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430不锈钢表面皱折问题及研究现状

来源:至德钢业 日期:2020-05-16 23:40:35 人气:67

430不锈钢在深冲或深拉加工成型时经常出现平行于板带的轧制方向上表面皱折缺陷。常为凹凸不平的条纹。折皱形貌的一个显著形貌是板材一侧突出而另一侧则下陷,并且板材的厚度不影响缺陷形貌。拉伸变形量越大,皱褶的程度越高。皱褶的出现不仅对于成形工件的外观有害,必须添加研磨和抛光的工序,并且皱褶深度较深时去除难度很大,成品率大大降低,多增加了很多的生产成本,这一因素是的铁素体不锈钢的应用范围较窄。但是,引起皱褶的根本因素到如今也未解释清楚。

皱折产生的原因较为复杂,影响因素也很多。皱褶的产生直到现在已经半个世纪,最早研究者经研究发现工件在拉伸变形过程中由于带状组织具有不同的的塑性应变比可能是产生褶皱的根本原因,但当时的研究作证不能明确的说明铁素体不锈钢表面起皱的具体原因。

由于EBSD现已成熟。通过EBSD技术研究微观取向分布结果分析。现今普遍同意的看法是由于大量晶粒簇的取向相似导致了加工皱褶的出现。国内外专家根据实验和模拟研究结果,普遍认为是具有相同取向的晶粒聚集在一起形成晶粒簇(Grain Colony),晶粒簇与表面皱折发生的位置恰好吻合,这种晶粒簇通常比较粗大,多分布在板带厚度方向中心区域(图1。2)形成粗晶带(Coarse GrainBand)。Hyung-Joon Shin等采用EBSD研究了两种400系不锈钢的柱状区样品,证实了晶粒簇确实存在于理论模型中,并验证了晶粒簇确实是皱褶的存在因素。Jun-ichihamada等人也验证了430铁素体不锈钢的表面褶皱形成的另一因素为初始凝固组织,在退火后皱褶情况较严重的试样具有明显的初始柱状晶组织。微观取向和晶粒尺寸分布的不均匀造成微观晶粒间的法向应变和切向应变差异,在宏观观察时发现了不均匀变形的情况,这种情况使得铁素体不锈钢在成型加工后表面产生皱褶。可见,改变工艺条件以改善铁素体不锈钢的组织均匀性、并均匀各取向晶粒分布、弱化带状晶粒簇是消除皱褶的有效手段。分析造成这种晶粒簇的主要影响因素有如下几种:

1)凝固组织

很多实验结果表明具有较多柱状晶的铁素体不锈钢铸锭经加工后出现起皱的几率和程度比等轴晶更高。因此,认为初始柱状晶组织会引起皱折缺陷。王贺利等人通过研究430不锈钢的连铸坯组织情况后得出结论,改进电磁搅拌工艺,使等轴晶比例由之前为改变工艺时的17%左右,提高到了改进工艺后的47%左右,改善了连铸坯后期的加工性能。

常锷等人在研究430不锈钢成分的前提下,验证了430不锈钢凝固结构与其成分有关,得出铸锭中的等轴晶含量随着含碳量的增加而增加的规律。铁素体不锈钢在凝固过程中若形成较多的柱状晶组织,在热加工时由于过程中由于很少发生相变和再结晶,在试样沿厚度方向的中心处晶粒取向并不会产生剧烈的变化,转动过程会相对稳定。因此,很容易形成显著的{001}1 1 0〉和{112}1 1 0〉热轧织构;具有这类热轧织构的组织晶粒由于泰勒因子较小,没有足够的能够支撑再结晶发生的变形储能,在随后的退火过程中并没有明显的变化。这类粗晶带状的组织在后续加工中很难处理掉,进而形成了平行于轧制方向的带状晶粒簇。

但有研究在铸锭中分别取全部呈柱状晶的局部进行加工成形,发现在柱状晶凝固组织成品板中,表层晶粒比较细小,中心层的晶粒较大,大小晶粒塑性应变比的差异导致柱状晶试样严重的表面起皱。这说明从柱状晶获得细小均匀的成品晶粒组织是可能的。可以通过后续的加工和热处理过程获得大小均匀的晶粒尺寸,来减小或消除起皱缺陷。同时,在凝固过程中,适当添加一定量的第二相颗粒,如TiNTiO2或稀土元素,可以有效地细化凝固组织。

(2) 热轧工艺

热轧加工配合再结晶处理是获得或消除变形织构以及控制晶粒尺寸的,以及降低终轧入口温度都可以促进在粗晶带内形成剪切带。这种剪切带会成为铁素体晶粒再结晶的形核位置,在后续的退火过程中细化晶粒并加强<111>ND织构。陈思悦等人经研究得出在热轧退火过程中,晶粒由轧态的纤维状向等轴晶粒的转变依赖于退火温度的升高,在这个过程中碳化物数量减少,组织均匀性大大提高。

由于优化了显微织构的分布,进而有利于抑制表面皱折的形成。研究认为,在粗轧阶段增大道次变形量和延长道次间隔时间,可促进热轧板中α相的静态再结晶,对降低表面起皱和提高成型性能有一定的作用。

