奥氏体不锈钢ER307Ti连铸坯轧制缺陷研究_艾进.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2022.4059前言ER307Ti（H10Cr19Ni9Mn7Ti）是在ER307基础上添加Ti来改善晶间腐蚀性能的一种焊线用奥氏体不锈钢，主要用于焊接有耐热、耐腐蚀要求的不锈钢和铁镍基合金，在国内外具有较大的市场空间1,2。目前该钢种的生产普遍采用：配料电炉粗炼（EAF）氩氧精炼炉（AOD炉）精炼钢包精炼炉（LF 炉）精炼模铸钢锭修磨热轧酸洗工艺进行生产3。因ER307Ti 盘条含有Ti元素，容易形成带有尖角的TiN夹杂，在轧制过程中易出现角裂，掉块等缺陷。江苏申源集团有限公司在针对本钢种生产的初期，采用连铸坯轧制盘条的工艺生产，出现了线材表面翘皮、折叠等缺陷，并伴有严重的轧制堆钢现象。申源集团技术中心牵头组织攻关，重新修改和完善该钢种的冶炼和轧制工艺，解决了轧制过程中85.6mm圆棒开裂问题，保证了ER307Ti钢种盘条质量，满足了俄罗斯客户的订单需求。1生产概况冶炼（EAF-AOD-LF）连铸坯6m装炉（推钢式）加热出钢粗轧机6架（第4架开始咬入，第6架尺寸为108134mm）一中轧4架次（第奥氏体不锈钢ER307Ti连铸坯轧制缺陷研究艾进薛卫兵涂玉国（江苏申源集团有限公司，江苏 兴化225722）摘要：ER307Ti是一种奥氏体不锈钢焊接线材，用于焊接具有耐热、耐蚀要求含钛不锈钢或异种钢焊接，其焊缝金属通过添加钛来固碳，防止晶间析出碳化铬，提高了焊缝的抗晶间腐蚀能力，具有良好的力学性能。但Ti元素的加入会形成TiN夹杂，在轧制变形应力的作用下易导致裂纹、掉块等缺陷。本文通过宏观和金相缺陷分析以及理论计算等手段研究缺陷产生的原因并提出解决方案，取得了良好的效果。关键词：ER307Ti不锈钢；轧制缺陷；TiN夹杂；裂纹中图分类号：TF777.3文献标识码：B文章编号：1674-0971（2022）-004-04Research on rolling defects of austenitic stainless steelER307Ti continuous casting billetAi Jin，Xue Weibing，Tu Yuguo（Jiangsu Shenyuan Group Co.,Ltd.,Xing Hua 225722,Jiangsu,China）Abstract:ER307Ti is an austenitic stainless steel welding wire,which is used for welding titanium-containingstainless steel or dissimilar steel with heat and corrosion resistance requirements.The anti-intergranular corrosionability of the weld has good mechanical properties.However,the addition of Ti element will form TiN inclusions,which can easily lead to rolling defects such as cracks and block drop under the action of rolling deformation stress.This paper studies the causes of defects and proposes solutions by means of macroscopic and metallographic defectanalysis and theoretical calculation,and has achieved good results.Keywords:ER307Ti stainless steel,rolling defects,TiN inclusions,crack收件日期：2022-06-11作者简介：艾进（1986-），男，硕士研究生，工程师，现供职于江苏申源集团有限公司技术中心，从事不锈钢、耐热钢产品生产及研发工作。