S32750無縫鋼管冷軋開裂原因分析及控制*

聶　飛，梁祥祥，張曉文，李　陽，3

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003；3.先進不銹鋼材料國家重點實驗室，山西 太原 030003）

S32750無縫鋼管冷軋開裂原因分析及控制*

聶飛1，梁祥祥1，張曉文2，李陽2，3

（1.山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008；2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003；3.先進不銹鋼材料國家重點實驗室，山西 太原 030003）

通過工藝分析和理化檢驗，探討了S32750無縫鋼管冷軋開裂產(chǎn)生的具體原因，排除了冷軋工藝及夾雜物對開裂現(xiàn)象的影響，提出了金屬間相是造成開裂的主要原因。金屬間相是在熱擠壓過程中產(chǎn)生的，且在熱擠壓過程中無法避免，需通過后續(xù)的固溶工序消除。不同工藝的固溶試驗結(jié)果表明：S32750無縫鋼管熱處理最佳固溶溫度為1 100℃，保溫時間為（壁厚×2）min；此時，既可以保證析出相全部溶解，同時鋼管也可以順利冷軋，并具備優(yōu)異的組織性能。

無縫鋼管；雙相不銹鋼；S32750；冷軋開裂；金屬間相

S32750（022Cr25Ni7Mo4N）是一種典型的超級雙相不銹鋼，鋼中Cr、Mo、N含量高，兼具奧氏體不銹鋼的高強塑性和鐵素體不銹鋼的耐蝕性，PREN（耐點蝕當量）值通常在40以上［1-3］，具有良好的耐點蝕、縫隙腐蝕性能，同時具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，適用于海洋、石油化工、煉油、真空制鹽、煙氣脫硫等腐蝕環(huán)境較苛刻的領(lǐng)域。

無縫鋼管是S32750常見產(chǎn)品之一，由于其具有鐵素體與奧氏體的兩相組織，而兩相組織的滑移系不同，在冷、熱變形時兩相有不均勻的應(yīng)力和應(yīng)變分布，在變形過程中存在兩相組織的協(xié)調(diào)性問題；因此S32750無縫鋼管的冷、熱加工塑性與奧氏體不銹鋼鋼管相比有一些差距，容易產(chǎn)生表面裂紋。在通常情況下S32750無縫鋼管采用熱擠壓+冷軋工藝制造［4］。本文主要研究S32750無縫鋼管熱擠壓后冷軋開裂的原因，并提出具體的解決措施。

1　S32750無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程

S32750無縫鋼管最常用的規(guī)格為Φ60 mm×5 mm，結(jié)合成品尺寸規(guī)格，設(shè)計出全線的生產(chǎn)工藝流程：冶煉（電爐+AOD）→制坯（模鑄+徑鍛，坯料規(guī)格為Φ230 mm圓棒）→擠壓（規(guī)格為Φ89 mm×8 mm）→冷軋（規(guī)格為Φ60 mm×5 mm）→成品（檢驗評價）。結(jié)合GB/T 21833—2008《奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼無縫鋼管》標準要求，S32750無縫鋼管的主要化學(xué)成分見表1。

表1 S32750無縫鋼管的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）　%

2　S32750無縫鋼管冷軋開裂問題的提出

鋼錠熔煉、管坯鍛造至鋼管擠壓過程均無明顯問題，在后續(xù)鋼管的冷軋過程中開裂嚴重，無法軋制；管材整體裂紋源較多，均為橫向裂紋，裂紋深度達到1～2 mm，裂紋的長短不一，最長為10 mm左右。

3　S32750無縫鋼管冷軋開裂原因分析

從裂紋形貌觀察：裂紋是在冷軋過程中產(chǎn)生的橫向撕裂。無縫鋼管冷軋過程是減外徑、減壁厚的過程。通常外徑減縮率為20%～40%，壁厚減縮率為40%～60%。冷軋過程中管材的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，前滑區(qū)為三向壓應(yīng)力，而后滑區(qū)為兩向壓應(yīng)力、一向拉應(yīng)力的受力狀態(tài)［5］。拉應(yīng)力為軸向拉伸應(yīng)力，是管材軸向延伸的主應(yīng)力。可以判定，冷軋產(chǎn)生裂紋應(yīng)是軸向拉應(yīng)力將管材橫向撕裂的結(jié)果。

