303Cu不锈钢在拉拔及机加工时开裂原因

2022-03-02马正伟李贵波

理化检验(物理分册) 2022年2期

马正伟, 李贵波

(1.山东工业职业学院, 淄博 255000；2.青岛浦友精密金属有限公司, 青岛 266555)

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φ10 mm的303Cu不锈钢线材开卷后，拉拔成对边距约为8.7 mm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。

图1 试样加工过程示意及开裂宏观形貌

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。

表1 试样的化学成分 %

1.2 金相检验

制作标准金相试样，在Axio Imager Aim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。

图2 裂纹纵向形貌

图3 裂纹处微观形貌

图4 夹杂物显微组织形貌

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。

表2 裂纹周围能谱成分分析结果

图5 裂纹周围元素分布面扫描结果

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1 000 ℃，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1 180～1 300 ℃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。