硬線軋斷及產(chǎn)品表面飛皮原因分析

王紹斌　彭雄　肖亞　汪濤　張麗萍

摘要：采用掃描電鏡、EDS能譜及金相分析手段，分析討論了硬線鋼在軋制過程中斷裂及產(chǎn)品表面產(chǎn)生飛皮缺陷的原因及控制方法。分析結(jié)果表明：軋斷是由硅酸鹽及硫化錳夾雜造成，飛皮是由塑性較好的鐵錳硅酸鹽復(fù)合相造成，二者均與精煉脫氧后鋼水中未充分排出的夾雜物有關(guān)。實(shí)際生產(chǎn)中，可通過控制鋼中夾雜物的數(shù)量及尺寸，從而減少軋斷和飛皮的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：硬線；軋斷；飛皮；硅酸鹽夾雜

中圖分類號：TG356.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）14-05-02

前言

高速線材產(chǎn)品中，一般將45鋼以上的優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條俗稱為硬線。硬線具有超高強(qiáng)度與硬度，是冷拔鋼絲的原材料，被廣泛用作生產(chǎn)低松弛應(yīng)力鋼絲、鋼絲繩、鋼絞線、彈簧鋼絲、鍍鋅鋼絲等拉拔產(chǎn)品，是高線產(chǎn)品中生產(chǎn)難度較大的一類產(chǎn)品。為滿足下游用戶使用，優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條不僅要求高強(qiáng)度與高硬度，而且要求具備優(yōu)良的拉拔性能，而線材表面質(zhì)量的好壞正是影響線材拉拔性能和冷鐓性能的重要因素。表面質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生，如結(jié)疤、飛皮、龜裂等在后續(xù)拉拔過程中還容易形成應(yīng)力集中產(chǎn)生脆斷，造成人身安全事故。

另外，高速線材具有軋制速度快（一般70～120m/s），軋制自動化程度高等特點(diǎn)。若在軋制過程中，尤其是精軋機(jī)組間出現(xiàn)中間料型斷裂（即軋斷），將很大程度影響生產(chǎn)節(jié)奏，而且對設(shè)備損傷較大。本文通過實(shí)驗(yàn)手段，對重鋼日常生產(chǎn)中出現(xiàn)“軋斷”及“飛皮”的原因作了詳盡分析，對硬線盤條的生產(chǎn)及質(zhì)量控制具有一定借鑒意義。

1軋斷及飛皮形貌特征

軋斷是指鋼坯在軋制過程中出現(xiàn)斷裂的一類事故。由于坯料到達(dá)精軋機(jī)組間的已變形程度最大，鑄坯缺陷最容易暴露，因此軋斷事故一般多發(fā)生在精軋機(jī)組間。精軋機(jī)組一旦出現(xiàn)軋斷事故，若處理不及時，便會在精軋機(jī)組箱體內(nèi)軋成造成大量堆鋼，事后不僅處理困難而且影響生產(chǎn)節(jié)奏，甚至有燙壞輥環(huán)造成設(shè)備事故的可能，對生產(chǎn)的影響極大。

飛皮是軋后成品出現(xiàn)的一種表面質(zhì)量缺陷。從外觀上看，飛皮像貼在成品表面的一塊疤殼，疤殼表面積較大，但層片很薄，具有較大比表面積。疤殼一般呈開口狀，撬開疤殼，其根部與基體相連，更像一塊一端粘貼在成品表面的薄皮，因此現(xiàn)場技術(shù)人員將其形象地稱為“飛皮”。飛皮一般隨機(jī)出現(xiàn)在產(chǎn)品表面，大小及其出現(xiàn)的位置基本無規(guī)律可循。飛皮的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致硬線在后續(xù)拉拔過程中脆斷，導(dǎo)致生產(chǎn)連續(xù)性中斷，甚至帶來人身安全事故。因此，成品產(chǎn)生飛皮往往直接導(dǎo)致廢品的產(chǎn)生，對生產(chǎn)廠造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2取樣及分析方法

