因瓦合金是一種在230 ℃（居里溫度）以下具有很低的膨脹系數(shù),且熱膨脹系數(shù)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(jié)構(gòu),具有反常的力學(xué)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(jì)、測距儀、塊規(guī)、重力儀構(gòu)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(chǎn)4J36因瓦合金,退火后,冷軋卷板表面出現(xiàn)熱擦疤缺陷。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對熱擦疤缺陷的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,結(jié)果可為進(jìn)一步改善冷軋卷板的表面質(zhì)量,更好地理解和認(rèn)識4J36因瓦合金的生產(chǎn)積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

冷軋卷板的短線狀熱擦疤缺陷呈斷斷續(xù)續(xù)狀分布在冷軋卷帶表面,位置隨機(jī),且無明顯規(guī)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(yàn)、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(jìn)行掃描電鏡和能譜分析,結(jié)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(jīng)脫落,缺陷處無其他雜質(zhì)元素。 

圖  2  冷卷表面熱擦疤缺陷SEM形貌及能譜分析結(jié)果

在酸洗前黑皮卷橫截面上截取金相試樣,用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：黑線為兩個(gè)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(xù)分布。 

圖  3  熱軋黑皮卷表面內(nèi)氧化層微觀形貌及SEM形貌

能譜分析位置1,2,3處的化學(xué)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(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣表面呈珊瑚狀,能譜分析結(jié)果表明表面成分為Fe元素和Ni元素,質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fā)現(xiàn)底部有氧化物,在氧化物處取橫向截面試樣,發(fā)現(xiàn)珊瑚狀FeNi3底部仍有未酸洗掉的氧化物,經(jīng)能譜分析,得到其成分為O、Fe、Ni元素,質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(nèi)氧化層進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果如圖5所示。由XRD結(jié)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(nèi)氧化層物相XRD分析結(jié)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(fā)生選擇性氧化[5],表面形成較厚的外氧化層和內(nèi)氧化層,但由于外氧化層與合金基體的熱膨脹系數(shù)不同,導(dǎo)致其在冷卻過程中與合金基體分離脫落,熱軋卷經(jīng)退火、噴丸、酸洗工序后,外氧化層已去除,檢驗(yàn)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)殘留的外氧化層。在實(shí)驗(yàn)室模擬冷板現(xiàn)場退火狀態(tài)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(jìn)行檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)內(nèi)氧化層厚度已經(jīng)達(dá)到15 μm左右,可見該合金的氧化速率較快。模擬冷板現(xiàn)場退火狀態(tài)氧化試驗(yàn)試樣SEM形貌如圖6所示。 

圖  6  模擬冷板現(xiàn)場退火狀態(tài)氧化試驗(yàn)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(dǎo)致Fe元素優(yōu)先與O元素發(fā)生反應(yīng),即發(fā)生選擇性氧化[6-8]。由熱軋黑皮卷的橫截面內(nèi)氧化層的金相檢驗(yàn)和掃描電鏡分析結(jié)果可知,內(nèi)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(jù)Fe-Ni二元系相圖可知,合金基體會由Fe3Ni2轉(zhuǎn)變?yōu)镕eNi3,此時(shí)的Ni元素含量可高達(dá)80%,并且隨著加熱溫度的升高和加熱時(shí)間的延長,外氧化層和內(nèi)氧化層的厚度都會不斷增加[9-11]。 

白皮卷經(jīng)酸洗后可見珊瑚狀的FeNi3基體,隨著酸洗的進(jìn)行,內(nèi)氧化層底部酸液的濃度會逐漸降低,再加上此時(shí)基體中的Ni元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)已高達(dá)80%,耐腐蝕性比原基體增強(qiáng)了許多,使新的酸液不能接觸到內(nèi)氧化層的底部,氧化物不能被酸洗干凈。這就導(dǎo)致了酸洗后的白皮卷看起來表面已酸洗干凈,但實(shí)際次表面還有殘留的氧化物未被酸洗掉,隨著后續(xù)冷軋退火工序的進(jìn)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(jié)論與建議

（1）冷卷表面的熱擦疤缺陷是由坯料加熱時(shí)產(chǎn)生的氧化物在后續(xù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)可高達(dá)80%,使材料的耐腐蝕性增強(qiáng),且FeNi3基體不能被酸洗掉,使新的酸液不能接觸到內(nèi)氧化層的底部,導(dǎo)致氧化物不能被酸洗干凈。 

（3）該合金氧化速率快,內(nèi)氧化層難以去除。建議：① 生產(chǎn)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(shí)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(jìn)行修磨,以去除殘留的氧化物,消除熱擦疤缺陷；③ 采用保護(hù)氣氛對坯料進(jìn)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(wǎng)