与碳钢不同,有的铁素体不锈钢很难在热轧时实现完全再结晶。因此,需要经过热轧后退火以消除显微组织中的带状组织,热轧后退火比凝固组织对成品板表面皱折的影响更大。Patra等人的研究结果表明,为了抑制409L不锈钢粗晶带的形成以消除皱折缺陷,有必要在热轧后在足够高的温度(870℃~940℃)对热轧板进行退火;而对于430铁素体不锈钢,当温度达到870℃左右时会进入α和γ的两相区,并且当加热温度高于这个温度长时间保温后,就会有奥氏体组织生成,这样会在最终组织中生产马氏体。由于C原子的扩散性和固溶度。当在两相区内温度降低时会有大量的Cr 23 C6在晶界析出,这一现象成为铁素体不锈钢晶界腐蚀的主要原因,并附带降低不锈钢的加工性能。因此,有研究认为430铁素体不锈钢热轧后不进行退火处理有利于皱折的改善。

同时,热轧润滑对铁素体不锈钢的织构也有显著影响。在轧制过程中,在无润滑或润滑较差的情况下,钢板中心为平面变形,而在钢板表面主要为剪切变形,进而出现剪切织构,变形机制的差异使得冷轧退火后带钢厚度方向上存在明显的织构梯度。

1-2中板带中心区域出现粗晶带,推断一方面是由于铁素体不锈钢变形的传递问题导致不同区域晶粒的变形程度不同;另一方面,对于变形程度不同的晶粒,其后续的再结晶程度亦有所差异,并且在变形与再结晶的同时各自呈现出特定的织构取向,造成最终的中心粗晶带。这都与热轧工艺密切相关。

因此在热轧阶段需要综合调整热轧变形量、α→γ相变和静态再结晶三者的关系,需要在退火前沿板厚度方向得到均匀的变形组织,再在退火过程中获得均匀的再结晶组织,并且避免在变形后发生α/γ相变,最终获得尺寸和取向均匀的晶粒组织,避免形成粗晶带;同时,利用热轧润滑调整板厚方向的变形均匀性也至关重要。

3)冷轧工艺

经冷轧退火后,沿着轧制方向呈带状分布的织构会引起剪切应变的不均匀分布,进而引起皱折的出现。相近取向晶粒排列越强,皱折越严重。有研究建议与常规的轧制方向(ND)呈45°进行交叉轧制以促进织构的分布。

骆靓鉴等人经研究发现再结晶组织中{211}<011>{111}<011>{111}<112>取向晶粒均匀分布,且其他取向的晶粒数量较多,这种晶粒取向分布不同的各向异性有助于铁素体在后期加工过程中较少表面褶皱的生成率。铁素体不锈钢在进行拉伸变形时,晶粒取向相同的对应表面明显能够看到拉伸过程中晶粒的单滑移轨迹,研究者认为这是引起铁素体不锈钢表面褶皱的原因。

Park等人发现在409L430两种铁素体不锈钢的冷轧退火板的中心层都存在大量的塑性应变比较低的{001}11 0〉和{112}11 0〉晶粒簇(Grain Colony)Huh等人研究了冷轧过程中的中间退火对17%Cr铁素体不锈钢表面皱折的影响,他们发现两步冷轧并进行中间退火有利于抑制皱折。对于430铁素体不锈钢,在冷轧板的退火过程中,必须避免由于进入奥氏体区而造成的新的Cr23C6晶界析出问题。

4)合金成分及第二相

降低CN含量可促进表面起皱,与C相比,N含量在一定范围内对表面皱折的影响不大。与Ti稳定化效果相反,在Nb稳定化钢中,随稳定比增大,表面皱折高度增加,主要因为TiN在铸坯中形成后有利于细化铸态组织;且TiN析出相相对粗大,在热轧过程中对再结晶无明显延迟作用。铁素体不锈钢的显微组织中形成的第二相如奥氏体和马氏体可促进再结晶并打破取向晶粒簇,对提高铁素体不锈钢的抗表面皱折性能有重要作用。对于常规的430铁素体不锈钢,由于高温区铁素体/奥氏体相变而导致在热轧后的板料中存在各向同性的马氏体相,可根据碳含量通过调整热轧后退火改善抗皱性能。

综上所述,400系铁素体不锈钢表面起皱现象是原始铸态组织、热轧、冷轧、热处理及各种复杂相变行为造成最终变形不协调的一个综合表现。然而,前面所提到的改善技术中有的与实验钢种密切相关,不能广泛应用于铁素体不锈钢;有的受到实验条件的严格限制,难以在工业化生产中应用,它们或影响生产率,或影响能效,实现起来很昂贵。

伊兴华等人利用ABAQUS有限元软件、Voronoi图表等进行了纯铜和GH469合金多晶体塑性变形的数值模拟研究,结果表明利用数值模拟软件进行多晶体塑性变形的模拟研究是可行的,但针对铁素体不锈钢多晶材料的此类变形模拟研究尚未见报导。

本文标签:430不锈钢 

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