2.1軋斷取樣及檢測

在軋斷部位取樣（保留斷頭），取樣后迅速包裹，防止斷口受到污染。隨后通過掃描電鏡觀察斷口形貌，并通過能譜分析斷口不同部位的化學(xué)成分。

2.2飛皮取樣及檢測

在飛皮部位取樣（保留飛皮缺陷），取樣后迅速包裹，隨后通過掃描電鏡觀察飛皮具體形貌，并通過能譜分析斷口不同部位的化學(xué)成分。最后在飛皮部位將試樣沿軋制方向及橫斷面方向進(jìn)行縱向剖分及橫向剖分，制取金相試樣，觀察剖分?jǐn)嗝娴奈⒂^形貌及夾雜物情況。

3結(jié)果分析

3.1軋斷檢測結(jié)果分析

軋斷試樣斷口掃描照片見圖1。

由圖可以看出，斷口處未發(fā)現(xiàn)明顯韌窩，呈脆性撕裂狀斷口形貌，表明軋斷是由脆性斷裂引起。而硬線在軋制過程中，承受三向壓應(yīng)力，只有內(nèi)部存在塑性極差的異類夾雜或鑄坯裂紋缺陷方可導(dǎo)致脆斷。仔細(xì)觀察斷口，斷口邊緣形貌與其它地方明顯不同，邊緣處出現(xiàn)大片團(tuán)絮狀聚合物，外形不規(guī)則，初步判斷為某異類夾雜物。

用EDS能譜測定團(tuán)絮狀聚合物的化學(xué)成分并與斷口其它部位進(jìn)行對比，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，團(tuán)絮狀聚合物Si、S、Mn、O含量偏高，而斷口下端與之對比的地方，Si、S等元素含量均正常，由此判斷團(tuán)絮狀聚合物為硅酸鹽與硫化錳夾雜的混合物。硅酸鹽（C類）與硫化錳夾雜（A類）具有較好塑性，軋制過程中會隨著基體被拉長，當(dāng)坯料到達(dá)精軋機(jī)組間時，巨大的縱向變形致使塑性夾雜物拉長演變成縱向微裂紋，在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋尖端產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI達(dá)到材料的斷裂韌度KIC時，裂紋迅速失穩(wěn)產(chǎn)生脆斷，從而導(dǎo)致軋斷事故的發(fā)生。斷口處團(tuán)絮狀聚合物，說明了硅酸鹽與硫化錳夾雜的存在，從而分析軋斷事故的產(chǎn)生與此類夾雜物相關(guān)。

3.2飛皮檢測結(jié)果分析

運(yùn)用掃描電鏡及能譜分析，觀察飛皮缺陷的具體形貌，將飛皮部位與飛皮下方正?；w部位的化學(xué)成分進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，飛皮部位Si含量為1.12%，Mn含量為0.95%，而飛皮下方覆蓋的正?；wSi含量則為0.46%，未發(fā)現(xiàn)Mn?？梢?，飛皮處Si、Mn含量明顯高于正常部位。由此分析，飛皮是由塑性較好的硅酸鹽夾雜變形而來（含鐵錳硅酸鹽復(fù)合相的表皮）。

正是由于這種在軋制過程中暴露在基體表面的硅酸鹽夾雜物與基體的變形能力不一致，軋后冷卻的線收縮系數(shù)也不一致，造成了成品表面的翹皮（即飛皮）現(xiàn)象。

在飛皮處對試樣沿垂直于軋向的橫斷面方向及軋制方向進(jìn)行橫向剖分與縱向剖分，觀察橫斷面與縱斷面的微觀組織及夾雜情況，結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，成品組織由索氏體構(gòu)成，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。但在橫、縱斷面均發(fā)現(xiàn)有夾雜物，如圖4a橫斷面視場中的“小黑點(diǎn)”，圖4b縱斷面視場中的“白色細(xì)線”。經(jīng)檢測分析，“白色細(xì)線”是鑄坯中的硅酸鹽夾雜在軋制過程中產(chǎn)生巨大縱向變形拉長后的形貌，“小黑點(diǎn)”是夾雜物被拉長后的端頭，從而更進(jìn)一步證實(shí)了圖3的分析結(jié)果。

