某E355鋼冷拔油缸管點狀缺陷分析

王 樺,趙健明

(衡陽華菱鋼管有限公司,衡陽421001)

E355鋼因具有良好的力學性能、低溫性能和焊接性能,被廣泛用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等領域。某批次E355 鋼冷拔油缸管是按照EN 10297-1《機械和一般工程用無縫鋼管。交貨技術條件 第2 部分 非合金和合金鋼管》生產的,其生產工藝為:管坯→加熱→斜軋穿孔→二次穿孔延伸→定徑→矯直→酸洗→磷化＋皂化→冷拔→內外表面切削加工,生產完成后,檢查人員發現冷拔油缸管內表面存在較密集的點狀缺陷。為查明冷拔油缸管出現點狀缺陷的原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

圖1 冷拔油缸管內表面宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of inner surface of cold drawing cylinder tube

宏觀觀察發現,冷拔油缸管內表面存在呈無規律散點狀分布的黑色點狀缺陷,缺陷有拉長的趨勢。

1.2 化學成分分析

分別在本批次和前批次E355 鋼上取樣,采用QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀進行化學成分分析。由表1可見,和前批次E355鋼的化學成分相比,本批次E355鋼的化學成分中只有硫含量有較大差異,其它元素含量相差不大。

表1 不同批次E355鋼的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of different batches of E355 steel（mass fraction） %

1.3 非金屬夾雜物分析

在冷拔油缸管點狀缺陷密集區域取樣,按照GB/T 10561－2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》,采用Axio Imager M1m 型光學顯微鏡進行非金屬夾雜物分析,結果如表2所示。可見A 類非金屬夾雜物(硫化物類)評級結果不符合企業技術文件的技術要求。

表2 冷拔油缸管非金屬夾雜物評級結果Tab.2 Rating results of non-metallic inclusions in cold drawing cylinder tube

1.4 金相檢驗

分別在冷拔油缸管點狀缺陷密集區域沿管體縱向和橫向取樣,試樣經打磨、拋光,采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后,采用Axio Imager M1m 型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可見,橫向和縱向試樣中缺陷為空洞狀腐蝕坑,腐蝕坑靠冷拔油缸管內表面部位(箭頭處)呈現出撕開變形的特征,這推測是切削加工導致;缺陷附近無金屬異常流變痕跡。

圖2 冷拔油缸管內表面縱向和橫向試樣的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of longitudinal and transverse specimens on the inner surface of cold drawing cylinder tube

1.5 掃描電鏡和能譜分析

在冷拔油缸管點狀缺陷密集區域取樣,采用JSM-6490LA 型掃描電鏡(SEM)進行形貌觀察。由圖3可見,缺陷為類似蟲繭狀的坑,該坑沿管徑縱向拉長,坑底分布著白色和黑色疏松物。

圖3 冷拔油缸管內表面缺陷處的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of defects on inner surface of cold drawing cylinder tube

分別在冷拔油缸管缺陷的白色和黑色疏松物處取樣,采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)進行微區成分分析,分析位置和分析結果分別如圖4和表3 所示。可見白色疏松物中主要元素為碳、氧、鈉、磷、鋅和鐵,推測應為冷拔加工前浸涂的潤滑劑(磷化液和皂化液)殘留物;黑色疏松物中主要元素為氧、硫、錳和鐵,推測應為非金屬夾雜物[1]。

圖4 冷拔油缸管缺陷處疏松物能譜分析取樣位置Fig.4 Sampling position of energy spectrum analysis of loose matter in defect of cold drawing oil cylinder tube

表3 冷拔油缸管缺陷處疏松物能譜分析結果Tab.3 Energy spectrum analysis results of loose matter in defect of cold drawing cylinder tube %

在冷拔油缸管的長條形A 類非金屬夾雜物部位取樣,采用掃描電鏡附帶的能譜儀進行微區成分分析,分析位置和分析結果如圖5所示。可見A 類非金屬夾雜物的主要元素為硫、錳和鐵,推測應為MnS[1]。

圖5 A類非金屬夾雜物的能譜分析位置和分析結果Fig.5 a）Position and b）results of energy spectrum analysis of A-type non-metallic inclusions

