2205双相不锈钢表面起皮缺陷分析
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对加热温度 1 260℃ 、在炉时间 200 min 工 艺条件下生产的 2205 双相不锈钢热轧板边部 和中部 分 别 取 样 观 察 金 相 组 织，见 图 6 所 示。 双相不锈钢组织特征是铁素体基体中分布着奥 氏 体 岛 ，通 过 轧 制 后 ，奥 氏 体 岛 沿 着 轧 制 方 向 呈 长条状排列，如图 6 （ b） 中部试样组织所示。从 图 6（ a） 中可以看出，边部试样奥氏体晶粒明显 比中部粗大。2205 双相不锈钢中奥氏体和铁素 体两相存 在 力 学 性 能 的 差 异，热 轧 生 产 过 程 中 的应变通 过 晶 界 在 两 相 中 进 行 分 配，过 多 分 配 给铁素 体 相 有 可 能 导 致 两 相 边 界 区 域 应 力 集 中，产生 微 裂 纹。奥 氏 体 晶 粒 粗 大 更 容 易 造 成 上述现象的发生。 2． 4 热轧板边部氧化铁皮结构分析
Analysis of peeling defect on the surface of 2205 duplex stainless steel
PAN Jixiang，CHEN Xingrun，WANG Jianxin
（ Tianfeng Stainless Steel Co． ，Ltd． ，Jiuquan Iron and Steel Group Corporation，Jiayuguan 735100，Gansu，China）
·54·
世界钢铁
2013 年第 3 期
2205 双相不锈钢表面起皮缺陷分析
潘吉祥，陈兴润，王建新 ( 酒钢集团天风不锈钢有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)
摘要： 对 2205 双相不锈钢冷轧 NO． 1 板表面起皮缺陷进行扫描电镜和能谱分析，并结合其冶炼 － 热轧 － 退火酸洗整个生产工艺，得出： 缺陷的实质是热轧过程中咬入氧化铁皮经过退火酸洗后的表现形 式。通过对 2205 双相不锈钢板坯加热后金相组织、热塑性、热轧板金相组织以及热轧板氧化铁皮结 构的分析，得出： 板坯边部柱状晶的存在以及热轧加热炉加热温度过高会影响材料的热塑性，导致轧 制过程边部出现微裂纹，热轧完成后演变为咬入式氧化铁皮缺陷。提高 2205 双相不锈钢等轴晶率、 控制加热温度在 1 260℃ 以下可以有效避免起皮缺陷的发生。 关键词： 2205 双相不锈钢； 起皮缺陷； 氧化铁皮； 微裂纹 doi： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 9587． 2013． 03． 009
2 起皮缺陷形成机理分析 经过以上对起皮缺陷的分析，判定此缺陷的
实质是热轧过程中咬入的氧化铁皮经过退火酸洗 后的表现形式。奥氏体加铁素体双相组织在赋予 2205 双相不锈钢优异性能的同时也带来了不容 易热轧的缺点。在热轧过程中铁素体和奥氏体两 相的再结晶机制不同，导致两相变形不协调，恶化 了热塑性，容易出现微裂纹。通过对 2205 双相不 锈钢板坯加热后金相组织、板坯热塑性、热轧板金 相组织以及热轧板氧化铁皮结构相关的试验研 究，将进一步分析 2205 双相不锈钢起皮缺陷在热 轧工序形成的原因。 2． 1 热塑性
为了研究 2205 双相不锈钢板坯边部和中部 的热塑性，对铸坯进行低倍组织侵蚀，侵蚀剂为三 氯化铁加盐酸溶液，如图 3 所示。分别选取边部 柱状晶区试样和中部等轴晶区试样。将试样加工
·56· 成 5 mm × 69 mm 的高温拉伸标准试样。试样 两端加工成 M10 普通螺纹，便于试样的固定。利 用 WL － 015 微机控制电子万能试验机进行 2205 双相不锈钢连铸坯的高温拉伸试验。将试样以 10℃ / s 的升温速度快速加热到不同温度（ 950℃ 、 1 000℃ 、1 050℃ 、1 100℃ 、1 150℃ ） ，保温 60 s 后 以 1 s － 1 的应变速率拉伸，直至断裂。
由于起皮缺陷发生在退火酸洗后的 NO． 1 板 表面，而 在 热 轧 黑 卷 表 面 无 法 发 现。本 文 选 用
2205 双相不锈钢 NO． 1 板作为研究对象，并结合 其冶炼-连 铸-修 磨-加 热-高 压 水 除 鳞-粗 轧-精 轧退火酸洗整个生产工艺，对 2205 双相不锈钢起皮 缺陷采用扫描电镜和能谱分析方法进行观察，并 通过对 2205 不锈钢板坯加热后进行金相组织、板 坯热塑性、热轧板金相组织以及热轧板氧化铁皮 结构的分析，找出该缺陷形成原因，对提高产品质 量将会有重大意义。
%
缺陷部位 wFe
A
41． 48