3.3軋斷及飛皮控制

通過以上分析，軋斷是由硅酸鹽與硫化錳夾雜造成，飛皮是由鐵錳硅酸鹽復(fù)合相造成，二者均與硅酸鹽、硫化錳等塑性夾雜有關(guān)，因此應(yīng)當(dāng)對鑄坯中塑性夾雜物的數(shù)量及尺寸加以控制。影響鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸的重要因素是T[O]，此類夾雜物（低熔點(diǎn)）變形性能好，對硬線產(chǎn)品的拉拔性能相對B類、D類等硬質(zhì)顆粒夾雜物的影響更小，從某種意義講塑性夾雜物對硬線鋼的生產(chǎn)更有利。

高熔點(diǎn)高硬度類夾雜物（如A1203）將對硬線鋼的拉拔性能造成極其惡劣的影響，因此為了控制A1₂O₃類夾雜物的含量，硬線鋼冶煉時一般不采用Al脫氧，而采用Si-Mn復(fù)合脫氧。因此在控制高硬難熔夾雜的同時，也就無形增加了塑性夾雜的數(shù)量。

從夾雜物定量分析，隨著精煉過程的進(jìn)行，夾雜物的數(shù)量呈大幅降低趨勢，因此應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮精煉對夾雜物的去除功能，減少塑性夾雜物的數(shù)量及尺寸，避免坯料在軋制過程中斷裂及出現(xiàn)大塊飛皮。

硬線鋼中夾雜物主要有MnS、MnO-Al₂O₃-SiO₂和CaO-Al₂O₃-SiO₂三種類型，本文分析到的造成軋斷及飛皮的硅酸鹽、硫化錳及鐵錳復(fù)合相夾雜主要是鋼水脫氧后未充分排出的脫氧合金形成的夾雜物。

因此，硬線鋼冶煉在采用Si-Mn脫氧、SiC擴(kuò)散脫氧低堿度低Al₂O₃頂渣精煉技術(shù)控制鋼中T[O]和[Al]s，控制鋼中夾雜物數(shù)量和尺寸的同時，還應(yīng)采用精煉后吹A(chǔ)r軟攪拌技術(shù)，合理控制攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)夾雜物聚集長大并上浮。

鋼水出爐澆鑄過程中應(yīng)當(dāng)采用較大容量的中間包，合理控制中間包內(nèi)鋼水的深度，并合理控制中間包擋墻結(jié)構(gòu)及中間包內(nèi)的覆蓋劑，進(jìn)一步促使夾雜物上浮。

鑄坯凝固過程中還應(yīng)采用電磁攪拌技術(shù)，進(jìn)一步分散細(xì)化夾雜。

4結(jié)論

（1）EDS能譜分析，脆斷是因?yàn)楣杷猁}及硫化錳夾雜在軋制過程中演變成縱向微裂紋后，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下迅速失穩(wěn)而產(chǎn)生。

（2）飛皮是軋制后暴露在基體表面的鐵錳復(fù)合相硅酸鹽與基體的變形能力及冷卻收縮系數(shù)不一致，從而導(dǎo)致成品表面翹皮的一樣現(xiàn)象。

（3）導(dǎo)致軋斷及飛皮成因的硅酸鹽、硫化錳及鐵錳復(fù)合相硅酸鹽主要與脫氧后未充分排出的脫氧合金有關(guān)。硬線鋼冶煉應(yīng)當(dāng)采用Si-Mn脫氧、SiC擴(kuò)散脫氧、低堿度低Al₂O₃頂渣精煉等技術(shù)，控制鋼中夾雜物的數(shù)量和尺寸。精煉后應(yīng)采用吹A(chǔ)r軟攪拌，大容量中間包并合理控制中間包內(nèi)鋼水深度、中間包擋墻結(jié)構(gòu)及中間包覆蓋劑等技術(shù)促使夾雜物上浮。鑄坯凝固過程中還應(yīng)采用電磁攪拌，進(jìn)一步分散細(xì)化夾雜物。