航空用小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管缺陷分析及工藝改進(jìn)

王春奕,張全新,楊流鵑,楊軍和

（寶武特冶航研科技有限公司，重慶 400084）

1Cr18Ni9Ti 是含穩(wěn)定化元素鈦的18-8 型鉻鎳系奧氏體不銹鋼，具有較好的抗氧化性和耐腐蝕性，同時具有優(yōu)良的延展性、韌性，以及沖壓、擴口等加工工藝性能。1Cr18Ni9Ti 航空用小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管被廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，主要用于制造航空燃油、滑油及液壓系統(tǒng)的管件，具有高精度、高性能以及安全可靠等特點，其質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管的生產(chǎn)由于變形量大、加工難度高、工序道次多、生產(chǎn)工藝特殊，其成品鋼管質(zhì)量的影響因素較為復(fù)雜，鋼管最終成品需100%進(jìn)行無損探傷檢測，相對于大規(guī)格厚壁管而言，小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管探傷合格率通常相對較低。

某批次1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管在進(jìn)行超聲波探傷檢測時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁存在較多缺陷而產(chǎn)生報警信號，鋼管成品探傷合格率很低，該批鋼管是采用冷軋工藝成型的小口徑薄壁無縫管，其主要生產(chǎn)工藝流程為圓棒→穿孔→冷軋→去脂→固溶（1020 ℃，保溫15 min）→無損檢測（超聲波探傷）。該批鋼管規(guī)格為直徑6 mm×0.8 mm，熱處理狀態(tài)為固溶。為查找探傷不合格問題的真正原因，隨即在發(fā)現(xiàn)探傷報警缺陷的部位取樣并解剖，進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、擴口工藝性能、金相高倍觀察等一系列檢測試驗，以分析找準(zhǔn)原因，并針對原因提出改進(jìn)措施和建議，防止此類問題再次發(fā)生。

1 試驗材料、儀器和方法

試驗分析材料是1Cr18Ni9Ti，材料標(biāo)準(zhǔn)為GJB 2296A-2005—航空用不銹鋼無縫鋼管規(guī)范，為便于對比分析，對該批探傷報警缺陷的鋼管和另一批同規(guī)格的探傷無缺陷的鋼管進(jìn)行了相同項目的對比檢測試驗，前者樣品編號為1 號，后者樣品編號為2 號。

按照GB/T 11170-2008—火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法），使用OBLF QSN750-Ⅱ型直讀光譜儀，對樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析。按照GB/T 20123-2006—高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法，使用CS-206型紅外碳硫儀，對樣品進(jìn)行碳硫分析。按照GB/T 13298-2015— 金屬顯微組織檢驗方法，使用OLYMPUS GX71 型光學(xué)顯微鏡，對樣品進(jìn)行顯微組織觀察及鐵素體含量檢驗。按照GB/T 228.1-2010—金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法，使用CMT-5105 型電子萬能試驗機，對樣品進(jìn)行拉伸試驗。按照GB/T 242-2007—金屬管擴口試驗方法，使用W97-50 型擴口機，對樣品進(jìn)行擴口試驗。

2 理化檢驗及工藝試驗

2.1 化學(xué)成分分析

對成品鋼管進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果列于表1。由表1 可知，有缺陷和無缺陷的兩批成品鋼管的化學(xué)成分的各元素?zé)o明顯差異，且均符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 1Cr18Ni9Ti 鋼管的化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of the 1Cr18Ni9Ti the steel pipes w/%

2.2 力學(xué)性能試驗

對成品鋼管進(jìn)行室溫拉伸性能檢測，檢測結(jié)果列于表2。由表2 可知，兩批鋼管的力學(xué)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但1 號試樣與2 號相比，其強度相對較高，塑性相對較低。

表2 鋼管的力學(xué)性能Table 2 Mechanical Properties of the steel pipes

2.3 維氏硬度試驗

對1 號和2 號試樣的不同部位進(jìn)行維氏硬度對比測試，結(jié)果列于表3。由表3 可知：1 號試樣硬度相對較高，但不均勻，內(nèi)壁硬度明顯高于基體硬度，硬度值相差42 HV1；而2 號試樣硬度符合要求，且較為均勻。