wCr 27． 97
wNi 0． 51
wMo 0． 63
wMn
wO
2． 27 26． 99
B
67． 52 19． 74 4． 92 3． 13 2． 29 2． 05
从对起皮缺陷的扫描电镜和能谱分析来 看，缺陷处 氧 化 铁 皮 的 成 分 和 形 态 有 明 显 的 差 别。在 A 处，氧化铁皮的氧含量高达 26． 99% ， 因此这里的氧化铁皮是经过了较长时间氧化形 成的［8］，说明 不 是 退 火 酸 洗 过 程 形 成 的 表 层 氧 化铁皮，而 是 热 轧 加 热 过 程 中 形 成 的 咬 入 式 氧 化铁皮； 而 在 B 处，氧 化 铁 皮 很 薄，氧 含 量 相 对 较低（ 2． 05% ） ，为典型的退 火 酸 洗 过 程 形 成 的 表层氧化铁皮。
·55·
图 1 2205 双相不锈钢起皮缺陷照片
图 2 起皮缺陷的表面显微形貌图( SEM)
表 1 为起皮缺陷中 A、B 处的化学成分，从表 1 中可以看出，A 处的 Cr、OBaidu Nhomakorabea的质量分数明显高于 B 处，而 B 处的化学成分基本上与 2205 双相不锈 钢基体化学成分相近，未见异常。
表 1 缺陷区域的化学成分
0 引言 双相不锈钢是一个集优良的耐腐蚀、高强度
和良好的焊接性能等诸多优异性能于一身的钢 种。2205 双相不锈钢作为第二代双相不锈钢，被 广泛 应 用 于 造 纸、石 油 化 工 和 海 洋 工 程 等 领 域［1 － 3］。但是 2205 双相不锈钢在热轧生产过程 中，始终处于两相区，铁素体和奥氏体两相变形不 协调导致热塑性较差［4 － 7］，尤其是 NO． 1 板表面 的缺陷发生率较高，且缺陷经研磨无法去除，严重 影响其推广和应用。
1 缺陷特征及检验分析 1． 1 起皮缺陷形貌
2205 双相不锈钢产生起皮缺陷的方向与带
世界钢铁
钢的轧制方向一致，在 NO． 1 板两边部 200 mm 内 断续出现，中部没有，其尺寸较小，上表面发生较 多，图 1 为 2205 起皮缺陷照片。 1． 2 扫描电镜和能谱分析
图 2 为起皮缺陷的扫描电镜形貌。从图 2 中 可以看出，起皮缺陷处的显微形貌有明显的分层， 而且疏松、不致密，有明显的脱落痕迹。随着放大 倍数的提高，边界处分层更加严重。坑内组织细 小，组 织 呈 颗 粒 状，其 他 部 位 组 织 连 续 呈 片 状 分 布，如图 2（ b） 所示。
Abstract： With regard to the entire production processes of melting-hot rolling-annealing-pickling，the peeling defects on the surface of the cold rolled No． 1 2205 duplex stainless steel plate were analyzed by SEM and EDS ． The results show that the peeling defect is generated actually from the gripped scale during hot rolling and form after annealing and pickling． M icrostructure and thermoplasticity of the slab after heating are analyzed，and the microstructure and scale of hot-rolled plate are also studied． The conclusions are gained that columnar crystal at the edge of 2205 slab and the higher heating temperature w ill affect the thermoplasticity of the slab，leading to appearance of micro-crack at the edge of slab in the course of rolling，and evolve to the gripped scale defect after hot rolling． The defects can be avoided effectively by improving the equiaxial crystal ratio of 2205 duplex stainless steel and controlling the heating temperature under the 1 260℃ ． Key words： 2205 duplex stainless steel； the peeling defect； scale； micro-crack
