因瓦合金是一種在230 ℃（居里溫度）以下具有很低的膨脹系數,且熱膨脹系數隨外部溫度的變化幾乎不變的合金[1-3]。這類合金為面心立方結構,具有反常的力學和磁性能,主要用于制造液化天然氣(LNG)船、彩色電視的陰罩、測溫計、測距儀、塊規、重力儀構件等[4]。 

采用電弧爐（EAF）→真空精煉爐（VOD）→鋼包精煉爐（LF）→模鑄→開坯→熱連軋→冷軋→退火的工藝流程生產4J36因瓦合金,退火后,冷軋卷板表面出現熱擦疤缺陷。筆者采用一系列理化檢驗方法對熱擦疤缺陷的產生原因進行分析,結果可為進一步改善冷軋卷板的表面質量,更好地理解和認識4J36因瓦合金的生產積累數據和經驗。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

冷軋卷板的短線狀熱擦疤缺陷呈斷斷續續狀分布在冷軋卷帶表面,位置隨機,且無明顯規律,冷卷表面熱擦疤缺陷宏觀形貌如圖1所示。 

圖  1  冷卷表面熱擦疤缺陷宏觀形貌

1.2   金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析

在熱擦疤缺陷處截取試樣,對試樣進行掃描電鏡和能譜分析,結果如圖2所示。由圖2可知：缺陷處表面可見明顯的翹皮,有的地方翹皮已經脫落,缺陷處無其他雜質元素。 

圖  2  冷卷表面熱擦疤缺陷SEM形貌及能譜分析結果

在酸洗前黑皮卷橫截面上截取金相試樣,用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣,結果如圖3所示。由圖3可知：黑線為兩個試樣堆疊的接觸面,氧化層前沿呈波浪狀,與合金基體接觸,深淺不一,氧化深度最深處約100 μm,氧化層為深灰色的氧化物,在基體中呈不連續分布。 

圖  3  熱軋黑皮卷表面內氧化層微觀形貌及SEM形貌

能譜分析位置1,2,3處的化學成分如表1所示。由表1可知：分析位置1處的成分只由Fe、Ni兩種元素組成,顏色與基體相同,但含量不同；分析位置2,3處主要由Fe的氧化物以及少量的Ni的氧化物組成。 

在酸洗后白皮卷表面截取試樣,用掃描電鏡對試樣進行分析,結果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面呈珊瑚狀,能譜分析結果表明表面成分為Fe元素和Ni元素,質量分數分別為23%和76%,與圖3b）中分析位置1處的成分相似,判斷為酸洗后殘留的FeNi3。將試樣沿表面方向研磨后,發現底部有氧化物,在氧化物處取橫向截面試樣,發現珊瑚狀FeNi3底部仍有未酸洗掉的氧化物,經能譜分析,得到其成分為O、Fe、Ni元素,質量分數分別為20%、60%和19%。 

圖  4  熱軋白皮卷表面SEM形貌

1.3   X射線衍射分析

對內氧化層進行X射線衍射分析,結果如圖5所示。由XRD結果可以判斷物相1為FeNi3,物相2,3主要為Fe3O4和FeO等氧化物,Fe3O4和FeO等氧化物呈島狀分布在FeNi3基體中。 

圖  5  內氧化層物相XRD分析結果

2.   綜合分析

4J36因瓦合金的成分比較簡單,Cr、Si、Al等提高材料耐氧化性的合金元素含量較少,坯料在加熱爐和保溫的過程中發生選擇性氧化[5],表面形成較厚的外氧化層和內氧化層,但由于外氧化層與合金基體的熱膨脹系數不同,導致其在冷卻過程中與合金基體分離脫落,熱軋卷經退火、噴丸、酸洗工序后,外氧化層已去除,檢驗時沒有發現殘留的外氧化層。在實驗室模擬冷板現場退火狀態下的氧化情況,在加熱爐中加熱到950 ℃,保溫2 min后,對橫截面進行檢驗,發現內氧化層厚度已經達到15 μm左右,可見該合金的氧化速率較快。模擬冷板現場退火狀態氧化試驗試樣SEM形貌如圖6所示。 

圖  6  模擬冷板現場退火狀態氧化試驗試樣SEM形貌

由金屬氧化的氧勢圖可知,Fe元素與O元素的親和力大于Ni元素與O元素的親和力。由于Fe、Ni元素與O元素的親和力不同,導致Fe元素優先與O元素發生反應,即發生選擇性氧化[6-8]。由熱軋黑皮卷的橫截面內氧化層的金相檢驗和掃描電鏡分析結果可知,內氧化層的氧化物主要是Fe的氧化物,含有少量的Ni元素,隨著合金中的Fe元素被逐漸氧化,原基體中的Ni元素會逐漸富集,根據Fe-Ni二元系相圖可知,合金基體會由Fe3Ni2轉變為FeNi3,此時的Ni元素含量可高達80%,并且隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長,外氧化層和內氧化層的厚度都會不斷增加[9-11]。 

白皮卷經酸洗后可見珊瑚狀的FeNi3基體,隨著酸洗的進行,內氧化層底部酸液的濃度會逐漸降低,再加上此時基體中的Ni元素質量分數已高達80%,耐腐蝕性比原基體增強了許多,使新的酸液不能接觸到內氧化層的底部,氧化物不能被酸洗干凈。這就導致了酸洗后的白皮卷看起來表面已酸洗干凈,但實際次表面還有殘留的氧化物未被酸洗掉,隨著后續冷軋退火工序的進行,合金延展后底部殘留的氧化物暴露出來,在冷軋卷板表面形成熱擦疤缺陷。 

3.   結論與建議

（1）冷卷表面的熱擦疤缺陷是由坯料加熱時產生的氧化物在后續的加工過程中沒有去除干凈并殘留在表面造成的。 

（2）酸洗后殘留了珊瑚狀的FeNi3基體,Ni元素質量分數可高達80%,使材料的耐腐蝕性增強,且FeNi3基體不能被酸洗掉,使新的酸液不能接觸到內氧化層的底部,導致氧化物不能被酸洗干凈。 

（3）該合金氧化速率快,內氧化層難以去除。建議：① 生產中通過采用對坯料噴涂防氧化涂層、降低坯料加熱溫度、縮短坯料加熱時間、降低卷取溫度等措施來減小氧化層的厚度,以減少熱擦疤缺陷；② 增加酸洗的酸液濃度,并在酸洗后對表面進行修磨,以去除殘留的氧化物,消除熱擦疤缺陷；③ 采用保護氣氛對坯料進行加熱來避免氧化,消除熱擦疤缺陷。 

文章來源——材料與測試網