表3 鋼管的硬度Table 3 Micro-hardness values of the steel pipes

2.4 工藝性能試驗

使用擴口機，將鋼管端面外徑擴口至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小直徑9.5 mm，采用旋壓法對成品鋼管進(jìn)行擴口工藝性能試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1 號試樣未擴至規(guī)定值，其端面即發(fā)生明顯開裂，同時鋼管內(nèi)壁的擴口錐面也出現(xiàn)較明顯的宏觀裂紋，表明1 號試樣擴口工藝性能不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；2 號試樣擴至規(guī)定值后，其擴口端面及錐面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼管擴口試驗結(jié)果如圖1 所示。

圖1 鋼管擴口試驗Figure 1 Expanding test of the steel pipes

2.5 晶間腐蝕試驗

按照標(biāo)準(zhǔn)要求對鋼管進(jìn)行敏化處理后，在沸騰硫酸-硫酸銅溶液中進(jìn)行16 h 的晶間腐蝕試驗，采用彎曲法進(jìn)行評定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1 號和2 號兩批鋼管均未發(fā)現(xiàn)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋，鋼管晶間腐蝕傾向敏感性較低，表明兩批鋼管的耐腐蝕性能均合格。

2.6 金相組織觀察

將有探傷報警缺陷的1 號鋼管試樣沿縱向切割，對剖后試樣用肉眼觀察未見明顯缺陷，但采用10 倍放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁存在較多的縱向微裂紋。鋼管內(nèi)壁經(jīng)彎曲或酸洗后微裂紋缺陷隨即暴露，用肉眼觀察清晰可見分布密集、細(xì)小筆直的微裂紋（圖2），經(jīng)測量其深度為0.02 mm，而探傷無報警缺陷的2 號鋼管試樣內(nèi)外壁未見此類缺陷。

圖2 鋼管內(nèi)壁的微裂紋Figure 2 Microcracks in the inner wall of the steel pipe

試樣經(jīng)預(yù)磨拋光后在100 倍顯微鏡下沿縱向觀察非金屬夾雜，常規(guī)夾雜未見異常，但兩批鋼管均存在較明顯的疑似氮化鈦的多邊形鏈狀和點狀夾雜。按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10561-2005 進(jìn)行級別評定，常規(guī)非金屬夾雜物級別為A0.5、B1.0、C0.5 和D1.0 級。參照標(biāo)準(zhǔn)評定鏈狀和點狀多邊形夾雜，其級別為B2.5TiN和D1.0TiN。探傷報警鋼管內(nèi)壁微裂紋缺陷產(chǎn)生于鏈狀夾雜附近，并且沿其方向分布（圖3）。

圖3 鋼管的氮化鈦夾雜Figure 3 TiN inclusions in the steel pipe

為了確定微裂紋缺陷處的鏈狀夾雜成分，對其進(jìn)行了X 射線能譜分析。分析結(jié)果表明，該夾雜主要成分為Ti 和N 等元素，可確定該鏈狀夾雜為氮化鈦，如圖4—5 所示。

圖4 缺陷處的鏈狀夾雜Figure 4 Chain-like inclusions at defect

圖5 鏈狀夾雜的X 射線能譜Figure 5 X-ray energy spectrum of chain-like inclusions

將試樣縱面用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕，從試樣心部至表面進(jìn)行顯微組織的高倍觀察發(fā)現(xiàn)，1 號和2 號試樣的基體組織均為孿晶奧氏體加少量鐵素體。1Cr18Ni9Ti 通常為單相奧氏體組織，當(dāng)鋼中的鉻鎳當(dāng)量比值偏高時，出現(xiàn)少量鐵素體則屬于正?，F(xiàn)象。采用染色法對鐵素體進(jìn)行測定，其結(jié)果均為0.5 級，符合坯料標(biāo)準(zhǔn)要求。圖6 為試樣的金相組織圖。從圖6 可見：兩批鋼管內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)明顯滲碳細(xì)晶層，但兩者的組織形態(tài)特征有較大差異；1 號試樣奧氏體晶粒細(xì)小，其平均晶粒度為10 級，金相組織固溶不充分，晶內(nèi)存在較多的未溶碳化物及滑移線，可見較明顯的加工流線；2 號試樣奧氏體平均晶粒度晶粒為7 級，未見明顯滑移線，晶內(nèi)未溶解碳 化物很少，組織固溶較為充分。

圖6 試樣侵蝕后的金相組織Figure 6 Metallographic images of the sample after etching

3 分析討論

航空用不銹鋼成品鋼管具有較高的質(zhì)量要求，而鋼管坯料質(zhì)量、加工工藝、熱處理等都是決定成品鋼管質(zhì)量的重要決定因素［1］。航空用小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管由于生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，同時成品理化性能指標(biāo)及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，因此對于管坯的原料及生產(chǎn)工藝具有更高的要求。鋼管在生產(chǎn)過程中的每一道次每一環(huán)節(jié)的過程質(zhì)量好壞都將對最終成品鋼管的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響［2］，尤其是冷軋、固溶等關(guān)鍵過程的影響更為明顯。

