姚 雷

（寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 200940）

摘要：采用疲勞預(yù)制裂紋試樣研究了不同熱處理制度下 2507不銹鋼在欠氧環(huán)境中的氧化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的熱處理工藝下，裂紋的氧化行為存在明顯差異。在形貌上，隨著熱處理時間的增加，裂紋的氧化厚度增加，且從150min開始，在裂紋兩側(cè)的基體中出現(xiàn)了顆粒狀氧化物。分析成分上，熱處理 50min時主要為 Cr的氧化物；100～200min，氧化層的組成轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe、Mn、Cr復(fù)合型，顆粒狀氧化物的主要成分為 Si元素；200min的裂紋氧化物在中部出現(xiàn)了 Mo的氧化物，而在裂紋根部則可觀察到Cr的氮化物。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼；裂紋氧化；復(fù)合氧化層

在鋼鐵材料的生產(chǎn)過程中，鋼材通常要經(jīng)過多次不同的加熱過程，如鍛造、軋制前的均熱過程，冷軋不同道次間的退火過程以及成品的最終熱處理過程。生產(chǎn)過程中，某些情況下材料表面會產(chǎn)生各種缺陷，如裂紋、折疊等。當(dāng)裂紋剛剛產(chǎn)生時，裂紋兩邊為新鮮金屬表面，不存在任何氧化情況。鋼坯在隨后的生產(chǎn)過程中經(jīng)歷不同的加熱過程，在裂紋兩側(cè)的新鮮金屬表面就會產(chǎn)生不同的氧化行為以及積累不同的氧化產(chǎn)物。越是在靠前的工序產(chǎn)生的裂紋，經(jīng)歷的加熱過程越多，氧化也更加充分，反之亦然。這也成為在缺陷分析過程中判斷裂紋產(chǎn)生工序的一個重要判據(jù)。

2507不銹鋼為一種超級雙相不銹鋼，是指點(diǎn)蝕當(dāng)量值大于40、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25％、高鉬高氮的鋼。具有良好的耐蝕與力學(xué)綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美，一般用于苛刻的介質(zhì)條件，如化工和海洋工程等領(lǐng)域^［1］。

本文通過研究 2507雙相不銹鋼的裂紋氧化行為，獲得該類鋼種在經(jīng)歷不同加熱過程的氧化產(chǎn)物演化行為，希望能為判斷分析表面缺陷（裂紋）產(chǎn)生的工序提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

1.1 裂紋的預(yù)制

加工10ｍｍ×10ｍｍ×100ｍｍ試樣，在試樣中部使用線切割預(yù)制深度為 2ｍｍ割槽，然后通過德國 Ｚｗｉｃｋ150ＨＦＰ５100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)預(yù)制4ｍｍ長裂紋。

1.2 熱處理

2507雙相不銹鋼的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示?？梢钥吹剑摴艿纳a(chǎn)共經(jīng)歷了4次熱處理，即均熱、兩次軟化處理和成品熱處理，熱處理制度均為 1200℃ ＋50ｍｉｎ。如果裂紋產(chǎn)生于二次冷軋工序，則在成品狀態(tài)時其只經(jīng)歷了成品熱處理的一道熱處理工序（對應(yīng)圖 1中 1號試樣）。如果裂紋產(chǎn)生于管坯處，則成品經(jīng)歷了全流程的4次熱處理（對應(yīng)圖1中 4號試樣）。裂紋產(chǎn)生于不同的工序，則會導(dǎo)致成品有不同的熱處理經(jīng)歷，從而成品處裂紋的氧化形貌和成分也會存在差異。因此本文設(shè)計了四種熱處理制度，來模擬裂紋產(chǎn)生于不同工序時所對應(yīng)的熱處理經(jīng)歷，為成 品上裂紋產(chǎn)生工序的判別提供技術(shù)支撐。

試樣編號所對應(yīng)的裂紋形成工序到成品時經(jīng)歷的熱處理制度以及模擬試驗(yàn)采用的熱處理制度如表 １所示。

1.3 氧化組織觀察和氧化產(chǎn)物定性

使用蔡司 Ｕｌｔｒａ55掃描電鏡對裂紋的氧化情況進(jìn)行形貌觀察，并使用牛津 ＩｎｃａＸｍａｘ50能譜儀對氧化產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌觀察

