田玉新,陸建生,朱銀存

(寶武特種冶金有限公司,上海 200940)

Ni36合金是一種具有超低膨脹系數(shù)的特殊的低膨脹鐵鎳合金[1]。冷變形能降低熱膨脹系數(shù),在特定溫度范圍內(nèi)的熱處理能使熱膨脹系數(shù)穩(wěn)定化,因此,其冷軋帶材被廣泛應(yīng)用于需要極低膨脹系數(shù)的環(huán)境中,諸如液化天然氣的生產(chǎn)、貯存和運(yùn)輸、溫度調(diào)節(jié)裝置等[2]。某廠生產(chǎn)的冷軋帶材表面發(fā)現(xiàn)有大量斑點(diǎn)缺陷,嚴(yán)重影響了產(chǎn)品表面質(zhì)量。因此,分析斑點(diǎn)的成因?qū)χ笇?dǎo)生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量很有意義。

1 試驗(yàn)用料及方法

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用料為某廠生產(chǎn)的Ni36合金冷軋帶材,厚度1.9 mm×寬度1 140 mm,成分為:w(C)=0.012%,w(Mn)=0.290%,w(Si)=0.200%,w(S)=0.001%,w(P)=0.009%,w(Ni)=36.500%,余Fe。Ni36的生產(chǎn)工藝路線為:電弧爐+爐外精煉→熱軋→退火→酸洗→修磨→冷軋→光亮退火→成品。在光亮退火前、后的冷軋帶材上進(jìn)行取樣分析。

1.2 試驗(yàn)方法

采用Zeiss Axio Lab A1光學(xué)顯微鏡和Zeiss SEM Ultra55掃描電鏡對(duì)Ni36合金冷軋帶材表面的斑點(diǎn)缺陷進(jìn)行形貌觀察和能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

某廠生產(chǎn)的Ni36合金冷軋帶材在光亮退火后,肉眼可發(fā)現(xiàn)大量白色斑點(diǎn)缺陷,見圖1所示。這些白色斑點(diǎn)大量分布在薄帶的兩邊部距離邊緣100～150 mm范圍內(nèi),偶爾在板面的其他位置也有少量零星分布。對(duì)白色斑點(diǎn)進(jìn)行高倍金相觀察,發(fā)現(xiàn)其顏色較基體深,有數(shù)條裂紋沿垂直軋向分布,說明其塑性很差,經(jīng)冷軋壓延后呈碎裂狀,如圖2所示。

圖1 白色斑點(diǎn)宏觀形貌及分布

圖2 白色斑點(diǎn)金相形貌

沿白色斑點(diǎn)缺陷處縱向剖開,經(jīng)研磨拋光后對(duì)其截面進(jìn)行掃描電鏡觀察,見圖3、4所示,圖4為圖3斑點(diǎn)缺陷處的放大照片。從圖中可以發(fā)現(xiàn)缺陷與基體界面清晰,缺陷內(nèi)有許多黑色不規(guī)則短棒狀和圓形顆粒狀物質(zhì)呈彌散分布。能譜分析表明(見圖4和表1),黑色物質(zhì)主要為Fe、Ni的氧化物,白色物質(zhì)為Fe-Ni基體。初步推測(cè)表面斑點(diǎn)為氧化層缺陷殘留。

圖3 光亮退火后斑點(diǎn)截面掃描截面形貌

圖4 光亮退火后斑點(diǎn)缺陷截面放大掃描形貌

表1 能譜分析結(jié)果

為證實(shí)上述推測(cè),取光亮退火前的試樣進(jìn)行分析。高倍觀察發(fā)現(xiàn)其形貌和光亮退火后形貌類似。肉眼觀察發(fā)現(xiàn)其斑點(diǎn)呈銀灰色,見圖5所示。能譜分析表明,這些銀灰色斑點(diǎn)主要為Fe和Ni的氧化物,見表2所示。根據(jù)氧化物的ΔG-T關(guān)系圖[3]可知,隨著氧化的進(jìn)行,Fe首先與O反應(yīng),生成比NiO更穩(wěn)定的Fe3O4和FeO,因此在氧化物成分中鐵元素的含量明顯比Ni元素含量高,見表2中成分所示;同時(shí)因?yàn)榛w中Fe已被氧奪走,導(dǎo)致氧化物周圍基體中的Fe含量明顯減少,而Ni含量明顯增加,見表1中譜圖5成分所示。

