(06Cr19Ni10)304不锈钢管冷轧表面线缺陷的形貌分析

 冷轧不锈钢管的表面常出现各种各样的缺陷，造成废品或产品的降级。表面缺陷的产生原因十分复杂。浙江至德钢业有限公司针对304不锈钢管冷轧薄板表面出现的线缺陷的形貌，分析其形成原因，并进行热模拟试验，研究其不同的一次结晶组织的变形特点。太原钢铁公司作为国内最大的不锈钢生产企业，在生产304不锈钢管时，出现一种表面线条状的缺陷，主要分布在距离两个侧面约200mm的范围内，而这种线条状的缺陷只有当冷轧板酸洗后才能观察到。受太原钢铁公司委托，北京科技大学对这种表面线缺陷的形态、分布和产生原因进行初步分析，从有缺陷的304不锈钢管上取样，利用光学显微镜和电子显微镜观察其形貌，利用能谱仪对局部成分进行了点分析和面分布的测量，并分析了出现这种缺陷的连铸坯的质量，从连铸坯上取样进行热模拟试验，探讨了这种线缺陷的产生机理。

一、试验方法与设备

 从存在表面线缺陷的304不锈钢管卷上裁剪小块钢板，用钼丝线切割的方法在存在线缺陷位置截取金相试样，进行微观形貌的观察。采用Laborlox 12 ME型光学显微镜和Cambridge S-250、S-360MKⅢ型扫描电镜对不锈钢板的表面进行微观观察，并用能谱仪对微区成分进行点分析和面分布的测量。为了进一步寻找这种线缺陷产生原因和其形成机理，在连铸板坯上截取试样进行表面质量检查和微观分析；并进行热轧模拟试验，采用Gleeble热模拟试验机进行高温压缩，观察不同位置截取的试样的热变形规律。

 采用火焰切割的方法从连铸板坯上截取坯料进行质量检查，将火焰切割的板坯经过机加工，粗磨后用热酸侵蚀显示其宏观组织，并制备金相试样进行微观组织观察。热模拟试样从连铸板坯上截取，试样尺寸Φ8 mm×15 mm，如图1所示，分别在距离窄边表面为50 mm和30 mm处，截取了G1~G7 7个试样，其中G1、G2、G5试样的轴向平行于连铸坯的柱状树枝晶一次臂方向，而G4、G7试样的轴向垂直于柱状树枝晶一次臂方向，而G3和G6处于从窄边和宽边生长的柱状树枝晶的交界处。根据太钢热轧工艺确定用6道次轧制进行试验，其中1~5道次模拟5道次粗轧，第6道次模拟精轧，各道次的试验参数如图2所示，每道次的变形量和变形速率是根据上面的热轧参数和轧辊尺寸确定的。

二、试验结果与分析

1. 线缺陷形貌观察结果

 试验发现，在出现表面质量的304不锈钢管上存在两种形态的缺陷，一种是线条状的缺陷，一种是斑点状缺陷。用肉眼观察这种线状缺陷，其形貌类似于划痕，但在不同角度其反光特征不同于划痕；在光学显微镜下观察，这种线条状缺陷处呈黑色，不同部位的深度、宽度有所不同，而且形貌也存在一定的差异；在扫描电镜下观察，这种表面线缺陷在微观尺度上是一种“沟槽”，这种“沟槽”的深度和宽度在不同部位有所不同，沟底沟边的形态也存在一定的差异。综合形貌观察结果，这种表面线缺陷存在以下几个特征。

  a. 宏观观察呈暗色，与一般划痕存在明显差别，一般划痕在宏观下观察呈银亮色。结果表明，这种线缺陷为短针状细线，其长度大部分为5~8 mm，个别长度达到120 mm。

  b. 从微观尺度上描述这种线缺陷应是一种“沟槽”，线缺陷“沟槽”比正常的轧制钢板表面低；在显微镜下观察这种线缺陷“沟槽”的底部和侧边的表面是粗糙不平的，其反射光线能力低，如图是同一部位的照片，可以看出沟槽与沟边不在一个平面上，在光学显微镜下并不能同时聚焦，说明这种线缺陷与正常的轧制面不在一个平面上，从垂直截面观测，这种沟槽的深度为5~25μm；而在显微镜下观察划痕的沟底和沟边比较平整，反光能力强，如图是出划痕位置的光学显微照片。

  c. 沟边存在铺展层，这种铺展层的晶粒细小，在线缺陷的尾部，这种铺展层的面积增加，在局部视场出现细小晶粒的铺展层覆盖整个线缺陷沟槽现象，分析推断这种细小晶粒的铺展层可能是最后一道轧制过程中形成的，由于轧制变形量比其他部位大，晶粒被细化。

  d. 线缺陷沟槽边的氧化夹杂的微区成分分析结果

 在线缺陷沟槽边存在夹杂物，主要为铁和铬的氧化物，这种氧化夹杂一般在线缺陷边缘的细晶铺展层下面。

 图是试样的SEM照片，在线缺陷沟槽边的夹杂物的微区成分如下。A点主要为铬的氧化物和少量夹杂物，f点主要是氧化铬和氧化铁，g点主要是含硅的夹杂物。根据线缺陷边缘的线扫描结果，可以看出在线缺陷沟槽的沟边存在氧化铬和氧化铁的夹杂。