圖2為不同熱處理狀態(tài)下預(yù)制裂紋的氧化情況。可以看到，在 1200℃ ＋50ｍｉｎ（1號試樣）時，裂紋已經(jīng)存在氧化情況，但氧化層較薄，并不明顯；在 1200℃ ＋100ｍｉｎ（2號試樣）時，裂紋的氧化層明顯變厚，并且存在一定的梯度，即靠近表面部位的氧化層較厚，靠近根部部位的較薄；在1200℃ ＋150ｍｉｎ（3號試樣）時，裂紋的氧化情況并未發(fā)生明顯變化，這可能是由于氧化達(dá)到了一定的平衡狀態(tài)，沒有明顯的擴(kuò)散；而在 1200℃＋200ｍｉｎ（４號試樣）時，可以看到裂紋氧化明顯加速，氧化層的厚度快速增加，遠(yuǎn)大于其他三種情況。關(guān)于基體中的氧化點(diǎn)，可以看到 ３號試樣已經(jīng)有明顯的氧化點(diǎn)分布在裂紋兩側(cè)，而 ４號試樣更加明顯。結(jié)合氧化層的厚度和裂紋兩側(cè)氧化點(diǎn)的出現(xiàn)情況，可為判斷裂紋產(chǎn)生的工序提供形態(tài)上的技術(shù)支撐。

2.2 能譜結(jié)果分析

2.2.1 1號試樣

圖3為1號試樣（經(jīng)歷成品熱處理，裂紋形成于成品熱處理前）的氧化層和基體的能譜分析結(jié)果?？梢钥吹?，氧化層的主要成分為 Cr、Mn和 Fe的氧化物，其中 Cr和 Mn的元素含量較高，這也和它們與氧的親和度較高有關(guān)。

2.2.2 ２號試樣

圖4為2號試樣（經(jīng)歷成品熱處理 ＋1次軟化處理，裂紋形成于二次軟化處理前）的氧化層和基體的能譜分析結(jié)果。與1號試樣不同，2號試樣的氧化層已經(jīng)具有一定的厚度。在氧化層的中心部位，氧化層以氧化鐵為主，Cr和 Mn元素含量較低。在靠近基體的位置，氧化物的組成與1號試樣相同，以 Cr和 Mn為主，而Fe含量較低。

2.2.3 ３號試樣

3號試樣（經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理，裂紋形成于一次軟化處理前）裂紋的能譜分析結(jié)果與 2號試樣類似，但 3號試樣在裂紋兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的氧化點(diǎn)，圖5為氧化點(diǎn)能譜分析的結(jié)果?？梢钥吹?，氧化點(diǎn)的主要成分為 Si，應(yīng)為O元素擴(kuò)展進(jìn)基體，與 Si結(jié)合形成氧化硅顆粒。這也是3號試樣與2號試樣的主要區(qū)別。

2.2.4 ４號試樣

圖6為 4號試樣（經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理 ＋穿管均熱處理，裂紋形成于穿管均熱處理前）的能譜分析結(jié)果?？梢钥吹?，裂紋頭部氧化層的成分與 3號試樣沒有明顯差異，中部為氧化鐵，邊部為氧化鉻，顆粒為氧化硅。但氧化層的厚度明顯大于3號試樣。

由于4號試樣氧化較為充分，因此其裂紋中部的氧化物也呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。圖7為裂紋中部的氧化物成分，可以看到存在Mo的氧化物顆粒。這可能是在長時間的高溫氛圍內(nèi)，基體中的Mo元素和擴(kuò)散在基體中的O元素結(jié)合，形成了Mo的氧化物。并且還在裂紋根部發(fā)現(xiàn)了Cr的氮化物，這可能是因裂紋根部空氣量較少，O元素含量低，而 N元素含量高，因此 Cr元素與N元素結(jié)合形成了Cr的氮化物，結(jié)果如圖8所示。

