中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷分析與改進(jìn)措施

喻建林 呂瑞國(guó) 唐小勇 劉 濤

(新余鋼鐵集團(tuán)有限公司）

0 前言

65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼帶主要用于制造膜片彈簧、剎車片、鋸片、鏈條等，工藝流程長(zhǎng)且復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)熱軋、冷軋、沖壓、熱處理等多道工序處理，對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量有著十分嚴(yán)格的要求[1]。65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶的生產(chǎn)工藝流程是：鐵水脫硫→210 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF精煉脫硫→RH精煉→連鑄→板坯加熱→粗除鱗→粗軋→精除鱗→精軋→層冷→卷取→檢驗(yàn)→入庫(kù)。在開發(fā)初期，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面頻繁出現(xiàn)翹皮缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)交貨，給生產(chǎn)和銷售帶來(lái)了負(fù)面影響。筆者旨在分析中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷產(chǎn)生原因，提出改進(jìn)措施，為優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提升產(chǎn)品質(zhì)量提供有力依據(jù)[2-4]。

1 翹皮缺陷形貌

翹皮缺陷主要分為兩種，一種是嚴(yán)重翹皮，另一種是邊部翹皮。

嚴(yán)重翹皮沿軋制方向呈直線狀、斷續(xù)性分布，長(zhǎng)度不一；翹皮根部與基體相連；呈舌狀分布；翹皮開口較嚴(yán)重；在長(zhǎng)度方向和橫向方向均為無(wú)規(guī)律性分布，主要發(fā)生在65Mn鋼種，如圖1所示。

邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；翹皮根部與基體相連，呈翻皮狀；翹皮開口較輕微；主要分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)，規(guī)律性較明顯，主要發(fā)生在51CrV4鋼種，如圖2所示。

2 檢測(cè)分析

為進(jìn)一步探究嚴(yán)重翹皮及邊部翹皮這兩種缺陷的形成機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用DMIRM型金相顯微鏡及QVANTA400掃描電鏡對(duì)翹皮缺陷試樣進(jìn)行了檢測(cè)分析[5-6]。

2.1 嚴(yán)重翹皮試樣檢測(cè)

沿著軋制方向?qū)?yán)重翹皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕?？梢园l(fā)現(xiàn)，翹皮深度為1.30 mm，翹皮根部存在氧化和脫碳現(xiàn)象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體+鐵素體，如圖3所示。將嚴(yán)重翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的黑色顆粒；能譜分析結(jié)果表明，這些黑色顆粒主要含有Fe、O、Mg、Si、Ca等化學(xué)元素，如圖4所示。對(duì)連鑄板坯進(jìn)行低倍組織檢測(cè)，低倍試驗(yàn)分別采用冷酸浸蝕和熱酸浸蝕兩種方法。冷酸浸蝕是采用飽和苦味酸溶液浸蝕5 min，熱酸浸蝕是在酸液濃度為20%、酸液溫度為75 ℃的熱酸中浸蝕15 min。連鑄板坯低倍組織如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，距離連鑄板坯上表面10～30 mm處存在多條輕微中間裂紋，距離連鑄板坯上表面50～70 mm處存在嚴(yán)重中間裂紋。

圖1 嚴(yán)重翹皮

圖2 邊部翹皮

圖3 嚴(yán)重翹皮金相組織

圖4 掃描電鏡形貌及能譜成分分析

圖5 連鑄板坯

2.2 邊部翹皮試樣檢測(cè)

沿著軋制方向?qū)⑦叢柯N皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，可以發(fā)現(xiàn)，翹皮深度為0.4 mm，翹皮根部未發(fā)現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體組織，如圖6所示。將邊部翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的白色小顆粒，能譜分析結(jié)果表明這些白色顆粒主要含有Fe、O等化學(xué)元素，主要成分是Fe2O3、Fe3O4，如圖7所示。邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)。

圖6 邊部翹皮金相組織

圖7 掃描電鏡形?貌及能譜成分分析

3 檢測(cè)結(jié)果討論與分析

3.1 嚴(yán)重翹皮分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說(shuō)明嚴(yán)重翹皮和基體是一體的，可以排除翹皮是外來(lái)異物壓入所造成的。翹皮根部出現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，這說(shuō)明連鑄板坯在高溫加熱前內(nèi)部已存在裂紋缺陷，裂紋是由連鑄板坯帶入的。利用QVANTA400掃描電鏡對(duì)翹皮內(nèi)部進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在較多的黑色顆粒，其主要化學(xué)元素為Fe、O、Mg、Si、Ca等，這與連鑄生產(chǎn)時(shí)所使用的中碳鋼保護(hù)渣的化學(xué)成分相似。對(duì)連鑄板坯分別進(jìn)行冷酸浸蝕和熱酸浸蝕，均發(fā)現(xiàn)連鑄板坯內(nèi)部存在嚴(yán)重的中間裂紋缺陷。研究結(jié)果表明：嚴(yán)重翹皮的產(chǎn)生和連鑄板坯存在中間裂紋之間有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)連鑄板坯在澆鑄過(guò)程中產(chǎn)生中間裂紋，該缺陷會(huì)在熱軋軋制過(guò)程中發(fā)生破裂、延伸，并最終在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮缺陷。研究指出，帶液芯的連鑄板坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中，鑄坯液相穴凝固前沿承受的應(yīng)力和應(yīng)變超過(guò)其臨界值是產(chǎn)生中間裂紋的根本原因[7-8]。帶液芯的連鑄板坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中所承受的力主要包括鋼水靜壓力、彎曲應(yīng)力、矯直應(yīng)力、熱應(yīng)力、導(dǎo)輥不對(duì)中產(chǎn)生的附件應(yīng)力等，這些應(yīng)變相互疊加超過(guò)其臨界應(yīng)變值時(shí)就會(huì)在固液界面產(chǎn)生裂紋。過(guò)程為：

