Ni36合金冷轧带材表面斑点缺陷分析

田玉新,陆建生,朱银存

(宝武特种冶金有限公司,上海 200940)

Ni36合金是一种具有超低膨胀系数的特殊的低膨胀铁镍合金[1]。冷变形能降低热膨胀系数,在特定温度范围内的热处理能使热膨胀系数稳定化,因此,其冷轧带材被广泛应用于需要极低膨胀系数的环境中,诸如液化天然气的生产、贮存和运输、温度调节装置等[2]。某厂生产的冷轧带材表面发现有大量斑点缺陷,严重影响了产品表面质量。因此,分析斑点的成因对指导生产、提高产品质量很有意义。

1 试验用料及方法

1.1 试验用料

试验用料为某厂生产的Ni36合金冷轧带材,厚度1.9 mm×宽度1 140 mm,成分为: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的生产工艺路线为:电弧炉+炉外精炼→热轧→退火→酸洗→修磨→冷轧→光亮退火→成品。在光亮退火前、后的冷轧带材上进行取样分析。

1.2 试验方法

采用Zeiss Axio Lab A1光学显微镜和Zeiss SEM Ultra55扫描电镜对Ni36合金冷轧带材表面的斑点缺陷进行形貌观察和能谱分析。

2 试验结果与分析

某厂生产的Ni36合金冷轧带材在光亮退火后,肉眼可发现大量白色斑点缺陷,见图1所示。这些白色斑点大量分布在薄带的两边部距离边缘100～150 mm范围内,偶尔在板面的其他位置也有少量零星分布。对白色斑点进行高倍金相观察,发现其颜色较基体深,有数条裂纹沿垂直轧向分布,说明其塑性很差,经冷轧压延后呈碎裂状,如图2所示。

图1 白色斑点宏观形貌及分布

图2 白色斑点金相形貌

沿白色斑点缺陷处纵向剖开,经研磨抛光后对其截面进行扫描电镜观察,见图3、4所示,图4为图3斑点缺陷处的放大照片。从图中可以发现缺陷与基体界面清晰,缺陷内有许多黑色不规则短棒状和圆形颗粒状物质呈弥散分布。能谱分析表明(见图4和表1),黑色物质主要为Fe、Ni的氧化物,白色物质为Fe-Ni基体。初步推测表面斑点为氧化层缺陷残留。

图3 光亮退火后斑点截面扫描截面形貌

图4 光亮退火后斑点缺陷截面放大扫描形貌

表1 能谱分析结果

为证实上述推测,取光亮退火前的试样进行分析。高倍观察发现其形貌和光亮退火后形貌类似。肉眼观察发现其斑点呈银灰色,见图5所示。能谱分析表明,这些银灰色斑点主要为Fe和Ni的氧化物,见表2所示。根据氧化物的ΔG-T关系图[3]可知,随着氧化的进行,Fe首先与O反应,生成比NiO更稳定的Fe3O4和FeO,因此在氧化物成分中铁元素的含量明显比Ni元素含量高,见表2中成分所示;同时因为基体中Fe已被氧夺走,导致氧化物周围基体中的Fe含量明显减少,而Ni含量明显增加,见表1中谱图5成分所示。

图5 光亮退火前冷轧带钢表面斑点缺陷扫描形貌

表2 能谱分析结果

如前所述,冷轧带材的生产要经热轧→退火→酸洗→修磨→冷轧→光亮退火等工序。热轧后的坯料表面附有大量氧化皮,经退火后氧化进一步加深,其氧化横截面形貌如图6所示。从图中可以看出,样品表面可以分成6层,其中第一层至第三层为氧化皮层,第四层至第五层为氧化层,第六层为基体。而第五层的组织特征是氧化物沿着合金的晶界生成。第一层至第三层组织疏松易剥落,氧化皮层经酸洗后完全脱落,第四层组织相对致密,与基体结合较牢固,酸洗后仍有部分残留在坯料表面,见图7所示。这些残留在坯料表面的氧化层,嵌入基体的深度不同。嵌入基体较浅的氧化层,经修磨后可被完全去除;嵌入基体较深的氧化层,经修磨后仍有少量残留在基体表面。修磨后残留的氧化层,其塑性较基体差,经冷轧压延后呈碎裂状,由于受到轧制方向的拉应力,因此主裂纹基本呈垂直轧制方向分布。从图4与图6的比较来看,图4中斑点缺陷截面形貌与图6中第四层氧化层形貌相似,不同的是图6中第四层氧化颗粒数量较多,且有数条黑色的氧化通道。这是因为冷轧钢带表面的残留氧化层经光亮退火后被H还原,导致氧化层中氧化颗粒减少,尤其是H很容易进入氧化通道而将氧化物还原,这是由于在退火过程中发生了如下反应:

图6 氧化层形貌

图7 坯料酸洗后表面的氧化层残留

FeO+H2=Fe+H2O

(1)

Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O

(2)

因此光亮退火后氧化层内的黑色氧化通道消失。由于H的强还原作用,这些残留氧化层的表面也由银灰色变成白色。

综合上述分析,可以认为冷轧带材表面的白色斑点为氧化层残留物被氢还原后的产物。因为冷轧用坯料通常有一定边降,导致坯料在修磨时两边部修磨量较中间少。当坯料两边部修磨量达不到要求时,就会有氧化层残留,所以斑点缺陷通常分布在冷轧带材的两边部位置。

3 建议改进措施

众所周知,坯料氧化层的厚度取决于加热温度和加热时间。加热温度越高、加热时间越长,氧化层越厚。因此,在现有加热温度和加热时间不变的情况下,要减少氧化层厚度,建议采用保护气氛加热。而对一般生产厂来说,采用保护气氛加热难以实现。

因此,要彻底清除坯料表面的氧化层,最简单的措施是适当增加坯料表面的修磨量,特别是对有边降的坯料,一定要保证坯料边部的修磨量。如前所述,坯料经酸洗后,第一层至第三层的氧化皮层可完全被去除,因此,修磨量就取决于第四层至第五层的氧化层厚度。如图6所示,第四层至第五层的最大厚度为336.3 μm,因此要彻底清除氧化层,修磨量至少保证在坯料最大氧化层厚度以上。

按上述建议生产了10卷Ni36合金冷轧带材,对其成品表面进行检查,没有发现任何斑点缺陷。

4 结论

(1) 分析表明,Ni36合金冷轧带材表面的斑点缺陷为氧化层残留经光亮退火后被氢还原后的产物。

(2) 增加冷轧前坯料表面的修磨量,以彻底清除表面氧化层,可有效杜绝成品表面斑点缺陷的发生,从而保证成品的表面质量。