对 2205 双相不锈钢热轧板边部氧化皮结构 进行观察，如图 7 所示。从图中可以看出，边部 不同部 位 的 氧 化 铁 皮 成 分 和 形 态 有 明 显 的 差 别。红色箭 头 所 指 的 Cr、O 的 质 量 百 分 数 明 显 高于黑色箭头所指处。说明红色箭头所指处的 表层氧化铁皮是热轧加热过程中形成的咬入式 氧化铁皮，这 和 起 皮 缺 陷 处 扫 描 电 镜 能 谱 分 析 方法得出的结论是一致的。黑色箭头所指部位 氧化铁皮为典型的热轧态表层氧化铁皮。在正 常的酸洗 条 件 下，无 法 去 除 咬 入 热 轧 板 基 体 的 氧化铁皮，咬 入 的 氧 化 铁 皮 经 过 退 火 酸 洗 后 便 成为表面起皮缺陷。
选取 2205 双相不锈钢板坯柱状晶区试样，试
2013 年第 3 期
样大小为 20 mm × 20 mm × 20 mm，在 1 220℃ 、 1 240℃ 、1 260℃ 不同温度下保温 20 min 进行加 热处理，处理完后进行水淬。将热处理后的铸坯 试样经预磨、抛光和腐蚀（ 偏重亚硫酸钾 + 盐酸 溶液） 后采用金相显微镜观察金相组织，如图 5 所示。从图片中可以看出，2205 双相不锈钢连铸 板坯试样在 1 220℃ 、1 240℃ 加热温度下，奥氏体 相以块状为主，1 260℃ 时奥氏体晶粒明显变得粗 大。奥氏体组织粗大，热变形时某些部位的铁素 体受到相邻粗大奥氏体的阻碍，这样就容易在奥 氏体和铁素体的晶界形成微裂纹。2205 双相不 锈钢在加热炉的加热温度设定在 1 245 ～ 1 260℃ 之间，由于板坯在加热过程中受加热炉内烧嘴的 布置及气流的影响，板坯边部的温度要高于板坯 设定的加热温度［10］。边部温度达到 1 260℃ 时， 奥氏体晶粒变粗大，导致板坯边部的热塑性比中 部差，在后续热轧过程中边部出现微裂纹。 2． 3 热轧板金相组织
试验后人工测得 2205 双相不锈钢连铸坯的 断面收缩率，如图 4 所示。
图 3 2205 双相不锈钢连铸坯的低倍照片
图 4 断面收缩率随温度的变化曲线
断面收缩率是衡量铸坯塑性好坏的重要指 标，断面收缩率越大，表明铸坯在外力作用下发生 塑性 变 形 的 能 力 越 强，抵 抗 裂 纹 发 生 的 能 力 越 好［9］。从图 4 中可以看出，在 950 ～ 1 150℃ 温度 范围内，2205 双相不锈钢板坯边部试样断面收缩 率都要比中部试样低。中部试样在 950 ～ 1 150℃ 温度范围内，断面收缩率都大于 65% ，表现出热 塑性。边 部 试 样 在 1 050℃ 以 下，热 塑 性 变 差， 950℃ 时断面收缩率最低，为 50． 4% 。 2． 2 边部试样加热后金相组织
Analysis of peeling defect on the surface of 2205 duplex stainless steel
PAN Jixiang，CHEN Xingrun，WANG Jianxin
（ Tianfeng Stainless Steel Co． ，Ltd． ，Jiuquan Iron and Steel Group Corporation，Jiayuguan 735100，Gansu，China）
·54·
世界钢铁
2013 年第 3 期
2205 双相不锈钢表面起皮缺陷分析
潘吉祥，陈兴润，王建新 ( 酒钢集团天风不锈钢有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)
摘要： 对 2205 双相不锈钢冷轧 NO． 1 板表面起皮缺陷进行扫描电镜和能谱分析，并结合其冶炼 － 热轧 － 退火酸洗整个生产工艺，得出： 缺陷的实质是热轧过程中咬入氧化铁皮经过退火酸洗后的表现形 式。通过对 2205 双相不锈钢板坯加热后金相组织、热塑性、热轧板金相组织以及热轧板氧化铁皮结 构的分析，得出： 板坯边部柱状晶的存在以及热轧加热炉加热温度过高会影响材料的热塑性，导致轧 制过程边部出现微裂纹，热轧完成后演变为咬入式氧化铁皮缺陷。提高 2205 双相不锈钢等轴晶率、 控制加热温度在 1 260℃ 以下可以有效避免起皮缺陷的发生。 关键词： 2205 双相不锈钢； 起皮缺陷； 氧化铁皮； 微裂纹 doi： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 9587． 2013． 03． 009
2 起皮缺陷形成机理分析 经过以上对起皮缺陷的分析，判定此缺陷的