對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行追溯，鋼水過(guò)熱度控制在33～38 ℃；二冷水噴嘴堵塞較嚴(yán)重，冷卻不均勻；鑄機(jī)輥縫精度偏差達(dá)到1.1～2.0 mm，尤其是0段、1段、2段。中高碳彈簧鋼連鑄板坯在該異常條件下進(jìn)行澆鑄，由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以脆性溫度IF值高，裂紋敏感性較強(qiáng)。這就導(dǎo)致連鑄板坯在連鑄機(jī)內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中反復(fù)回溫和鼓肚，在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生了較大的相變和熱應(yīng)力；在鑄坯固液界面形成了較大的張應(yīng)力。在這些應(yīng)力相互疊加作用下，其應(yīng)力和應(yīng)變之和已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鑄坯所能承受的臨界應(yīng)力值和臨界應(yīng)變值，這就使得鑄坯在凝固脆性區(qū)產(chǎn)生裂紋，并沿柱狀晶界面進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致中間裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)連鑄板坯內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的中間裂紋時(shí)，鑄坯經(jīng)過(guò)高溫加熱及熱軋軋制，內(nèi)部的中間裂紋無(wú)法進(jìn)行愈合，且會(huì)在熱軋軋制過(guò)程中發(fā)生破裂、延伸，進(jìn)而在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮。

綜合上述分析可以得出，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶嚴(yán)重翹皮的產(chǎn)生是由連鑄板坯存在的中間裂紋在熱軋軋制過(guò)程中發(fā)生破裂所引起的。造成連鑄板坯內(nèi)部出現(xiàn)中間裂紋的原因是鋼水過(guò)熱度偏高，鑄機(jī)輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等因素疊加產(chǎn)生的。

3.2 邊部翹皮分析

結(jié)合實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發(fā)現(xiàn)邊部翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說(shuō)明邊部翹皮和基體是一體的，可以排除外來(lái)異物壓入所造成的。翹皮根部未出現(xiàn)氧化和脫碳現(xiàn)象，且在QVANTA400掃描電鏡下發(fā)現(xiàn)翹皮內(nèi)部存在的白色顆粒主要成分是Fe2O3、Fe3O4。從邊部翹皮形貌來(lái)看，沿軋制方向呈直線狀、連續(xù)性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內(nèi)。初步分析邊部翹皮缺陷是在熱軋軋制過(guò)程中產(chǎn)生的。

板坯在立輥中軋制屬于高溫變形。變形無(wú)法深入到板坯寬度的中間區(qū)域，使得邊部隆起，斷面呈狗骨狀。這是由于立輥側(cè)壓變形時(shí)，邊部延伸大，中間延伸小，中間部位對(duì)邊部產(chǎn)生壓應(yīng)力[9]。在立輥減寬過(guò)程中，金屬流動(dòng)十分不均勻，減寬量只有一小部分轉(zhuǎn)化為軋件的延伸，而其余大部分轉(zhuǎn)化為軋件厚度的增加，這就使得軋件斷面呈現(xiàn)狗骨狀。同時(shí)由于軋件在熱軋過(guò)程中邊部冷卻較快，塑性變差，立輥側(cè)壓時(shí)，沿著板坯邊部會(huì)形成微裂紋，加之邊部金屬流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力，使得邊部金屬流動(dòng)到板坯表面，從而造成邊部翹皮的發(fā)生。

對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行追溯，中高碳彈簧鋼熱軋卷板寬度規(guī)格是1 050 mm，對(duì)應(yīng)的連鑄板坯寬度規(guī)格為1 100 mm，減寬量是50 mm；粗軋道次采用3+3軋制策略，E1第一道次側(cè)壓量設(shè)定值是40 mm。由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以其脆性大，裂紋敏感性強(qiáng)。在立輥側(cè)壓時(shí)，在軋輥冷卻水的作用下，板坯邊部冷卻加劇，塑形變差，加之E1第一道次側(cè)壓量達(dá)到40 mm，導(dǎo)致板坯邊部在側(cè)壓時(shí)產(chǎn)生微裂紋，邊部金屬在其流動(dòng)所產(chǎn)生的壓力作用下流動(dòng)到板坯表面，形成疊軋，從而造成邊部翹皮的產(chǎn)生。