 综上所述，可以得出冷轧304不锈钢管的线缺陷是一种微观“沟槽”，线缺陷“沟槽”比正常的轧制钢板表面低，其长度大部分为5~8 mm，个别线缺陷“沟槽”的长度达到120mm，其宽度为30~1000μm，深度5~20μm；这种线缺陷“沟槽”的底部和侧边的表面是粗糙不平的，其反射光线能力低，肉眼观察呈暗色；线缺陷沟边存在折叠层或铺展层，折叠层或铺展层的晶粒比正常位置的晶粒细小，在线缺陷的尾部，这种铺展层的面积增加，在局部视场出现细小晶粒的铺展层覆盖整个沟槽；在线缺陷沟槽边缘存在氧化膜，有的氧化膜呈多层台阶式结构，经过SEM能谱分析主要是氧化铬和氧化铁，另外还发现某些氧化膜的边缘存在含镁、钙、铝等元素；在线缺陷沟槽中的少数晶粒上存在严重的点蚀坑。

 2.  连铸板坯宏观组织观察结果图是窄边位置的连铸板坯的宏观组织照片

    从图可以看出：

    a. 该连铸板坯中的柱状晶十分发达，几乎整个横截面上全部为柱状晶；柱状晶生长方向平行于连铸板坯的散热方向，与结晶器内表面垂直；

    b. 沿宽边生长出的柱状晶和窄边生长出的柱状晶相互垂直，在板坯角部形成一个三角区，实测这个三角形的底长为180mm，高为90mm，为一等腰直角三角形，即从宽边和窄边结晶器生长的柱状晶的长度相等，说明在该连铸板坯凝固过程中，从宽边和窄边结晶器生长的柱状晶生长速度相等。

三、热模拟试验结果

  热模拟压缩试验后观察试样的表面质量，并采用游标卡尺测量高温压缩后的试样的厚度和直径，测量结果见表。从表中的数据来看，不同位置截取的试样的高温压缩变形程度稍有不同，从连铸坯表面截取的试样高温压缩变形少，从远离表面截取的试样的高温压缩变形量较大。图是经过高温压缩后试样的照片，可以看出在两个柱状晶交界处截取的G3在高温压缩变形中出现明显的边部裂纹，而从表面截取的试样经过高温压缩后其边部的表面质量较好。

四、冷轧304不锈钢管线缺陷的产生机理分析

从试验结果可以判断，冷轧304不锈钢管线缺陷的产生主要是由于热轧过程中两相轧制所致。据国内外相关资料可知，当奥氏体钢中铁素体含量达到20%时，其塑性明显下降，轧制过程中很容易产生开裂。由于太钢连铸板坯中柱状晶十分发达，而柱状晶生长过程中是以逐层凝固的方式，固液界面几乎呈平面方式向前推进，金属凝固不断地排出溶质元素，在凝固中铬和镍都是溶质元素，其含量高，在凝固过程中的偏析程度大，特别是铬的偏析。因为铬的偏析系数较大，偏析系数为正值，在开始结晶的固相中铬含量低，后凝固铬含量高，这样导致了连铸坯中铁素体分布不均匀，在柱状晶生长的界面上铬高，铁素体含量高，特别是连铸板坯窄边和宽边生长的柱状晶交界处铬的含量很高，导致热轧坯料中局部铁素体含量可能很高，超过20%，其局部塑性降低，在热轧过程中产生微裂纹。当这种微裂纹裸露轧制坯料的表面上，微裂纹的内表面将会发生氧化，生成氧化铬和氧化铁的氧化膜，而这种微裂纹中的氧化膜在热轧除鳞和酸洗过程中将不可能去除，因此在冷轧过程中这种被氧化的表面微裂纹进一步被延伸，形成较长的线缺陷。

五、结论

 冷轧304不锈钢管的线缺陷是一种微观“沟槽”，线缺陷“沟槽”比正常的轧制钢板表面低，这种线缺陷“沟槽”的底部和侧边的表面是粗糙不平的，其反射光线能力低，肉眼观察呈暗色；线缺陷沟边存在折叠层或铺展层，折叠层或铺展层的晶粒比正常位置的晶粒细小，在线缺陷的尾部，这种铺展层的面积增加，在局部视场出现细小晶粒的铺展层覆盖整个沟槽。

 在线缺陷沟槽边缘存在氧化膜，有的氧化膜呈多层台阶式结构，经过SEM能谱分析主要是氧化铬和氧化铁，另外还发现某些氧化膜的边缘存在含镁、钙、铝等元素。304不锈钢管连铸板坯中的柱状晶十分发达，几乎整个横截面上全部为柱状晶；沿宽边生长出的柱状晶和窄边生长出的柱状晶相互垂直，在板坯角部形成一个三角区。

 从表面截取的试样经过高温压缩后其边部的表面质量较好，不会出现裂纹，而从连铸坯三角区两个柱状晶交界处截取的试样在高温压缩变形中出现裂纹。冷轧304不锈钢管线缺陷的产生主要是由于连铸板坯中铬偏析造成局部铁素体含量过高，在两相区热轧变形产生局部微裂纹，裸露在坯料表面的微裂纹受到氧化，形成氧化膜，在热轧除鳞和酸洗过程中未去除，在冷轧过程中进一步被延伸发展成为线状缺陷。