1. 引言
在不锈钢材料发展的百年历史中，奥氏体不锈钢生产量和使用量占不锈钢总产量及用量的70%以上，304不锈钢作为奥氏体不锈钢家族中重要的一员，因其具有良好的耐蚀性(特别是耐浓酸、强碱腐蚀环境方面有优良的性能)、耐高温、优良的力学性能、冲压、弯曲等热加工性能，使得304不锈钢大量地用于石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业。304不锈钢在我国标准代号为1Cr18Ni9不锈钢，又称18/8不锈钢，是一种传统不锈钢 [1] ，美国ASTM、日本JISG标准体系针对304不锈钢棒材、型材、板材、带材的生产制备均有成熟的生产工艺，我国也有相应的国标与之对照 [2] 。
2012年，受国际形式影响，我国大多数民营企业转型生产304不锈钢，工艺路线为：电弧炉(中频炉)熔炼 + AOD + 连铸连轧。某企业所生产的304不锈钢热轧棒表面有黑色线层，酸洗后仍然存在，经打磨后，发现有气孔和微裂纹，导致产品成批报废。
针对企业在生产中出现的问题，课题组分析了黑色线层的夹杂物，微观组织、合金元素分布等，通过与基体对比分析，找出黑色线层及缺陷产生的原因，采用控制连铸坯质量稳定性等手段，所生产的热轧棒质量全部合格，提高产品成材率。
2. 样品基本情况介绍
企业生产的304不锈钢线材表面出现黑线，线材规格及种类见表1，生产工艺为20 T中频炉熔炼 + 10 T冷料(高铬、高镍铁、304不锈钢) + 30TAOD + 中间包 + 连铸坯 + 连轧，所生产的304热轧棒表面有黑色层，酸洗后仍然存在，经打磨后，发现有气孔和微裂纹，导致产品成批报废，宏观形貌见图1。从图1可以看出，不同直径的试样上面都存在黑线，黑线放大后可以看出有沟槽，有些黑线都是连续和贯穿整个长度的，而且黑线不止一个，尺寸粗细不一。1#试样为φ20 mm的圆棒，其沟槽宽度最大。而其他3个φ5.5 mm的圆棒上面的黑线相对较细，从外表面未发现折叠现象。
Table 1. The description of sample appearance
表1. 试样外观说明
Figure 1. The Macroscopic appearance of black line defect
图1. 黑线缺陷宏观形貌
3. 能谱分析
能谱是材料或组织分析的常用手段，为考察黑线区域的成分与其它部位成分上是否存在差异，对4个试样黑线(沟槽部位)和基体部位分别进行了能谱分析，分析结果见图2~图5，1#沟槽部位与平整部位的能谱分析两者成分接近，组织形貌接近。
2#试样宽槽及平整部位进行能谱分析见图3，各部位成分、形貌基本一致。
3#、4#试样宽槽及平整部位进行能谱分析，各部位成分、形貌基本一致。形貌见图4、图5。
(a) 
(b)
Figure 2. The Sample energy spectrum analysis (a groove position; b flatting position)
图2. 1#试样能谱分析(a沟槽部位；b样平整部位)
(a) (b)
Figure 3. The Sample energy spectrum analysis (a groove position; b flatting position)
图3. 3#试样能谱分析(a沟槽部位；b样平整部位)
(a) 
(b)
Figure 4. The Sample energy spectrum analysis (a groove position; b flatting position)
图4. 3#试样能谱分析(a沟槽部位；b样平整部位)
(a) 
(b)
Figure 5. The Sample energy spectrum analysis (a groove position; b flatting position)
图5. 4#试样能谱分析(a沟槽部位；b样平整部位)
从能谱分析结果来看，沟槽部位与平整部位的主要成分差异不大，组织形貌接近。为了更直观地对比沟槽部位与平整部位成分的差异，对1#、4#两个试样进行了线扫描能谱分析，图6、图7。1#试样左侧颜色较深部位是沟槽部位，而右侧是平整部位。从图6可以看出，Fe、Cr、Ni、Mn核心元素的成分分布基本均匀，而Si、O在个别部位的存在富集。如Si、O在平整部位富集，存在重叠现象，表明这些部位可能有硅酸盐存在。
4#试样中中间部位颜色稍深的部分是沟槽部位，两侧颜色较浅的部分则是平整部位。从图7可以看出，与1#试样的线扫描结果一样，Fe、Cr、Ni、Mn核心元素的成分分布基本均匀，而Ca、Si、O在平整部位的个别位置存在富集。
线扫描的结果表明，在沟槽即黑线部位不存在夹杂物的富集。
Figure 6. The Line scanning energy spectrum analysis of 1# Sample
图6. 1#试样线扫描能谱分析
Figure 7. The Line scanning energy spectrum analysis of 4# Sample
图7. 4#试样线扫描能谱分析
4. 微观组织分析
4.1. 夹杂物分析
图8为1~4#试样的夹杂物形貌，夹杂物为黑色颗粒相，呈球形弥散分布。1#试样的夹杂物尺寸最大，但不超过10 μm；随着变形程度增加，夹杂物尺寸减小，2#、3#及4#试样中的最大尺寸夹杂物月6 μm左右。与肉眼可见的黑线相比，夹杂物要细小的多，夹杂物是非连续的颗粒状，与黑线连续的线状不同。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 8. The Inclusion morphology(a 1#, b 2#, c 3#, d 4#)
图8. 夹杂物形貌(a 1#, b 2#, c 3#, d 4#)
4.2. 组织分析
试样经不同粒度的砂纸打磨并抛光后，采用王水腐蚀，金相组织如图9所示，1~4#试样基体组织为奥氏体，在奥氏体中存在孪晶组织。组织中的黑色颗粒相为夹杂物。金相组织中未发现碳化物。
5. 结论
1) 黑线(沟槽)部位的组织、成分与平整部位没有明显差异，不会产生成分偏析和析出物。
2) 宏观黑线是通条连续的，试样中的夹杂物弥散分布且尺寸细小，因此从黑色沟槽的连续性分布以及存在方向，可以确定夹杂物并不是产生表面缺陷的直接原因，而是由连铸棒坯在轧制过程中受力形成的拉痕，拉痕的形成通常由外部的缺陷或润滑不良引起。
3) 课题组在跟踪生产流程发现，由于当时气温较高，粘在连铸坯表面的保护渣细小颗粒没有完全脱落，由于反复热轧所产生大量的黑线及裂纹。
(a) (b)
(c) (d)
Figure 9. The Microstructure (a 1#, b 2#, c 3#, d 4#)
图9. 组织形貌(a 1#, b 2#, c 3#, d 4#)
4) 为有效脱除连铸坯表面的保护渣细小颗粒，企业在连铸工艺中增加冷却水流强度，加大冷却速度，连铸坯表面质量得到有效保证，所生产的热轧棒质量全部合格。