2 分析與討論

2.1 硫含量及非金屬夾雜物含量的影響

由非金屬夾雜物分析結果可知,該批次E355鋼中A 類非金屬夾雜物等級粗系達到2.5,不符合企業技術文件中A 類夾雜物等級粗系不大于2.0的要求。查驗E355鋼的生產檢驗記錄發現,其A 類夾雜物等級控制在0～1.0。由化學成分分析結果可見兩批次E355鋼的化學成分只有硫含量存在較大差異。硫在鋼中會與錳和鐵形成硫化錳夾雜物,該夾雜物會中斷基體金屬的連續性,在切削時促使斷屑形成小而短的卷曲狀,使斷屑更易排除,從而降低加工表面粗糙度,減少刀具磨損,提高刀具使用壽命。為確保切削質量,企業技術文件對本批次E355鋼中冷拔油缸管硫的質量分數要求為0.018%～0.026%。而前批次E355鋼中硫的質量分數均小于0.010%,這說明硫含量對A 類夾雜物(硫化物)影響較大,隨著硫含量的增加,A 類非金屬夾雜物的含量呈上升趨勢[1]。

2.2 冷拔油缸管內表面缺陷原因分析

由宏觀觀察結果可知,冷拔油缸管內表面存在呈散點狀分布的點狀缺陷。由化學成分分析結果可知,本批次與前批次E355 鋼中硫含量差異較大。由金相檢驗結果可知,冷拔油缸管存在超標的A 類非金屬夾雜物,評級結果達到2.5級。由掃描電鏡和能譜分析結果可知,點狀缺陷內含磷化液、皂化液以及非金屬夾雜物。

綜上可知,導致本批次E355 鋼冷拔油缸管內表面缺陷的主要原因有:

(1)本批次E355鋼中含硫非金屬夾雜物含量較高。鋼中夾雜物含量對鋼的性能影響極大,含硫非金屬夾雜物是鋼中點狀缺陷的主要誘發源[1]。含硫非金屬夾雜物和少量未凝固的鋼液凝固時不能全部充滿枝晶間造成疏松,進而形成點狀缺陷[2-3]。鋼材冶煉時含硫合金加入順序不同造成鋼中含硫非金屬夾雜物種類和數量有明顯區別[4],如果精煉和脫氧等冶煉工藝控制不好,也會形成大型含硫非金屬夾雜物,因而冶煉工藝控制不當易造成E355鋼中含硫非金屬夾雜物含量差異較大,產生點狀缺陷。

(2)在進行鋼管冷拔加工前,需用HCl在加溫下酸洗。本批次冷拔油缸管存在粗系等級為2.5的A 類非金屬夾雜物,在酸洗過程中,強酸浸泡后冷拔油缸管表面會形成鈍化膜,鈍化膜的連續性和完整性因A 類非金屬夾雜物在鋼管表面露出而被破壞,鋼管基體與A 類非金屬夾雜物交界處的鈍化膜失去保護作用,使A 類非金屬夾雜物周圍的鋼管基體發生腐蝕后析出鐵離子,夾雜物周圍出現空洞。由于A 類非金屬夾雜物MnS極易溶解于含Cl－的水中(MnS易降低鋼的耐蝕性,特別是降低鋼的耐點蝕和耐縫隙腐蝕性能[5]),因而MnS等A 類非金屬夾雜物仍在空洞中保留下來。此外,鋼管基體與A類非金屬夾雜物交界處原子排列混亂,因而該處極易誘發點蝕并處于持續腐蝕狀態。如果酸洗過程因操作不當存在酸洗時間過長或酸洗溫度過高導致過酸洗情況,A 類非金屬夾雜物周圍的鋼管基體就會在酸液的長時間浸蝕下,四周空洞不斷擴展;而溫度過高會進一步觸發和加速點蝕,進而形成局部點蝕坑。鋼管經酸洗后再進行磷化和皂化處理,于是含有碳、氧、鈉、磷、硫、鋅的磷化液和皂化液會滲入空洞并殘留下來。在冷拔時,空洞被縱向拉長,最終冷拔油缸管內表面形成點狀缺陷。

3 結論及建議

E355鋼冶煉工藝控制不當造成硫含量偏高,從而形成較多含硫A 類非金屬夾雜物,破壞了冷拔油缸管表面鈍化膜,在A 類非金屬夾雜物四周形成空洞,而酸洗過程操作不當造成過酸洗形成了點蝕,最終導致冷拔油缸管內表面形成點狀缺陷。

建議恢復原來的硫含量控制范圍,同時盡量將硫均勻分布,避免MnS等A 類非金屬夾雜物聚集和長大;調整含硫合金的加入順序,降低爐外精煉負荷,改進脫氧工藝,嚴格控制卷渣和促進連鑄過程夾雜物上浮[4];控制酸洗時間和溫度,避免酸洗時間過長或溫度過高導致過腐蝕的發生。