觀察S32750無縫鋼管冷軋開裂宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)裂紋呈現(xiàn)脆性斷裂特征，在外力作用下有較大的擴展傾向。通常造成脆性斷裂的原因是金屬內(nèi)部存在應(yīng)力集中，局部的拉應(yīng)力超過材料的臨界拉應(yīng)力產(chǎn)生裂紋或缺陷的擴展，導(dǎo)致發(fā)生斷裂。金屬材料在制備（冶煉、鑄造、鍛造、冷加工等）過程中會產(chǎn)生各種缺陷（氣孔、夾渣、熱裂等），缺陷處極易形成應(yīng)力集中導(dǎo)致材料斷裂［6-7］。

為了明確S32750無縫鋼管在冷軋過程中發(fā)生開裂的真實原因，首先從冷軋過程進行分析。

3.1冷軋工藝調(diào)整

通過采取減少軋制次數(shù)、減小送進量的措施，即軋制次數(shù)由最初的60次/min減少至30次/min，同時送進量由最初的4mm/次減小至2 mm/次，開裂現(xiàn)象并未消除。通過更換軋機，調(diào)整軋機同心度，并采用新的冷軋工模具等改進措施，開裂現(xiàn)象仍無法避免。通過調(diào)整冷軋變形規(guī)格，采取減小變形量的措施，將原工藝Φ89mm×8 mm冷軋至Φ60 mm×5 mm變更為Φ65 mm×7 mm，斷面收縮率由57.45%降低至 37.11%，軋裂現(xiàn)象依然存在。S32750無縫鋼管的冷軋變形工藝參數(shù)見表2。

表2　S32750無縫鋼管的冷軋變形工藝參數(shù)

盡管雙相不銹鋼變形抗力比奧氏體不銹鋼大，且需施加更大的外力使其變形，但其冷加工變形量是可以達到40%以上的［8］。S32750雙相不銹鋼基體是奧氏體與鐵素體的雙相組織，雙相組織以微細條帶層狀排列，且奧氏體的滑移系與鐵素體不同，在變形過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不協(xié)調(diào)，難以產(chǎn)生粗大的滑移，易產(chǎn)生裂紋源［9］。然而，由于Ni元素的大量加入，奧氏體的組織占比達到50%左右，同時鐵素體相是一個塑性較好的軟相，所以雙相不銹鋼進行常規(guī)的冷變形問題不大。而出現(xiàn)的軋裂現(xiàn)象表明，冷軋變形量不是開裂的主要原因。

通過宏觀的工藝參數(shù)調(diào)整，沒有明顯改進，需進行微觀性能分析查找開裂的根本原因。

3.2夾雜物分析

夾雜物是在冶煉過程產(chǎn)生的雜質(zhì)元素殘留，通常以不同形態(tài)存在于基體組織中。取樣進行夾雜物分析，A、C、D三類夾雜均為0級，僅B類夾雜物（氧化鋁）為0.5級。可見，鋼質(zhì)純凈度非常好，夾雜物不是產(chǎn)生裂紋的根本原因。3.3冷軋前金相組織分析

隨機選取冷軋前鋼管，制取Φ10 mm×10 mm的金相試樣，分析縱向截面的金相組織形貌，采用40%的NaOH溶液電解浸蝕，鐵素體會選擇性腐蝕，顏色變黑，而奧氏體的組織仍為白色。S32750開裂鋼管組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出：鐵素體與奧氏體呈條帶狀分布，為典型的雙相不銹鋼形態(tài)，如圖1（a）所示；在圖1（b）中，黑色的組織中有兩部分顏色，一部分為灰色，一部分為黑色。只有確定了不同的組織形態(tài)及特點，才能為S32750無縫鋼管的宏觀性能提供借鑒。