特钢技术Special steel Technology第28卷 总第113期2022年第4期Vol.28（113）2022.No.410架出85.6mm圆棒）1#飞剪切头二中轧8架次（第18架出32mm圆棒）2#飞剪切头预精轧6架次（第24架出16.4mm圆棒）3#飞剪切头精 轧 机 10 道 次（K1 出 5.5mm 成 品 盘 条）。ER307Ti在加热炉中的均热段温度11801200，加热段温度1120-1150，总轧制34道次，轧制在第10道次就已经出现开裂。材料的化学成分实测值见表1。2缺陷分析2.1宏观分析图1为中轧结束（第10道次）后85.6mm圆棒表面宏观缺陷形貌，表面可见树皮状裂纹、龟裂状裂纹、轴向裂纹、金属块掉落等现象，裂纹内及金属块掉落表面充有较厚的褐色高温氧化物。结合相关文献3，4以及缺陷形态推断，85.6mm圆棒存在开裂可能与坯料的表面质量以及坯料在加热炉中的加热工艺有关。2.2微观分析2.2.1材料纯净度分析图2为材料中的TiN夹杂物，呈密集分布，按GB/T10561-2005标准，ISO标准评级图，试样中的夹 杂 物 类 比 评 级 可 评 DTiN3 级（超 过 GB/T10561-2005和ISO标准评级图范围）。TiN夹杂物边角锐利，质地硬且脆属脆性夹杂物，容易应力集中而形成微裂纹。TiN夹杂物的严重超标系冶炼时与钢液中气体含量有关，也与加Ti方法与过程的把控有关；TiN夹杂的增多产生的效应即达不到原本加Ti细化晶粒和提高材料高温持久蠕变的性能要求，又提高了轧制时变形抗力，并导致轧制时TiN夹杂的应力集中产生微裂纹。2.2.1 材料金相分析从缺陷的横截面金相图片（图3）可以看出，材料的组织为基体+极少量点状碳化物，缺陷呈现为TiN夹杂脱落孔洞、晶界孔洞和晶界裂纹。材料的表面局部存在奥氏体二颗晶粒和三颗晶粒的孔洞，换言之孔洞在奥氏体晶界上形核、长大并相互连接形成晶界裂纹。孔洞的形核与材料中存在大量TiN夹杂有关，处在奥氏体晶界上TiN夹杂受轧制变形应力的作用，TiN夹杂其质地硬脆边角锐利，易应力集中，在TiN与基体二相界面上形成晶界微裂纹，微裂纹的相互连接造成一定线度范围内的晶界裂纹。而裂纹的扩展割裂了基体，部分裂纹相互连接呈封闭曲面时造成金属脱落；使得边部材料变形不匀并改变了轧制应力的分布。当大规格棒材出现的质量问题带到小规格线材轧制时，形成线材表面折叠、翘皮等缺陷。同样在线材表面会出现裂纹扩展连接呈封闭曲面所造成的掉落金属块或金属屑遗留在了轧制孔槽内，并且掉落数量较大，当碎金属块累积到一定数量时，便出现了轧制部位堵钢卡机现象。第28卷第4期艾进 薛卫兵 涂玉国：奥氏体不锈钢ER307Ti连铸坯轧制缺陷研究表1 ER307Ti钢化学成分实测值(wt%)Table 1 Measured value of chemical composition ofER307Ti steel(wt%)炉号20-0674C20-0675C钢种ER307TiER307TiC0.0590.055Si0.680.63Mn5.315.39S0.0030.003P0.020.02Cr19.1018.96Ni8.248.14Al0.0180.019Ti0.690.67Mo0.0260.026Cu0.0260.030N0.0200.019图1 85.6mm圆棒缺陷形貌Fig.1 Defect morphology of 85.6mm round bar(a)圆棒表面金属块状掉落(b)圆棒表面金属块状掉落(c)圆棒表面轴向裂纹(d)酸蚀低倍纵截面缺陷形态(e)酸蚀低倍横截面缺陷形态图2 材料中的TiN夹杂物Fig.2 TiN inclusions in the material（a）基体组织(b)网状孔洞及高温铁素体(c)晶界孔洞及晶界裂纹图3 缺陷件横截面金相Fig.3 Transverse metallographic structure of defective parts 353过热温度讨论3.1 平衡态铁素体量的计算分别计算材料中的Creq=20.05%；Nieq=12.57%；根据Shaeffler组织图得出材料在平衡态时铁素体量约为10%。