Ni36合金冷軋帶材表面斑點缺陷分析

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的特殊的低膨脹鐵鎳合金[1]。冷變形能降低熱膨脹系數,在特定溫度范圍內的熱處理能使熱膨脹系數穩定化,因此,其冷軋帶材被廣泛應用于需要極低膨脹系數的環境中,諸如液化天然氣的生產、貯存和運輸、溫度調節裝置等[2]。某廠生產的冷軋帶材表面發現有大量斑點缺陷,嚴重影響了產品表面質量。因此,分析斑點的成因對指導生產、提高產品質量很有意義。

1 試驗用料及方法

1.1 試驗用料

試驗用料為某廠生產的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、后的冷軋帶材上進行取樣分析。

1.2 試驗方法

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

2 試驗結果與分析

某廠生產的Ni36合金冷軋帶材在光亮退火后,肉眼可發現大量白色斑點缺陷,見圖1所示。這些白色斑點大量分布在薄帶的兩邊部距離邊緣100～150 mm范圍內,偶爾在板面的其他位置也有少量零星分布。對白色斑點進行高倍金相觀察,發現其顏色較基體深,有數條裂紋沿垂直軋向分布,說明其塑性很差,經冷軋壓延后呈碎裂狀,如圖2所示。

圖1 白色斑點宏觀形貌及分布

圖2 白色斑點金相形貌

沿白色斑點缺陷處縱向剖開,經研磨拋光后對其截面進行掃描電鏡觀察,見圖3、4所示,圖4為圖3斑點缺陷處的放大照片。從圖中可以發現缺陷與基體界面清晰,缺陷內有許多黑色不規則短棒狀和圓形顆粒狀物質呈彌散分布。能譜分析表明(見圖4和表1),黑色物質主要為Fe、Ni的氧化物,白色物質為Fe-Ni基體。初步推測表面斑點為氧化層缺陷殘留。

圖3 光亮退火后斑點截面掃描截面形貌

圖4 光亮退火后斑點缺陷截面放大掃描形貌

表1 能譜分析結果

為證實上述推測,取光亮退火前的試樣進行分析。高倍觀察發現其形貌和光亮退火后形貌類似。肉眼觀察發現其斑點呈銀灰色,見圖5所示。能譜分析表明,這些銀灰色斑點主要為Fe和Ni的氧化物,見表2所示。根據氧化物的ΔG-T關系圖[3]可知,隨著氧化的進行,Fe首先與O反應,生成比NiO更穩定的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;同時因為基體中Fe已被氧奪走,導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缺陷掃描形貌

表2 能譜分析結果

如前所述,冷軋帶材的生產要經熱軋→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,經退火后氧化進一步加深,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,氧化皮層經酸洗后完全脫落,第四層組織相對致密,與基體結合較牢固,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,經修磨后可被完全去除;嵌入基體較深的氧化層,經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,經冷軋壓延后呈碎裂狀,由于受到軋制方向的拉應力,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量較多,且有數條黑色的氧化通道。這是因為冷軋鋼帶表面的殘留氧化層經光亮退火后被H還原,導致氧化層中氧化顆粒減少,尤其是H很容易進入氧化通道而將氧化物還原,這是由于在退火過程中發生了如下反應:

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的黑色氧化通道消失。由于H的強還原作用,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,可以認為冷軋帶材表面的白色斑點為氧化層殘留物被氫還原后的產物。因為冷軋用坯料通常有一定邊降,導致坯料在修磨時兩邊部修磨量較中間少。當坯料兩邊部修磨量達不到要求時,就會有氧化層殘留,所以斑點缺陷通常分布在冷軋帶材的兩邊部位置。

3 建議改進措施

眾所周知,坯料氧化層的厚度取決于加熱溫度和加熱時間。加熱溫度越高、加熱時間越長,氧化層越厚。因此,在現有加熱溫度和加熱時間不變的情況下,要減少氧化層厚度,建議采用保護氣氛加熱。而對一般生產廠來說,采用保護氣氛加熱難以實現。

因此,要徹底清除坯料表面的氧化層,最簡單的措施是適當增加坯料表面的修磨量,特別是對有邊降的坯料,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。

按上述建議生產了10卷Ni36合金冷軋帶材,對其成品表面進行檢查,沒有發現任何斑點缺陷。

4 結論

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

(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缺陷的發生,從而保證成品的表面質量。