304不銹鋼管表面裂紋原因分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用金相、掃描電鏡等分析了304不銹鋼管表面裂紋的形貌特征和產(chǎn)生原因，結果表明：表面裂紋是不銹鋼管表面在淬火介質(zhì)中冷卻不均勻而形成的淬火裂紋。采用等溫淬火或壓縮氣體淬火，可以降低淬火應力，能有效地減少表面裂紋的產(chǎn)生。304不銹鋼管規(guī)格為406ｍｍ×8ｍｍ，制造工藝為：原材料復驗→下料→旋壓收底→銑內(nèi)底→底部氣密→旋壓收口→力學性能測試→調(diào)質(zhì)處理→承壓和泄露檢測→入庫。在承壓檢測中部分氣瓶性能存在不合格，肉眼觀察發(fā)現(xiàn)在氣瓶外表面存在多條無規(guī)律分布的細小裂紋。為提高產(chǎn)品成材率，本文通過人工斷口形貌、顯微組織觀察、硬度測試及ＳＥＭ分析，分析討論了表面裂紋的產(chǎn)生原因，并結合生產(chǎn)工藝，提出了有效改進措施。

一、檢驗測試

  1. 宏觀形貌

  304不銹鋼管外表面有多條細小的裂紋，分布無規(guī)律。在裂紋部位取樣，沿裂紋方向壓開制成人工斷口，斷口顯示為新、舊兩個明顯區(qū)域，在舊斷口上顯示出回火色和不同程度的污染，經(jīng)超聲波清洗后，在舊斷口區(qū)（緊挨氣瓶外表面）顯示出較明顯的回火色，舊斷口非常平坦，顯示脆性斷裂形貌；而新斷口相對較粗糙，顯示韌性斷裂形貌。根據(jù)斷口形貌可以斷定開裂起源于氣瓶鋼外表面。

 2. 金相檢驗

  將缺陷試樣制備成金相拋光態(tài)試樣，在顯微鏡下檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋區(qū)及正常區(qū)有集中分布的非金屬夾雜物，按照《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》評定基體的非金屬夾雜物級別為試劑侵蝕，鏡下觀察結果顯示，試樣從304不銹鋼管內(nèi)表面到外表面皆為馬氏體的回火組織，整個瓶壁已完全淬透。裂紋呈鋸齒狀，尾部尖銳，為典型淬火裂紋特征，裂紋兩側無脫碳現(xiàn)象，說明裂紋未經(jīng)歷高溫氧化過程。

 3. 掃描電鏡分析

  將前述人工斷口試樣用超聲波清洗后，于掃描電鏡上觀察，如圖所示，舊斷口區(qū)全部呈沿晶斷裂特征，且存在較多微裂紋，驗證了金相檢驗中缺陷為淬火裂紋的結論。

 4. 化學成分分析

  對304不銹鋼管取樣進行化學成分分析，同時錄入了國際標準中通用的304不銹鋼規(guī)定的成分范圍。

 5. 硬度測定

  在壁厚的近外壁、中心部位、近內(nèi)壁分別選３個點進行硬度測試，測試結果顯示管壁的硬度均勻。有文獻介紹304不銹鋼管的淬火態(tài)硬度超過50HRC，而實際硬度值均在33HRC左右，說明氣瓶淬火后經(jīng)歷了中溫回火，具有良好的強韌性。

二、結果分析與討論

 1. 裂紋成因分析

 304不銹鋼管的化學成分滿足標準要求，未檢出與開裂相關的冶金缺陷和不良的組織。裂紋由外表面向徑向延伸，呈鋸齒狀，尾部尖銳，舊斷口上顯示沿晶脆斷特征，這些都是淬火裂紋的典型特征；裂紋兩側及尖端組織與基體組織沒有差異，皆為馬氏體回火組織，且兩側無脫碳現(xiàn)象，未經(jīng)歷高溫氧化過程，說明裂紋產(chǎn)生于淬火冷卻過程中。通過斷口觀察，顯示出新、舊斷口區(qū)域，在舊斷口顯示出回火色和污染物，經(jīng)超聲清洗后，斷口上顯示明顯的回火色。氣瓶一旦淬裂，敞露到表面的裂紋會受到滲入的淬火介質(zhì)的污染，并在回火過程中形成不同程度的回火色。至德鋼業(yè)提出了表示碳含量和合金元素成分對鋼淬火開裂傾向復合影響的關系，這里用碳當量來表示，值越大，開裂的敏感性就越高，越易開裂；計算該氣瓶鋼的碳當量最小值已大于0.52，屬于易于開裂的成分范圍。

 304不銹鋼管的組織皆為奧氏體的回火組織，說明氣瓶的壁厚已全被淬透。全淬透的鋼制品在水溶性介質(zhì)中冷卻時，厚度上存在一個淬火開裂的危險尺寸，尺寸小于最危險尺寸時，心部和表面溫差小，淬火應力小，不易開裂；尺寸大于這些數(shù)值時，淬火應力雖然增大，但拉應力峰遠離表面，淬裂傾向反而減小，只有這一范圍的尺寸，拉應力峰值在近表面，且數(shù)值也較大，對淬裂最敏感。該氣瓶的壁厚為8ｍｍ，在淬火開裂的危險尺寸（8～15ｍｍ）范圍內(nèi)。

  材質(zhì)和壁厚決定了304不銹鋼管具有較大的淬火開裂敏感性，淬火工藝稍有不當就會產(chǎn)生淬裂現(xiàn)象。軸向的淬火介質(zhì)流流經(jīng)水平放置的圓柱型瓶體，由于散熱不均勻，攪拌使底部散熱較快，上表面散熱較慢，淬火介質(zhì)攪拌不良就最會在上下表面之間形成較大的熱應力梯度，同時進入介質(zhì)時瓶體內(nèi)腔形成的壓力和介質(zhì)的浮力以及吊裝不鉛垂造成瓶體的漂浮，都會使瓶體各表面冷卻不均勻，產(chǎn)生較大的拉應力，當拉應力足夠大時就會在表面開裂，該應力狀態(tài)決定了裂紋尚未擴展到壁厚的一半就停止了，不能形成穿透性裂紋。

 2. 消除裂紋的措施

 淬火裂紋為熱處理裂紋，圓柱型瓶體在攪拌不良的水溶性淬火介質(zhì)中冷卻不均勻，使上表面與下表面之間形成較大熱應力梯度，要避免該淬火裂紋的產(chǎn)生，應改善淬火工藝，對此鉻、鉬合金鋼件應采用等溫淬火或壓縮空氣淬火，或在不改變淬火條件的情況下，改變瓶體進入淬火介質(zhì)的方式，將瓶體垂直放入淬火槽中，并保持瓶體同時均勻冷卻，消除產(chǎn)生熱處理裂紋的應力條件。

三、結論

  304不銹鋼管表面裂紋的產(chǎn)生是由于圓柱形不銹鋼管在淬火介質(zhì)中冷卻不均勻所致，在瓶體上下表面之間產(chǎn)生的較大的熱應力梯度，在304不銹鋼管外表面表現(xiàn)為拉應力，當應力足夠大，就會在瓶體表面開裂。隨著應力釋放，裂紋尚未擴展到壁厚的一半就停止了。304不銹鋼管采用調(diào)質(zhì)熱處理工藝，采用等溫淬火或壓縮空氣淬火的均勻淬火冷卻為控制思路，改善淬火工藝以達到減小淬火應力的作用。