綜合上述分析，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮是在熱軋粗軋過(guò)程中產(chǎn)生的，導(dǎo)致卷板邊部翹皮形成的原因是減寬量大（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度），粗軋軋制道次設(shè)置不合理，E1單道次側(cè)壓量偏大以及邊部冷卻加劇、塑形變差等因素疊加產(chǎn)生的。

4 改進(jìn)措施

對(duì)中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷分析及成因探討，提出了針對(duì)性工藝優(yōu)化改進(jìn)措施[10-12]。

4.1 嚴(yán)重翹皮改進(jìn)措施

如何控制連鑄板坯產(chǎn)生中間裂紋是解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶出現(xiàn)嚴(yán)重翹皮的主要方法。針對(duì)連鑄板坯中間裂紋的控制，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化：

（1）生產(chǎn)前對(duì)連鑄機(jī)輥縫精度進(jìn)行確認(rèn)，規(guī)定輥縫偏差控制在±0.5 mm以內(nèi)才可以正常生產(chǎn)。若輥縫偏差超過(guò)該規(guī)定值，必須對(duì)輥縫精度進(jìn)行校對(duì)，確認(rèn)合格后才可以生產(chǎn)。

（2）生產(chǎn)前檢查二冷水噴嘴堵塞及軸承間隙漏水情況，對(duì)異常的二冷水噴嘴及漏水的二冷段，必須進(jìn)行更換，確保二冷段輥?zhàn)又胁坎怀霈F(xiàn)漏水情況。

（3）對(duì)鋼水過(guò)熱度進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保開澆第1爐控制在20～30 ℃，其他爐次控制在10～20 ℃。嚴(yán)禁高溫澆注。

4.2 邊部翹皮控制措施

針對(duì)在粗軋過(guò)程中中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶形成邊部翹皮的產(chǎn)生原因及機(jī)理分析，為更好地控制解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮的產(chǎn)生，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化：

（1）合理設(shè)計(jì)連鑄板坯寬度，保證減寬量≤30 mm（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度）。

（2）針對(duì)客戶品種規(guī)格多、品種規(guī)格跨度大、生產(chǎn)組織困難的合同，與客戶做好技術(shù)溝通、協(xié)商，合理設(shè)計(jì)連鑄坯規(guī)格。

（3）優(yōu)化粗軋軋制策略。增加粗軋軋制道次，將3+3軋制道次改為3+5軋制道次；適量分配各道次側(cè)壓量，減少單道次側(cè)壓量，尤其是要將粗軋第一道次側(cè)壓量控制在20 mm以內(nèi)，避免邊部產(chǎn)生微裂紋。

（4）生產(chǎn)前檢查立輥區(qū)域軋輥冷卻水噴嘴常開情況，對(duì)異常的噴嘴，必須進(jìn)行更換，避免板坯邊部冷卻加劇。

5 改進(jìn)效果

現(xiàn)場(chǎng)跟蹤反饋，采用工藝優(yōu)化改進(jìn)措施后，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷得到了有效控制。對(duì)優(yōu)化后的連鑄板坯采用飽和苦味酸溶液進(jìn)行冷酸浸蝕，低倍組織如圖8所示，在鑄坯內(nèi)部未見中間裂紋缺陷，鑄坯質(zhì)量良好；中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面未出現(xiàn)嚴(yán)重翹皮及邊部翹皮缺陷，如圖9所示,表面質(zhì)量良好。中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經(jīng)下游用戶進(jìn)行冷軋、沖壓及熱處理等多道工序加工，表面質(zhì)量光潔，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)越良好，得到了客戶認(rèn)可。

6 結(jié)論

圖8 優(yōu)化后鑄坯低倍組織

圖9熱卷表面質(zhì)量

（1）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面嚴(yán)重翹皮缺陷是由于連鑄板坯存在中間裂紋所引起的。中間裂紋在熱軋軋制過(guò)程中發(fā)生破裂、延伸，從而在鋼帶表面形成嚴(yán)重翹皮。鋼水過(guò)熱度偏高，鑄機(jī)輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等是導(dǎo)致連鑄板坯形成中間裂紋的根本原因。

（2）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮缺陷是連鑄板坯在熱軋粗軋過(guò)程中所產(chǎn)生的。減寬量偏大、立輥側(cè)壓不合理以及邊部塑性變差等是導(dǎo)致熱軋鋼帶邊部翹皮形成的主要原因。

（3）通過(guò)在煉鋼工序和軋鋼工序采取改進(jìn)措施，鑄坯中間裂紋得到控制，有效防止了鋼帶嚴(yán)重翹皮和邊部翹皮缺陷的產(chǎn)生，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經(jīng)下游用戶加工驗(yàn)證，產(chǎn)品質(zhì)量良好，得到了用戶的認(rèn)可。