圖1　S32750開裂鋼管組織形貌

針對圖1（b）所示的不同的組織形態(tài)，進行了顯微硬度測定，如圖2所示。其中檢測位置A點表征奧氏體區(qū)域的硬度，顯微硬度值為270 HV；檢測位置B點為灰色區(qū)域的硬度，顯微硬度值為250 HV；檢測位置C點為黑色區(qū)域的硬度，顯微硬度值為550 HV。可以判定B點為鐵素體組織。為證明黑色區(qū)域C點的組織形態(tài)，對其進行了SEM分析，析出相能譜如圖3所示。結(jié)果表明，黑色區(qū)域為高合金的第二相，對于雙相不銹鋼，應(yīng)該是σ相、χ相、氮化物等析出相［10］。

圖2　冷軋前鋼管不同組織形態(tài)的顯微硬度測量

圖3　析出相能譜

雒設(shè)計［11］等人的研究結(jié)果表明，2205雙相不銹鋼中χ相和氮化物的數(shù)量相對于σ相少得多，析出相以σ相為主。對于S32750雙相不銹鋼，隨著合金元素的增加，σ相的析出傾向更加明顯。張壽祿［12］等人的研究驗證了χ相向σ相的轉(zhuǎn)變，劉和平［13］等人的研究同樣證明了χ相會在σ相形成前溶解。因此，對雙相不銹鋼變形行為的影響僅需考慮σ相即可。

σ相是Fe、Cr、Mo以一種金屬間化合物聚集在一起的穩(wěn)定態(tài)組織。胡進［14］的研究結(jié)果表明，S31803的析出相的Cr、Mo元素均高于基體，F(xiàn)e則低于基體。這與文中所做的SEM成分分析結(jié)果一致。析出相的化學(xué)成分見表3。雙相鋼在高溫?zé)峒庸ず头蹢l件下容易在鐵素體內(nèi)和晶界發(fā)生σ相變，σ相易在鐵素體和奧氏體兩相界面及晶界上均勻形核，且轉(zhuǎn)變過程中合金元素在兩相中分布不均勻，鐵素體富含Cr、Mo等元素，且這些合金元素在鐵素體中的擴散速率比在奧氏體中的擴散速率約高出100倍，故σ相在鐵素體相中更易析出。在雙相不銹鋼高溫?zé)峒庸み^程中，短時間的高溫時效停留能使σ相迅速析出，經(jīng)過幾分鐘便可大量形成，使雙相不銹鋼脆化，降低雙相不銹鋼的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，并且容易使加工性能惡化。

表3　析出相的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）　%

通過理化性能檢測可知：脆硬的σ相析出是造成冷軋開裂的主要原因。其產(chǎn)生的裂紋源多，使開裂呈現(xiàn)脆性特征。

3.4分析結(jié)果驗證

為了證明σ相析出是造成冷軋開裂的原因，將擠壓態(tài)的管材進行重新固溶處理，固溶的作用是將合金加熱到單相區(qū)，使析出相充分回溶，并快速冷卻得到過飽和固溶體的熱處理工藝。結(jié)合GB/T 21833—2008標準要求，S32750無縫鋼管的熱處理溫度在1 025～1 125℃。采用兩種不同的熱處理溫度進行試驗，圖4（a）、（b）所示分別為1 050℃和1 100℃，保溫16 min的金相組織形貌。試驗結(jié)果表明：兩種工藝重新固溶后析出相均全部溶解，圖4（a）所示的鐵素體含量檢測值為46.1%，圖4（b）所示的鐵素體含量檢測值為51.3%；因此，1 100℃的固溶效果比1 050℃好。為驗證保溫時間對雙相比例及析出相的影響，圖4（c）所示為1 100℃，保溫40 min的金相組織形貌，鐵素體含量檢測結(jié)果為54.5%。由此可見，S32750雙相不銹鋼的固溶處理可以有效消除析出的σ相，并能重新調(diào)整鐵素體和奧氏體兩相比例，最佳的固溶工藝為1 100℃，保溫16 min。