3.2Fe-Cr-Ni在含Ni8%时的相图分析根据Fe-Cr-Ni在含Ni8%时的相图（图4）可以看出:1）当加热约1170以下时，应为单相奥氏体，形变抗力小，材料容易变形不宜出现裂纹。2）当加热约11701340时，材料进入奥氏体+铁素体二相区，随着温度的升高，铁素体含量也不断增加，材料变形抗力也同步增加，材料在轧制过程中容易产生裂纹。3）根据实测的金相组织，试样中基体的铁素体量（图3（a）约40%50%，远大于平衡态的10%；可得出当温度1340时，材料进入单相区，可得到100%铁素体；估算本次材料的受热温度约在1260左右，温度偏高。4工艺优化措施及效果综上所述，造成ER307Ti材料开裂并堵钢的原因是为材料中存在大量的TiN夹杂，受轧制变形应力的作用，材料边部处在奥氏体晶界的夹杂应力集中形成微裂纹，微裂纹连接形成可视范围内晶界裂纹；且大量铁素体和TiN夹杂的存在，增加了材料的变形抗力。据此提出以下措施：1）材料冶炼时加强气体元素脱排，控制N元素的含量，尽可能减少氮化钛夹杂的形成数量。2）加强连铸坯表面检查精整工序，对坯料表面的宏观缺陷加以修磨并清理。3）降低坯料加热温度，过高的坯料加热温度不仅会出现材料表面的合金烧损，还会进入二相区增加铁素体数量，随之带来轧制变形抗力的增加，导致材料开裂。通过上述优化方案，申源公司重新组织试验生产，对冶炼时ER307Ti材料的化学成分进行优化控制（表2），对冶炼过程加强N含量的控制，并重新制定坯料加热工艺（表3），解决了ER307Ti线材表面翘皮、折叠缺陷问题，生产出了合格的ER307Ti盘条（图5），并最终以酸白状态（图6）供应客户。第28卷第4期特钢技术图4 Fe-Cr-Ni 系含Ni 8%的状态图Fig.4 State diagram of Fe-Cr-Ni system with Ni 8%表2 ER307Ti钢化学成分控制(wt%)Table 2 Chemical composition control of ER307Ti steel(wt%)表3 ER307Ti连铸坯轧制加热工艺参数Table 3 Technological parameters of rolling heating for ER307Ti continuous casting billet图5 ER307Ti 5.5mm热轧盘条（黑皮态）Fig.5 ER307Ti 5.5mm hot-rolled wire rod(black surface)材料牌号ER307Ti类型客户标准内控C0.100.0400.070Si0.501.000.550.80Mn5.108.006.007.00S0.0150.010P0.0300.028Cr18.6022.0018.6518.95Ni8.1010.008.108.50Ti0.620.900.640.72Cu0.250.20N-0.013材料牌号ER307Ti轧制形态盘圆预热段温度/550加热I段温度/570750加热II段温度/750870加热III段温度/9801050均热I段温度/11001140均热II段温度/11501170出钢口温度/11401160（下转第40页）36第28卷第4期王海华 孙逢源 林再勇 张剑锋 郑晓伟：球化退火对冷精锻齿轮钢20Cr渗碳晶粒度的影响料在930条件下保温时间10h晶粒开始粗化，有很好的耐晶粒粗化的能力，满足实际生产要求。从伪渗碳试验结果可以看出，均热温度770保温9h相比保温6h，耐晶粒粗化的能力更好，说明球化组织的均匀性对耐晶粒粗化的能力起到更有利作用，因为不均匀的球化组织渗碳加热过程中生成不均匀的奥氏体，奥氏体晶粒在尺寸上、位向上和曲率上的差别会随时间的延长而逐渐增大，为降低晶界能大的晶粒吞食周围小晶粒，最终发生晶粒粗化。