实质是热轧过程中咬入的氧化铁皮经过退火酸洗 后的表现形式。奥氏体加铁素体双相组织在赋予 2205 双相不锈钢优异性能的同时也带来了不容 易热轧的缺点。在热轧过程中铁素体和奥氏体两 相的再结晶机制不同，导致两相变形不协调，恶化 了热塑性，容易出现微裂纹。通过对 2205 双相不 锈钢板坯加热后金相组织、板坯热塑性、热轧板金 相组织以及热轧板氧化铁皮结构相关的试验研 究，将进一步分析 2205 双相不锈钢起皮缺陷在热 轧工序形成的原因。 2． 1 热塑性
为了研究 2205 双相不锈钢板坯边部和中部 的热塑性，对铸坯进行低倍组织侵蚀，侵蚀剂为三 氯化铁加盐酸溶液，如图 3 所示。分别选取边部 柱状晶区试样和中部等轴晶区试样。将试样加工
·56· 成 5 mm × 69 mm 的高温拉伸标准试样。试样 两端加工成 M10 普通螺纹，便于试样的固定。利 用 WL － 015 微机控制电子万能试验机进行 2205 双相不锈钢连铸坯的高温拉伸试验。将试样以 10℃ / s 的升温速度快速加热到不同温度（ 950℃ 、 1 000℃ 、1 050℃ 、1 100℃ 、1 150℃ ） ，保温 60 s 后 以 1 s － 1 的应变速率拉伸，直至断裂。
由于起皮缺陷发生在退火酸洗后的 NO． 1 板 表面，而 在 热 轧 黑 卷 表 面 无 法 发 现。本 文 选 用
2205 双相不锈钢 NO． 1 板作为研究对象，并结合 其冶炼-连 铸-修 磨-加 热-高 压 水 除 鳞-粗 轧-精 轧退火酸洗整个生产工艺，对 2205 双相不锈钢起皮 缺陷采用扫描电镜和能谱分析方法进行观察，并 通过对 2205 不锈钢板坯加热后进行金相组织、板 坯热塑性、热轧板金相组织以及热轧板氧化铁皮 结构的分析，找出该缺陷形成原因，对提高产品质 量将会有重大意义。
%
缺陷部位 wFe
A
41． 48
wCr 27． 97
wNi 0． 51
wMo 0． 63
wMn
wO
2． 27 26． 99
B
67． 52 19． 74 4． 92 3． 13 2． 29 2． 05
从对起皮缺陷的扫描电镜和能谱分析来 看，缺陷处 氧 化 铁 皮 的 成 分 和 形 态 有 明 显 的 差 别。在 A 处，氧化铁皮的氧含量高达 26． 99% ， 因此这里的氧化铁皮是经过了较长时间氧化形 成的［8］，说明 不 是 退 火 酸 洗 过 程 形 成 的 表 层 氧 化铁皮，而 是 热 轧 加 热 过 程 中 形 成 的 咬 入 式 氧 化铁皮； 而 在 B 处，氧 化 铁 皮 很 薄，氧 含 量 相 对 较低（ 2． 05% ） ，为典型的退 火 酸 洗 过 程 形 成 的 表层氧化铁皮。
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图 1 2205 双相不锈钢起皮缺陷照片
图 2 起皮缺陷的表面显微形貌图( SEM)
表 1 为起皮缺陷中 A、B 处的化学成分，从表 1 中可以看出，A 处的 Cr、OBaidu Nhomakorabea的质量分数明显高于 B 处，而 B 处的化学成分基本上与 2205 双相不锈 钢基体化学成分相近，未见异常。
表 1 缺陷区域的化学成分
0 引言 双相不锈钢是一个集优良的耐腐蚀、高强度
和良好的焊接性能等诸多优异性能于一身的钢 种。2205 双相不锈钢作为第二代双相不锈钢，被 广泛 应 用 于 造 纸、石 油 化 工 和 海 洋 工 程 等 领 域［1 － 3］。但是 2205 双相不锈钢在热轧生产过程 中，始终处于两相区，铁素体和奥氏体两相变形不 协调导致热塑性较差［4 － 7］，尤其是 NO． 1 板表面 的缺陷发生率较高，且缺陷经研磨无法去除，严重 影响其推广和应用。
1 缺陷特征及检验分析 1． 1 起皮缺陷形貌
2205 双相不锈钢产生起皮缺陷的方向与带
世界钢铁
钢的轧制方向一致，在 NO． 1 板两边部 200 mm 内 断续出现，中部没有，其尺寸较小，上表面发生较 多，图 1 为 2205 起皮缺陷照片。 1． 2 扫描电镜和能谱分析
图 2 为起皮缺陷的扫描电镜形貌。从图 2 中 可以看出，起皮缺陷处的显微形貌有明显的分层， 而且疏松、不致密，有明显的脱落痕迹。随着放大 倍数的提高，边界处分层更加严重。坑内组织细 小，组 织 呈 颗 粒 状，其 他 部 位 组 织 连 续 呈 片 状 分 布，如图 2（ b） 所示。
