焊絲鍍銅不良影響因素探討及工藝改善

牛治凱，孫 誠

（五礦營口中板有限責任公司，遼寧 營口 115005）

CO2氣體保護實芯焊絲具有焊接效率高、焊接成本低和焊縫質(zhì)量好等優(yōu)點，廣泛應用于橋梁、鍋爐、船舶、車輛制造以及各類工程機械行業(yè)。五礦營口中板有限責任公司（簡稱五礦營鋼） 生產(chǎn)的ER70S-6 焊接用盤條憑借著穩(wěn)定的力學性能、良好的拉拔、焊接性能及較高的性價比，廣泛應用于國內(nèi)外焊絲生產(chǎn)廠家。

近年來，鑒于環(huán)境保護的需求，焊絲生產(chǎn)企業(yè)正逐漸淘汰之前普遍使用的對環(huán)境產(chǎn)生污染的酸洗生產(chǎn)工藝。通過技術(shù)改造，采用清潔的機械剝殼生產(chǎn)新工藝。工藝更新后，用戶反饋盤條表面氧化鐵皮去除不凈，粗拉拔后中間絲表面存在塊或線狀氧化鐵皮，鍍銅后焊絲發(fā)暗、發(fā)黑，需重新返工，造成大量人力、物料消耗。為改善焊絲使用效果，五礦營鋼對盤條進行檢驗，分析盤條氧化鐵皮去除不凈的影響因素，并對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化。重新供貨后，焊絲鍍銅不良得到有效控制。

1 鍍銅不良原因分析及攻關(guān)

1.1 焊絲色差問題分析

五礦營鋼生產(chǎn)的焊絲鋼在使用過程中接到用戶反饋，部分焊絲鍍銅后出現(xiàn)成品焊絲發(fā)暗、發(fā)黑情況。對于鍍銅不良產(chǎn)生的焊絲，用戶需進行重新鍍銅方可達到標準，造成大量人力、物料消耗。

針對用戶提出問題，通過現(xiàn)場跟蹤發(fā)現(xiàn)，由于取消離線酸洗或在線酸洗工藝，在完全機械剝殼工藝下盤條粗拉拔由Φ5.5 mm 拉至Φ2.2 mm，中間絲表面存在黑線（見圖1）。

圖1 粗拉后中間絲

在中間絲取樣，對黑線和正常部位進行檢驗，見圖2、圖3。通過對比分析，確認黑線部位為殘留的氧化鐵皮。

圖2 中間絲黑線部位圖片

圖3 中間絲電鏡譜圖

分析原因主要是在原工藝下，殘留的氧化鐵皮可通過酸洗去除，新拉拔工藝由于取消酸洗，部分氧化鐵皮去除不凈，殘余的氧化鐵皮與正常基體電導率不同，影響焊絲鍍銅效果，導致焊絲表面出現(xiàn)色差問題[1]。

1.2 加熱工藝優(yōu)化

氧化鐵皮的生成一般是由于鋼坯在加熱爐內(nèi)或高溫狀態(tài)下與氧化性氣氛接觸后發(fā)生化學反應生成的一種Fe3O4、Fe2O3、FeO 混合物[2]。其形成過程主要表現(xiàn)為氧和鐵兩種元素相互擴散，氧由表面向鐵的內(nèi)部擴散，鐵向外部擴散。

焊絲鋼含w（Si）較高（0.80%～1.00%），在加熱爐氣氛條件下，形成的液態(tài)Fe2SiO4 相難以去除。在溫度t≤1 150 ℃時，Si 元素對氧化有阻礙作用；在溫度t＞1 150 ℃時，形成難以去除的FeO-Fe2SiO4相。據(jù)李舒笳等人研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2SiO4在高線多道次軋制及用戶多道次拉拔后具有遺傳性，是鍍銅層呈現(xiàn)暗灰色或黑色的原因[3]。

五礦營鋼加熱爐均熱段溫度控制在1 150 ℃以下，通過對與盤條基體接觸的中間氧化層進行批量檢驗，均未發(fā)現(xiàn)硅元素，見圖4。確定加熱爐工藝合理，盤條表面難以去除的氧化鐵皮非在加熱爐生成的Fe2SiO4。

圖4 盤條剖面氧化層電鏡譜圖

1.3 鋼坯高壓水工藝優(yōu)化

使用金相顯微鏡對盤條截面進行觀察，個別位置氧化鐵皮較厚，外表面呈鋸齒狀，見圖5。由于此缺陷的存在，影響機械除鱗效果，且難以通過砂布袋打磨去除，造成氧化鐵皮殘留。前期五礦營鋼生產(chǎn)焊絲鋼時除鱗水壓力為8 MPa，除鱗后鑄坯表面普遍殘留有大量氧化鐵皮。而在軋制過程中坯料表面的氧化鐵皮被壓入基體，造成盤條外表面鋸齒狀缺陷。

