成分分析，其结果如表1所示。对比钢盆中、下两区成分可知，上区的合金元素的铬镍当量（Creq/Nieq）较低，C、N含量较高，室温时该区域的塑性变形能力差，冷轧过程更容易因应力集中而开裂。

    图3为不同区域断裂截面微观结构及能谱结果。在裂纹上区位置（图3a和b），截面金属元素含量均正常，未发现大面积坑渣以及氧化物的存在。值得注意的是，局部区域C元素含量异常（见表2），具有沿盆内侧向外侧方向增大的趋势（位置1到位置3）。此外，沿着裂纹上区到中区方向的纵向截面上，C元素含量也逐渐增大，具体表现为：从位置1到位置4（盆内侧方向），C含量由0.11%增大到0.62%;从位置3到位置5（盆外侧方向），C含量由0.38%增大到0.86%。

    图3（d）、（f）所示分别为不锈钢盆中区、下区能谱面扫描结果。从图3中可以发现，截面大型孔洞的周围出现了C元素的富集现象，再次说明了C元素的富集与不锈钢的冷轧开裂现象具有相关性。

    3 改善措施及结果

    3.1 成分

    不锈钢基体碳含量偏高，形变时诱导马氏体大量产生，易引起局部硬度过高，不利于加工成型。为降低材料局部微裂纹、改善加工性能，现将碳含量由0.130%～0.180%调至0125%～0.150%，铜含量由0.34%～0.80%调至0.34%～0.38%，具体成分见表3。

    3.2 连铸冷却强度与拉速

    连铸拉速影响初坯内部微裂纹的产生，拉速越大，钢液在结晶器内易卷渣，相应结晶器水、二冷区冷却水强度增大，铸坯处于快冷模式，内部易出现后续导致裂纹萌生的缺陷，如疏松、多孔、三角区柱状晶、元素偏析等。为此，提出了针对节镍不锈钢采用慢拉速，相对快冷的连铸工艺，调整后二冷区域各段冷却强度如图4所示。尽量避免出现影响拉速、冷却强度的因素，并在后续生产过程中保持浇铸拉速在1.0～1.2m/min，结晶器水宽面控制在2350L/min、窄面370L/min，优化前后变化如表4所示。

    3.3 热轧加热炉温控制

    加热炉的温度与时间控制影响钢坯内部裂纹的转变。温度过低，加热时间过短，轧机将难以轧制，粗轧时微裂纹难以轧合，易出现边裂、头部分层等大型裂纹缺陷。温度过高，加热时间过长，易出现“烧钢”现象，严重影响材料的加工性能。为此，针对性提出控制节镍加一段温度1100℃～1160℃，加二段温度1260℃～1280℃，均热段温度1265℃～1285℃，总时间≥200min，改善前后变化如表5所示。

    3.4 改善结果

    根据以上分析结果，确定节镍不锈钢最佳生产工艺：碳含量：0.125～0.150%，铜含量：0.34～0.38%，拉速：1.0～12m/min，结晶器宽面2350L/min、窄面370L/min，二冷Ⅱ区170L/min以内，加一段温度1100℃～1160℃，加二段温度1260℃～1280℃，均热段温度1265℃～1285℃，总时间≥200min。采用改善后的工艺参数，节镍不锈钢因微裂纹引起的脱皮缺陷降级情况得到明显改善（见图5），从6月份148%的降级率降低到12月份的2.4%。

    4 结论

    （1）局部碳元素偏高是导致不锈钢盆冲压出现裂纹的根本原因。

    （2）确立了节镍不锈钢的最佳生产工艺：连铸拉速为10～1.2m/min，结晶器宽面冷却强度为2350L/min、结晶器宽面冷却强度为窄面370L/min，二冷Ⅱ区冷却强度为170L/min以内，加热炉加一段温度1100℃～1160℃、加二段温度1260℃～1280℃、均热段温度1265℃～1285℃，总时间≥200min。

    （3）以上措施实施后，节镍钢种应裂纹导致脱皮缺陷的降级例由14.8%降低至2.4%，为冷轧冲压用奥氏体不锈钢提供了品质的保障。

    参考文献：

    [1]岑永权.不锈钢的分类、开发和展望[J].浙江冶金，2018（2）：10-11.

    [2]任朋立.高品质不锈钢的应用现状[J].新材料产业，2014（7）：20-22.

    [3]杨柯，任伊宾.医用不锈钢的研究与发展[J].中国材料进展，2010（12）：1-10.

    [4]王元清，袁焕鑫，石永久，等.不锈钢结构的应用和研究现状[J].钢结构，2010，25（2）：1-12.

    [5]王耘涛，布茂东.低镍和无镍奥氏体不锈钢的研究现状及进展[J].金属热处理，2013，38（1）：15-20.

    [6]郄俊懋.304不锈钢高温力学性能及热物理性能研究[D].内蒙古科技大学，2014.

    [7]卢大平，祁文军，刘炳，等.06Cr17Ni5N奥氏体不锈钢热轧板表面脱皮原因[J].机械工程材料，2011（2）：89-91.

    [8]王昊杰.高温凝固相转变规律及其在板坯连铸中的应用[D].包头：内蒙古科技大学，2014.

    [9]李志栋，韦成贵，杜俊涛.06Cr18Ni5Mn7Cu3N奥氏体不锈钢带脱皮缺陷的成因分析及预防工艺措施[J].特殊钢，2014，35（2）：27-29.

    [10]荣凡，康喜范，郎宇平，等.含氮奥氏体不锈钢的敏化行为[J].钢铁，2005，40（5）：62-64.

    作者简介：梁经威（1989— ），男，本科，助理工程师，主要从事轧钢工艺研究。

    *通讯作者：许荣君（1993— ），男，硕士，助理工程师，主要从事不锈钢生产工艺研究。