圖4　擠壓態(tài)S32750管材重新固溶金相形貌

重新固溶后再次進行冷軋，冷軋工藝的變形為Φ89 mm×8 mm→Φ60 mm×5 mm，軋制次數(shù)為60次/min，送進量為4 mm/次，軋制過程順利，驗證了析出相對軋裂的直接影響。S32750無縫鋼管冷軋態(tài)、退火酸洗態(tài)形貌如圖5所示。

圖5　S32750無縫鋼管冷軋態(tài)和退火酸洗態(tài)形貌

4　析出相產(chǎn)生過程討論

σ相析出區(qū)間為600～1 000℃，隨合金元素增加，向高溫方向移動［15-16］。因此，析出相產(chǎn)生是在高溫過程中，而非常溫過程下。在影響σ相析出的因素中，溫度和時間是影響析出相含量的主要因素；在熱加工過程中，除了縮短熱加工時間外，不同的熱加工溫度也對σ相的析出有較大影響。

針對鋼管中存在的σ相，來源有兩個：一個是原料帶來，一個是在熱擠壓過程中產(chǎn)生。對原料的分析表明，原料的析出相較少。可見鋼管中存在σ相主要是在熱擠壓過程中產(chǎn)生的。

擠壓的高溫過程為預(yù)熱、感應(yīng)加熱、擴孔和擠壓4個過程。

預(yù)熱設(shè)備為環(huán)形加熱爐，環(huán)形爐的加熱溫度通常為800～850℃，預(yù)熱區(qū)間恰在析出相析出區(qū)間，且停留時間較長，完全滿足σ相析出所需要的熱力學(xué)和動力學(xué)條件；因此，預(yù)熱過程必然造成析出相出現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)中，燃氣預(yù)熱一方面成本較低，一方面溫度均勻，燃氣預(yù)熱過程無法避免。

預(yù)熱后一次感應(yīng)加熱溫度為1 000～1 150℃，在此區(qū)間加熱，析出物開始溶解，然而溶解需要較長的時間。從熱力學(xué)角度講，析出物是平衡態(tài)，而過飽和態(tài)為非穩(wěn)定態(tài)，也就是析出容易溶解難。同時，感應(yīng)加熱生產(chǎn)過程無法保證長時間保溫，因此在環(huán)形爐形成的σ相無法充分溶解。

一次感應(yīng)加熱后送至擴孔機擴孔，擴孔是保證鋼管尺寸的關(guān)鍵工序。擴孔的內(nèi)徑比成品鋼管內(nèi)徑大8～10 mm。擴孔過程時間短，過程存在一定的溫升，該過程不會造成σ相產(chǎn)生。

擴孔后送至二次感應(yīng)加熱，目標溫度依然為1 100～1 200℃，感應(yīng)加熱后送至擠壓機擠壓，二次感應(yīng)加熱溫度遠高于σ相形成溫度，也不會造成σ相產(chǎn)生。

擠壓是大變形量的壓力加工工序，擠壓過程如圖6所示。

圖6　擠壓過程示意

擠壓無法將管坯全部擠出，需熱鋸切割后分離。此過程的時間一般在1 min左右。在此過程中，鋼管外表面及頭部的溫降即會達到析出區(qū)間，產(chǎn)生析出相。即使立即入水，也無法避免析出相產(chǎn)生。

綜合考慮，環(huán)形爐加熱和擠壓后較長時間的冷卻應(yīng)是造成析出相產(chǎn)生的直接原因，必須進行有效的析出相清除，才能順利進行冷軋。

5　S32750無縫鋼管冷軋開裂改進措施

5.1工藝流程優(yōu)化

擠壓完成后，增加固溶熱處理工序，對擠壓管材進行重新熱處理，固溶溫度為1 100℃，保溫時間為（壁厚×2）min，固溶入水要求在30 s內(nèi)完成，保證入水前鋼管溫度在1 000℃以上。

5.2工藝參數(shù)調(diào)整

考慮到常規(guī)的預(yù)熱溫度在800～850℃，為避開析出區(qū)間，將預(yù)熱溫度由原先的800℃降低至600℃，確保預(yù)熱過程避開析出相最敏感的區(qū)間，避免造成更多的析出相產(chǎn)生。