將除鱗水壓力提高至15 MPa 以上，鑄坯角部位置有少量氧化鐵皮殘留，其他部位基本去除干凈，除鱗效果明顯改善。且盤條表面鋸齒狀缺陷得到改善，表面更平滑，利于氧化鐵皮的去除。

1.4 軋鋼工藝優(yōu)化

在顯微鏡下觀察盤條氧化層，取每個視場最厚處進行測量。盤條氧化層較厚，其中，最大厚度為39.9 μm，最小值為7.7 μm，平均值為17.9 μm。盤條表面氧化鐵皮厚度與軋制工藝及冷速控制相關(guān)。

五礦營鋼采用高溫吐絲+緩冷工藝生產(chǎn)焊絲鋼（吐絲溫度控制在900 ℃左右），保溫罩全關(guān)。盤條出保溫罩后溫度在650 ℃左右，計算冷速約在0.5 ℃/s。由于冷速較低，在高溫環(huán)境下氧化鐵皮反應生成時間較長，氧化層較厚且疏松。機械剝殼時脫落的氧化鐵皮呈粉末狀，時有剝落不凈情況。同時，也由于出罩后盤條溫度仍較高，盤條表面的FeO 發(fā)生共析反應，生成Fe3O4。與FeO 相比，F(xiàn)e3O4更難以去除。

圖5 盤條氧化鐵皮厚度及形貌

為控制盤條表面氧化鐵皮厚度，并縮短FeO 共析反應時間，對焊絲鋼軋制工藝進行調(diào)整。通過數(shù)輪試驗，確定采取降低吐絲溫度、提高輥道速度、控制保溫罩開啟度等措施，可有效控制盤條入保溫罩溫度和出保溫罩溫度。

調(diào)整工藝后測量盤條表面氧化層厚度，最大15.69 μm，最小3.47 μm，平均10.53 μm。工藝調(diào)整前后氧化層厚度變化明顯，平均降低7.37 μm。盤條力學性能合格，組織為鐵素體+珠光體，晶粒度10.0級，與調(diào)整前無明顯變化。

1.5 冷卻水質(zhì)優(yōu)化

由于水中雜質(zhì)與盤條接觸后發(fā)生電化學反應，在盤條表面生成水銹。因此，冷卻水質(zhì)直接影響盤條表面水銹的產(chǎn)生。

通過對濁環(huán)水系統(tǒng)補水量調(diào)整，對比不同水質(zhì)對盤條的影響。在高線水泵房出口取樣化驗水質(zhì)，濁環(huán)水水質(zhì)檢驗對比見表1。

表1 調(diào)整補水量后濁環(huán)水水質(zhì)對比

在相同工藝下，降低補水量后盤條表面出現(xiàn)水銹。所以，在用戶工藝調(diào)整后，對盤條冷卻水質(zhì)提出了更高的要求。

1.6 盤條表面質(zhì)量優(yōu)化

通過跟蹤了解到，盤條表面尺寸精度對氧化鐵皮的去除也會產(chǎn)生影響。在生產(chǎn)后期，由于輥環(huán)的磨損，盤條尺寸精度下降，嚴重時盤卷出現(xiàn)起棱情況。

在使用砂布袋打磨過程中，盤條起棱兩側(cè)部位存在打磨盲區(qū)，影響氧化鐵皮的去除。通過提高輥環(huán)更換頻率，盤條起棱情況可得到有效控制。

2 結(jié)論

經(jīng)過全方位的攻關(guān)，五礦營鋼焊絲用盤條鍍銅不良率由原來的0.05%下降到0.003%，達到了客戶的期望值，重新獲得了市場認可。根據(jù)攻關(guān)可以得出：

1）盤條氧化鐵皮去除不凈是焊絲鍍銅不良的直接原因。而造成氧化鐵皮難以去除的原因比較復雜，涉及到盤條生產(chǎn)工藝、表面缺陷、水質(zhì)等各個方面。

2）加熱爐均熱段溫度在1 150 ℃以下時，可有效控制難去除的Fe2SiO4的生成。

3）除鱗水壓力由8 MPa 提高至15 MPa 以上，鑄坯表面氧化鐵皮可有效去除，并改善盤條表面鋸齒狀缺陷。

4）采用合理的吐絲溫度、輥道速度以及冷卻速度等措施，可以有效控制盤條氧化層厚度和成分，生成適用于機械剝殼工藝的氧化鐵皮結(jié)構(gòu)。

5）盤條表面銹蝕、不圓度大以及表面形狀不規(guī)則等也可在一定程度上影響盤條氧化鐵皮的去除效果，可通過控制水質(zhì)、存放環(huán)境和換輥頻率進行改善。