從化學(xué)成分及非金屬夾雜物的檢測分析結(jié)果得知，鋼管原料材質(zhì)符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2296A-200 航空用不銹鋼無縫鋼管規(guī)范中1Cr18Ni9Ti 鋼的要求，常規(guī)非金屬夾雜物含量級別也符合標(biāo)準(zhǔn)要求，雖然探傷發(fā)現(xiàn)報警缺陷的鋼管中存在含量級別較高的沿縱向分布的B 類鏈狀氮化鈦脆性夾雜，但在探傷無報警缺陷的鋼管中也有同級別的該類夾雜存在，因此鋼管化學(xué)成分及非金屬夾雜物不是導(dǎo)致成品鋼管缺陷形成的主要原因。

從鋼管的拉伸性能來看，探傷報警的鋼管各項指標(biāo)雖然符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但相對于探傷未報警的鋼管其強度明顯較高，塑性明顯較低。從擴口工藝性能試驗來看，探傷報警的鋼管未擴至規(guī)定的最小直徑時即發(fā)生明顯開裂，該鋼管不合格。擴口試驗是檢驗鋼管在擴口時的工藝性能試驗，擴口時管壁沿橫向或環(huán)向被拉伸，因此擴口試驗反映的是鋼管的橫向塑性變形能力［3］。眾所周知，金屬材料在加工變形后，由于織構(gòu)或流線的存在，使得材料性能存在各向異性，材料沿變形方向的縱向力學(xué)性能通常最優(yōu)，而橫向性能通常較差，且變形量越大差異越大，而沿縱向分布的第二相、組織偏析等都會增加這種差異的敏感性［4］。小口徑薄壁無縫鋼管從坯料到成品鋼管，本身變形量較大，如果鋼管中存在較多沿縱向分布的夾雜等第二相，將對其橫向塑性變形能力產(chǎn)生負(fù)面影響，鋼管在擴口時內(nèi)壁的縱向微裂紋等缺陷更容易暴露和擴展。

從金相組織觀察結(jié)果可以得知，探傷有報警缺陷的鋼管奧氏體晶粒十分細(xì)小，達(dá)到10 級，晶內(nèi)存在較多未溶的碳化物和滑移線，金相組織呈現(xiàn)出較明顯的加工組織流線，同時鋼管硬度較高，而內(nèi)壁硬度相對更高，這些都說明在冷加工過后的固溶熱處理并不充分，鋼管中存在較大的殘余應(yīng)力。通過實測鋼管力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，其強度指標(biāo)較高，塑性指標(biāo)明顯較低，這也說明探傷報警的鋼管在固溶熱處理時未得到完全軟化和組織均勻化，固溶效果欠充分，這是探傷有報警缺陷和無報警缺陷的兩批鋼管在內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的主要差異。另外，兩批鋼管中均存在沿縱向分布的B 類鏈狀氮化鈦脆性夾雜，而探傷報警缺陷產(chǎn)生于鏈狀氮化鈦夾雜附近，說明缺陷的形成與該類夾雜有關(guān)。1Cr18Ni9Ti 是含鈦不銹鋼，鈦元素在鋼中主要起到穩(wěn)定碳的作用，這有利于提高鋼管的耐蝕性能。由于鈦元素具有較高活性，在冶煉時極易與鋼中的氮元素結(jié)合而形成氮化鈦夾雜殘留于鋼中，因此成品鋼管中含有一定量的氮化鈦夾雜屬于正?，F(xiàn)象［5］。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對氮化鈦夾雜未作規(guī)定，但該類夾雜的分布形態(tài)卻對材料性能具有不同影響。倘若氮化鈦在鋼中均勻分布，則對材料影響甚微，倘若在鋼中分布不均或聚集堆積，在經(jīng)過軋制加工變形后沿縱向呈鏈狀分布，則對鋼管性能尤其是加工工藝性能會造成一定的不利影響。同時，由于氮化鈦夾雜呈多邊形或尖角狀，在較大的冷軋外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，易沿縱向在鏈狀夾雜邊界形成微裂紋［6］。