為了進(jìn)一步確認(rèn)氧化物的分層情況，使用線掃描對4號試樣的裂紋進(jìn)行了線分析，其結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以清楚地看到，在裂紋氧化層的中部 Fe占據(jù)主導(dǎo)地位形成氧化鐵，而在氧化鐵的兩側(cè)為 Mn的氧化物占據(jù)主導(dǎo)，更外側(cè)（接近基體處）為 Cr的氧化物。Si的氧化物以氧化顆粒的形式存在基體中。這與能譜點(diǎn)分析的結(jié)果一致，但可較為清楚地發(fā)現(xiàn) Mn與Cr的位置并不完全重疊。胡灶福^［2］等的研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻鑄鐵中高于 600℃時氧化過程受控機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)?Cr₂O₃ 和顆粒狀MnCr₂O₄復(fù)合氧化膜的生長。隨著氧化程度的進(jìn)一步加劇，氧化層結(jié)構(gòu)還會轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)層Cr₂O₃、MnCr₂O₄和（Mn，F(xiàn)e）₂O₃多層結(jié)構(gòu)。

2.3 討論

通過對上述 4個試樣裂紋氧化情況的形貌和成分分析，可以看到試樣經(jīng)過四種工況條件后，裂紋形貌和成分呈現(xiàn)出明顯的不同。

在形貌上，隨著熱處理時間的增加，即隨著裂紋經(jīng)歷的工序增加，裂紋的氧化厚度增加。只經(jīng)歷成品熱處理試樣（1號）裂紋的氧化層較細(xì)，經(jīng)歷成品熱處理 ＋1次軟化處理試樣（2號）裂紋的氧化層變厚，經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理試樣（3號）裂紋兩側(cè)的基體中出現(xiàn)了氧化物顆粒，經(jīng)歷成品熱處理 ＋2次軟化處理試樣 ＋穿管均熱處理試樣（4號）裂紋氧化層進(jìn)一步變厚且裂紋中間存在粗大的氧化物顆粒。由此可以看到，在不同工序產(chǎn)生的裂紋，由于其晶粒的熱處理工序區(qū)別而導(dǎo)致了裂紋氧化形貌的差異，從而可以根據(jù)裂紋形貌來判斷裂紋產(chǎn)生的工序。

從成分上分析，只經(jīng)歷成品熱處理試樣（1號）裂紋的氧化層主要為 Cr的氧化物。經(jīng)歷成品熱處理和軟化處理試樣（2號和3號）裂紋氧化層的組成變?yōu)閺?fù)合型，從中間到基體的氧化元素依次為Fe 、Mn、Cr。Si元素在基體內(nèi)形成顆粒狀氧化物。經(jīng)歷成品熱處理 ＋軟化處理 ＋穿管均熱處理試樣（4號）裂紋的氧化層在中部和根部呈現(xiàn)出差異，在中部形成了Mo的氧化物，而在裂紋根部則形成了 Cr的氮化物。這可能與氧化環(huán)境有關(guān)，因?yàn)殡S著裂紋的深入，空氣含量降低，O元素含量降低，導(dǎo)致了反應(yīng)動力學(xué)的差異。因此可以看到在不同工序產(chǎn)生的裂紋，由于其經(jīng)歷的熱處理工序區(qū)別而導(dǎo)致裂紋氧化物組成的差異，從而可以根據(jù)裂紋氧化物組成來判斷裂紋產(chǎn)生的工序。

綜上所述，產(chǎn)生于不同工序的裂紋，由于其熱處理經(jīng)歷不同，導(dǎo)致了裂紋氧化物的形貌和組成上的差異，從而可以以此為依據(jù)來判斷裂紋形成的工序，為表面質(zhì)量改善提供技術(shù)支撐。具體可見表2。

3 結(jié)論

采用預(yù)制裂紋的方式，通過不同的熱處理工藝來模擬裂紋經(jīng)歷不同的熱加工過程，使用掃描電鏡和能譜對裂紋氧化層的形貌和成分組成進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）形貌上，隨著熱處理時間的增加，裂紋的氧化厚度增加。

（2）成分方面，隨著時間的增加，其氧化物組成、基體中是否存在顆粒氧化物等也存在著明顯的差異。

（3）可以通過表面裂紋的氧化形態(tài)及成分組成來判斷裂紋產(chǎn)生工序，從而為 2507不銹鋼現(xiàn)場表面質(zhì)量改善提供技術(shù)支撐。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王佳夫，劉麗麗，花福安，等．2507超級雙相不銹鋼的熱變形行為［J］．特殊鋼，2011，32（6）：50－52．

［2］ 胡灶福，張暉．高鉻鑄鐵高溫氧化產(chǎn)物轉(zhuǎn)變和動力學(xué)研究［J］．熱加工工藝，2013，42（11）：157－160．