304 棒材法蘭斷面開裂分析

楊 梟，吳東平

304（06Cr19Ni10）不銹鋼棒材是奧氏體不銹鋼，作為不銹鋼、耐熱鋼使用最廣，是食品設備，一般化學設備，原子能工業用材。不銹鋼棒材主要用于制作不銹鋼管件、不銹鋼法蘭、螺桿等產品，由于不銹鋼中添加了較多的合金元素Ni、Cr、N 等，從而擁有較優異的性能，加上客戶對產品質量的更高要求，因此要求熱軋不銹鋼棒材不僅要有良好的物理性能，而且對表面也有較高的質量要求。304 是我司產量最大的產品，產品表面質量和力學性能都在一直穩步向前，對法蘭客戶提出下料端面開裂，我司高度重視做了大量實驗和工藝調整，力求產品質量滿足客戶要求。

1 生產工藝流程

304 棒材生產工藝流程：鋼坯→加熱爐→粗軋機組→液壓剪→一中軋機組→1#飛剪→精軋機組→2#飛剪→編組臺架→熱鋸→冷床→精整修磨→精整打包→稱重入庫。

304 棒材生產工藝流程;熱軋棒材切分（15cm ～25cm 按法蘭大小）→加熱爐→一次鍛壓→二次鍛壓→沖壓成型→冷卻→入庫。

2 缺陷原因分析

2.1 宏觀開裂形貌

從裂口宏觀形貌來看，裂紋長度基本貫穿斷面直徑，裂紋延申垂直于客戶剪切方向，裂口兩側或者一側有比較明顯的韌斷河流花樣。

（1）法蘭下料橫斷刀切方向與裂紋方向垂直。由于剪切剪刃的作用導致端面直徑變小，橫向端面應力集中。

（2）方框區域為裂紋區域。裂紋長度基本貫穿整個棒材直徑。

（3）橫斷截面中心區域出現了明顯金屬剪切韌斷的河流花樣。出現韌斷的河流花樣說明棒材圓鋼的強度偏低，剪切時出現了微量的緊縮現象。

圖1 所示。

2.2 微觀金相組織分析

從金相組織來看，晶界處析出脆性相，脆性析出相的存在影響了不銹鋼的力學性能。

（1）圖a 為未開裂試樣。組織均勻，未發現明顯的晶界析出物。

（2）圖b 裂紋的延伸入機體深度較深，應力集中加上脆性析出物對晶界力學性能的影響導致裂紋向機體延伸較大。

（3）圖c 晶界處析出脆性相Cr23C6。脆性析出相的存在增加了橫向剪切應力釋放開裂的幾率。

圖2 所示。

2.3 PMA 電子探針分析

從EPMA 電子探針分析結果來看，晶界處析出脆性相Cr23C6。

（1）圖a 分別為40 倍、300 倍、500 倍的形貌分析。從形貌上看裂紋呈現斷續狀，深淺不一，裂紋端部呈現尖銳狀。

（2）圖b500 倍形貌下的光譜分析，譜圖1 和譜圖2 成分C、Cr、Ni、O 均異常，出現了C、Cr 化合物和Cr、Ni 氧化物，譜圖3為正常機體成分正常。

圖1 304 棒材法蘭下料端面開裂宏觀形態

圖2 304 棒材法蘭下料端面開裂金相組織

圖3 所示。

圖3 304 棒材法蘭下料端面開裂PMA 電子探針分析

2.4 夏比沖擊試驗

（1）沖擊試驗屬于極限破壞性實驗，實驗本身的化學成分、金相組織、晶粒度，以及是否含有夾雜、偏析、白點、裂紋都會有一定的體現，所以沖擊試驗得到廣泛應用。但是由于影響實驗的因素較多，也會使得沖擊實驗的結果離散性較大。

（2）加工式樣使用線切割，缺口的角度、深度精度、粗糙度無法保證，導致實驗數據會出現誤差。

（3）排除式樣本身因素影響，沖擊實驗的V 型缺口斷裂影響最大的是缺口角度、深度、粗糙度和V 型缺口根部半徑，之前式樣因制樣條件受限，未加工V 型缺口根部半徑，使得沖擊實驗擺錘擊打式樣時出現了V 型缺口根部應力集中。

3 改進措施

（1）煉鋼成分提高N、Mn 含量，提高棒材軋制成品強度，減緩碳化物敏化析出和二次相形成。

（2）積極改進方坯中心縮孔，減少中心裂紋源。保證方坯軋制后芯部組織致密性。

（3）熱軋棒材軋制提高加熱爐溫度，改進軋線水冷系統，使成品架成品迅速降溫，盡可能規避540 ～900 這一敏化區間。減少碳化物析出。同時在540℃以后盡量緩冷，減少軋制表面張力和芯部應力。

（4）溝通客戶加強對剪切機剪刃的管理，對于剪刃老化、夾具松動等問題及時更換。

（5）為消除加工式樣精度對實驗結果的影響，加入沖擊試驗剪切斷面分析率，對剪切斷面率異常的，再單獨進行斷面金相組織和夾雜物分析。現在我司就沖擊實驗著手積累數據，弱化沖擊實驗結果偶然性。

4 總結

綜上所述分析得出棒材法蘭下料端面開裂原因是：法蘭生產使用剪切機下料，使棒材橫截面有較大形變導致應力集中，所以使用的下料剪刃和剪切力需要調整到最佳，減少剪切應力；盡量減少下料端面棒材直徑方向形變，使機械對開裂的影響降到最低，因為304 不銹鋼棒材軋制過程中必然要通過540℃～900℃敏化溫度區，間晶界處一定會析出脆性相Cr23C6。那么抑制和減少脆性析出相的存在就能大大提高不銹鋼的力學性能，市場流通普通304N、Mn 含量，無法滿足法蘭下料成品強度，對減緩碳化物敏化析出和二次相形成難以保證產品服役條件,我司通過對N、Mn 含量的優化，提高了棒材產品的強度使其在剪切過程中端面變形量減少，減低應力集中。

表1 煉鋼鋼種及成分含量