1Cr18Ni9Ti 等18-8 型不銹鋼是亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，通常情況下室溫組織為單相奧氏體，但由于其組織穩(wěn)定性較差，1Cr18Ni9Ti 鋼在冷加工外力作用下會產(chǎn)生馬氏體相變，同時在形變過程中出現(xiàn)位錯和形變孿晶，從而形成較大的內(nèi)應(yīng)力，造成加工硬化［7］。奧氏體晶界阻礙位錯運動，形成晶界強化，變形量越大，晶粒越細(xì)，晶界阻礙位錯滑移的作用就越大，強度和硬度就越高，從而在冷加工時越容易產(chǎn)生加工硬化。根據(jù)不銹鋼管冷軋變形特點，鋼管表面變形量通常大于基體，因此鋼管表面具有更大的加工硬化傾向，硬度也更高。奧氏體不銹鋼的固溶熱處理旨在使冷變形產(chǎn)生的馬氏體重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，降低強度，充分軟化，消除材料中的內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，以提高鋼管后續(xù)冷軋加工的可成形性［8］。1Cr18Ni9Ti 小口徑薄壁不銹鋼無縫鋼管從坯料到成品需經(jīng)過多道次的加工變形方能成型，每一道次加工后都必須通過固溶熱處理進(jìn)行充分軟化，為下道次加工做好準(zhǔn)備，倘若熱處理溫度偏低或保溫時間不足，固溶軟化不充分，殘余應(yīng)力未能完全消除就進(jìn)入下道工序，隨著后續(xù)加工道次的增加，這種殘余應(yīng)力則逐漸積累，影響鋼管的加工成型性能，這在易產(chǎn)生缺陷的鋼管內(nèi)壁顯得更為明顯［9］。探傷有報警缺陷的鋼管實測硬度明顯偏高且不均勻，說明固溶軟化效果較差，殘余應(yīng)力沒有充分消除，正是這種殘余應(yīng)力及其應(yīng)力集中，使得鋼管內(nèi)壁對缺陷的形成變得更為敏感。同時，鋼管中存在較多的鏈狀氮化鈦脆性夾雜，氮化鈦由于硬度很高且不易變形，與鋼管基體硬度差別很大，在其附近容易形成應(yīng)力集中。此時，沿縱向分布的鏈狀氮化鈦夾雜就成為了裂紋源，在逐漸累積的內(nèi)應(yīng)力作用下在對缺陷的形成較敏感的鋼管內(nèi)壁極易沿鏈狀氮化鈦夾雜產(chǎn)生微裂紋［10］。這種微裂紋由于深度較淺，僅個別或分散存在時，在超聲波探傷檢測時一般不易被發(fā)現(xiàn)。但當(dāng)這種微裂紋在鋼管中大量密集分布達(dá)到一定當(dāng)量并超過檢測設(shè)定閾值時，則在超聲波探傷時即被發(fā)現(xiàn)而報警。由于1Cr18Ni9Ti 不銹鋼塑性相對較好，有較高的斷裂韌度，因此微裂紋通常不易擴展為肉眼可見的宏觀裂紋，只是在超聲波探傷時被發(fā)現(xiàn)。若鋼管殘余應(yīng)力進(jìn)一步積累，達(dá)到一定程度并超過材料的塑性極限，微裂紋將進(jìn)一步擴展為肉眼可見的宏觀裂紋，從而導(dǎo)致鋼管開裂。

4 結(jié)論

（1）該批1Cr18Ni9Ti 不銹鋼管材質(zhì)及力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）探傷報警的鋼管內(nèi)壁存在較多的微裂紋，金相組織固溶不充分，同時存在較明顯的鏈狀氮化鈦夾雜。

（3）鋼管內(nèi)壁的微裂紋是由于鋼管固溶不充分，在逐漸累積的殘余應(yīng)力作用下而形成的，它是缺陷形成的主要原因。建議提高固溶熱處理溫度或延長保溫時間，保證更為充分的固溶和軟化效果，提高材料塑性變形能力，以減少鋼管內(nèi)壁產(chǎn)生微裂紋缺陷的傾向。

（4）鋼管中沿縱向分布的鏈狀氮化鈦脆性夾雜在殘余應(yīng)力作用下形成了裂紋源，促進(jìn)了鋼管內(nèi)壁微裂紋缺陷的產(chǎn)生。建議提高鋼坯冶金質(zhì)量，控制鋼中氣體含量，降低氮化鈦夾雜含量級別，特別是鋼管中沿縱向分布的鏈狀氮化鈦脆性夾雜，使其均勻彌散分布，減少在夾雜附近產(chǎn)生缺陷和裂紋源的幾率。