圖5 光亮退火前冷軋帶鋼表面斑點(diǎn)缺陷掃描形貌

表2 能譜分析結(jié)果

如前所述,冷軋帶材的生產(chǎn)要經(jīng)熱軋→退火→酸洗→修磨→冷軋→光亮退火等工序。熱軋后的坯料表面附有大量氧化皮,經(jīng)退火后氧化進(jìn)一步加深,其氧化橫截面形貌如圖6所示。從圖中可以看出,樣品表面可以分成6層,其中第一層至第三層為氧化皮層,第四層至第五層為氧化層,第六層為基體。而第五層的組織特征是氧化物沿著合金的晶界生成。第一層至第三層組織疏松易剝落,氧化皮層經(jīng)酸洗后完全脫落,第四層組織相對(duì)致密,與基體結(jié)合較牢固,酸洗后仍有部分殘留在坯料表面,見圖7所示。這些殘留在坯料表面的氧化層,嵌入基體的深度不同。嵌入基體較淺的氧化層,經(jīng)修磨后可被完全去除;嵌入基體較深的氧化層,經(jīng)修磨后仍有少量殘留在基體表面。修磨后殘留的氧化層,其塑性較基體差,經(jīng)冷軋壓延后呈碎裂狀,由于受到軋制方向的拉應(yīng)力,因此主裂紋基本呈垂直軋制方向分布。從圖4與圖6的比較來看,圖4中斑點(diǎn)缺陷截面形貌與圖6中第四層氧化層形貌相似,不同的是圖6中第四層氧化顆粒數(shù)量較多,且有數(shù)條黑色的氧化通道。這是因?yàn)槔滠堜搸П砻娴臍埩粞趸瘜咏?jīng)光亮退火后被H還原,導(dǎo)致氧化層中氧化顆粒減少,尤其是H很容易進(jìn)入氧化通道而將氧化物還原,這是由于在退火過程中發(fā)生了如下反應(yīng):

圖6 氧化層形貌

圖7 坯料酸洗后表面的氧化層殘留

FeO+H2=Fe+H2O

(1)

Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O

(2)

因此光亮退火后氧化層內(nèi)的黑色氧化通道消失。由于H的強(qiáng)還原作用,這些殘留氧化層的表面也由銀灰色變成白色。

綜合上述分析,可以認(rèn)為冷軋帶材表面的白色斑點(diǎn)為氧化層殘留物被氫還原后的產(chǎn)物。因?yàn)槔滠堄门髁贤ǔＳ幸欢ㄟ吔?導(dǎo)致坯料在修磨時(shí)兩邊部修磨量較中間少。當(dāng)坯料兩邊部修磨量達(dá)不到要求時(shí),就會(huì)有氧化層殘留,所以斑點(diǎn)缺陷通常分布在冷軋帶材的兩邊部位置。

3 建議改進(jìn)措施

眾所周知,坯料氧化層的厚度取決于加熱溫度和加熱時(shí)間。加熱溫度越高、加熱時(shí)間越長(zhǎng),氧化層越厚。因此,在現(xiàn)有加熱溫度和加熱時(shí)間不變的情況下,要減少氧化層厚度,建議采用保護(hù)氣氛加熱。而對(duì)一般生產(chǎn)廠來說,采用保護(hù)氣氛加熱難以實(shí)現(xiàn)。

因此,要徹底清除坯料表面的氧化層,最簡(jiǎn)單的措施是適當(dāng)增加坯料表面的修磨量,特別是對(duì)有邊降的坯料,一定要保證坯料邊部的修磨量。如前所述,坯料經(jīng)酸洗后,第一層至第三層的氧化皮層可完全被去除,因此,修磨量就取決于第四層至第五層的氧化層厚度。如圖6所示,第四層至第五層的最大厚度為336.3 μm,因此要徹底清除氧化層,修磨量至少保證在坯料最大氧化層厚度以上。

按上述建議生產(chǎn)了10卷Ni36合金冷軋帶材,對(duì)其成品表面進(jìn)行檢查,沒有發(fā)現(xiàn)任何斑點(diǎn)缺陷。

4 結(jié)論

(1) 分析表明,Ni36合金冷軋帶材表面的斑點(diǎn)缺陷為氧化層殘留經(jīng)光亮退火后被氫還原后的產(chǎn)物。

(2) 增加冷軋前坯料表面的修磨量,以徹底清除表面氧化層,可有效杜絕成品表面斑點(diǎn)缺陷的發(fā)生,從而保證成品的表面質(zhì)量。