擠壓完成后立即入水，入水速度快慢關(guān)系著析出相含量的多少，通常頭部的析出相明顯多于尾部。根據(jù)規(guī)格的不同，熱鋸的時間會有30～50 s的偏差，要求熱鋸切后立即入水冷卻，盡量避免過多的析出相產(chǎn)生。

針對雙相不銹鋼韌性比奧氏體不銹鋼差的特性，要求冷軋過程降低軋制速度至奧氏體不銹鋼的80%，送進量減小至奧氏體不銹鋼的50%。一方面可以保證軋制精度的穩(wěn)定性，另一方面可以避免軋機負荷過大造成設(shè)備損傷。

6　S32750無縫鋼管改進后的實物質(zhì)量

通過調(diào)整擠壓工藝參數(shù)及改進部分工藝要點的操作技能，并選擇合理的冷加工及熱處理工藝，生產(chǎn)出的S32750無縫鋼管的各項性能指標均達到標準要求。S32750無縫鋼管的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4，Φ60mm×5mm S32750無縫鋼管的成品尺寸見表5。

表4　S32750無縫鋼管的力學(xué)性能檢測結(jié)果

表5　Φ60mm×5mm S32750無縫鋼管的成品尺寸mm

經(jīng)無損探傷可知：成品鋼管表面光潔，無肉眼可見缺陷，超聲波探傷對比深度為壁厚的5%，一次檢驗合格率達到95%以上。

7　結(jié)　論

S32750雙相不銹鋼無縫鋼管的組織穩(wěn)定性較差，在生產(chǎn)過程中具有較大的金屬間相形成傾向，在σ相析出區(qū)間，幾分鐘內(nèi)便會出現(xiàn)大量的析出相。析出相的成分及性能與基體區(qū)別較大，硬度是基體組織的2倍以上，變形過程中會造成局部應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋。同時，由于兩相組織的晶體結(jié)構(gòu)不同、滑移系不同、協(xié)同變形能力較差，變形中會加劇裂紋的產(chǎn)生及擴展。因此，雙相不銹鋼無縫鋼管的析出相控制應(yīng)該是該鋼種生產(chǎn)中必須注意的事項和關(guān)鍵控制點，關(guān)系著產(chǎn)品的合格率與廢品率。因此，S32750無縫鋼管的生產(chǎn)必須保證鋼管的組織穩(wěn)定性，才能在工業(yè)生產(chǎn)中保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。

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Investigation of Causes for Cracking of S32750 Seam less Stee l Tube during Co ld-rolling Process and Relevant ControlMeasures

NIE Fei1，LIANG Xiangxiang1，ZHANG Xiaowen2，LIYang2，3
（1.Shanxi Taigang Stainless Steel Pipe Co.，Ltd.，Taiyuan 030008，China；2.Shanxi Taigang Stainless Steel Co.，Ltd.，Taiyuan 030003，China；3.State Key Laboratory of Advanced Stainless Steel Materials，Taiyuan 030003，China）

Investigated are the specific causes for cracking of the S32750 seam less steel tube during cold-rolling process by means of relevant process analysis and physiochemical tests.Accordingly，it is concluded that the coldrolling process itself and the inclusions produce no influences on the cracking，whereas the intermetallic phase plays amajor role in developing the cracking.The intermetallic phase is formed during the hot-extrusion process，and it is by nomeans avoided，and can only be eliminated by the subsequent solid solution process.The results from the solid solution tests of different processes demonstrate that the best solid solution temperature for the S32750 seam less steel tube is 1 100℃，and the holding time is（W.T.×2）min.In this case，it is ensured that the precipitated phases are completely dissolved，while the tube can be cold-rolled smoothly，and finally possesses excellentmicro structure.

seam less steel tube；dual phase stainless steel；S32750；cracking during cold-rolling process；intermetallic phase

TG335.71##

B#

1001-2311（2016）03-0019-06

*太原市科技支撐項目（1201011）

聶飛（1984-），男，碩士，工程師，主要從事不銹鋼無縫鋼管的工藝研究及品種開發(fā)工作。

（2015-12-03）