根据Gladman理论9，起到钉扎效果的析出物临界半径越小，越容易发生粗晶，当析出物半径超过临界半径，无法起到钉扎作用，为获得有效析出粒子，实际析出的粒子尺寸要小，但同时也要考虑粒子尺寸越小在渗碳过程中越容易发生溶解，失去钉扎作用。基体晶粒大小、均匀性和第二相粒子析出量是影响析出物临界半径的正相关因素。本研究通过球化退火控制基体晶粒的均匀性和提高AlN粒子的析出量来增大析出物临界半径，继而增加有效AlN粒子量。从伪渗碳试验结果可以看出，在保温6h条件下均热温度770相比790，耐晶粒粗化的能力更好，是因为温度升高析出粒子发生奥斯特瓦尔德长大，部分AlN粒子当量直径增大超过临界半径，有效的AlN粒子量减少。3结论(1)试验钢20Cr在均热温度780保温6h球化退火条件下，可获得均匀球化组织，且AlN粒子析出数量多、尺寸小，在930条件下保温时间10h晶粒开始粗化，有很好的耐晶粒粗化的能力。在此基础上，降低退火温度，球化组织不均匀；提高退火温度，AlN粒子长大、数量减少且球化组织不均匀，导致耐晶粒粗化能力降低。(2)通过球化退火控制第二相粒子AlN大量、微细析出和球化组织均匀，可以提高材料耐晶粒粗化的能力，为实际生产提供新的方法。参考文献1 王之香.Nb对重载齿轮用20CrNi2Mo钢组织和力学性能的影响J.金属热处理,2013,38(06):46-48.2Zener Clarence.Theory of Growth of Spherical Precipitatesfrom Solid Solution J.Trans.Metall.Soc.A.I.M.E.,1948,175(15):473 王学伦,宋介中,王巍.二相粒子析出相钉扎晶界模型研究进展J.钢铁研究学报,2010,22(12):1-6.4 杨延辉,王毛球,王春芳,董瀚,陈敬超.钛铌微合金化齿轮钢的奥氏体晶粒长大研究J.钢铁研究学报,2012,24(12):32-36.5 张国强,何肖飞,尉文超,时捷,王毛球.高温渗碳齿轮钢的晶粒粗化行为J.钢铁,2019,54(05):68-72+77.6 丁志敏,方建飞,梁博,阎颖.V-Nb-(Ti)微合金化钢奥氏体晶粒长大的动力学J.材料热处理学报,2013,34(S1):88-92.7 杨金安,杜旋,祁一星,辛雪倩,梁贤淑,刘琦.铌微合金化技术在齿轮钢中的应用J.热加工工艺,2016,45(11):96-97+101.8Ryum N.On the Analytic Description of Normal GrainGrowth EJ-I.Acta Metall.Mater.1989.37(5)：13759Gladman T.On the Theory of the Effect of PrecipitatePatticles on Grain Growth in MetalsJ.Proc Roy Soc,1966,A294:2985结 论通过将坯料N含量控制在100ppm左右，以及降低坯料在加热炉中的均热温度至11501170，ER307Ti盘条的轧制取得了良好的效果。参考文献1 曹传民.奥氏体不锈钢储存罐焊接工艺分析J.现代焊接,2012(5)：64-66.2 孔建伟,马川.奥氏体不锈钢堆焊层与碳钢管的手工钨极氩弧焊封口焊操作技术J.现代焊接,2010(5)：32-35.3 史茜,张跃良,杜雯雯,慎琪炜,杨雪澜.焊接用ER307Ti线材表面重皮缺陷研究J.云南冶金,2019,48(04):69-72.4杨辉,王建勇等.ER307Ti 焊接用奥氏体不锈钢线材研制与开 发J.金属世界,2014(1)：71-74.图6 ER307Ti 5.5mm热轧盘条（酸白态）Fig.6 ER307Ti 5.5mm hot-rolled wire rod(acid-pickled,white)（上接第36页）40