Abstract： With regard to the entire production processes of melting-hot rolling-annealing-pickling，the peeling defects on the surface of the cold rolled No． 1 2205 duplex stainless steel plate were analyzed by SEM and EDS ． The results show that the peeling defect is generated actually from the gripped scale during hot rolling and form after annealing and pickling． M icrostructure and thermoplasticity of the slab after heating are analyzed，and the microstructure and scale of hot-rolled plate are also studied． The conclusions are gained that columnar crystal at the edge of 2205 slab and the higher heating temperature w ill affect the thermoplasticity of the slab，leading to appearance of micro-crack at the edge of slab in the course of rolling，and evolve to the gripped scale defect after hot rolling． The defects can be avoided effectively by improving the equiaxial crystal ratio of 2205 duplex stainless steel and controlling the heating temperature under the 1 260℃ ． Key words： 2205 duplex stainless steel； the peeling defect； scale； micro-crack
对 2205 双相不锈钢热轧板边部氧化皮结构 进行观察，如图 7 所示。从图中可以看出，边部 不同部 位 的 氧 化 铁 皮 成 分 和 形 态 有 明 显 的 差 别。红色箭 头 所 指 的 Cr、O 的 质 量 百 分 数 明 显 高于黑色箭头所指处。说明红色箭头所指处的 表层氧化铁皮是热轧加热过程中形成的咬入式 氧化铁皮，这 和 起 皮 缺 陷 处 扫 描 电 镜 能 谱 分 析 方法得出的结论是一致的。黑色箭头所指部位 氧化铁皮为典型的热轧态表层氧化铁皮。在正 常的酸洗 条 件 下，无 法 去 除 咬 入 热 轧 板 基 体 的 氧化铁皮，咬 入 的 氧 化 铁 皮 经 过 退 火 酸 洗 后 便 成为表面起皮缺陷。
选取 2205 双相不锈钢板坯柱状晶区试样，试
2013 年第 3 期
样大小为 20 mm × 20 mm × 20 mm，在 1 220℃ 、 1 240℃ 、1 260℃ 不同温度下保温 20 min 进行加 热处理，处理完后进行水淬。将热处理后的铸坯 试样经预磨、抛光和腐蚀（ 偏重亚硫酸钾 + 盐酸 溶液） 后采用金相显微镜观察金相组织，如图 5 所示。从图片中可以看出，2205 双相不锈钢连铸 板坯试样在 1 220℃ 、1 240℃ 加热温度下，奥氏体 相以块状为主，1 260℃ 时奥氏体晶粒明显变得粗 大。奥氏体组织粗大，热变形时某些部位的铁素 体受到相邻粗大奥氏体的阻碍，这样就容易在奥 氏体和铁素体的晶界形成微裂纹。2205 双相不 锈钢在加热炉的加热温度设定在 1 245 ～ 1 260℃ 之间，由于板坯在加热过程中受加热炉内烧嘴的 布置及气流的影响，板坯边部的温度要高于板坯 设定的加热温度［10］。边部温度达到 1 260℃ 时， 奥氏体晶粒变粗大，导致板坯边部的热塑性比中 部差，在后续热轧过程中边部出现微裂纹。 2． 3 热轧板金相组织
试验后人工测得 2205 双相不锈钢连铸坯的 断面收缩率，如图 4 所示。
图 3 2205 双相不锈钢连铸坯的低倍照片
图 4 断面收缩率随温度的变化曲线
断面收缩率是衡量铸坯塑性好坏的重要指 标，断面收缩率越大，表明铸坯在外力作用下发生 塑性 变 形 的 能 力 越 强，抵 抗 裂 纹 发 生 的 能 力 越 好［9］。从图 4 中可以看出，在 950 ～ 1 150℃ 温度 范围内，2205 双相不锈钢板坯边部试样断面收缩 率都要比中部试样低。中部试样在 950 ～ 1 150℃ 温度范围内，断面收缩率都大于 65% ，表现出热 塑性。边 部 试 样 在 1 050℃ 以 下，热 塑 性 变 差， 950℃ 时断面收缩率最低，为 50． 4% 。 2． 2 边部试样加热后金相组织