高速線材點線缺陷特性及形成機理研究

李 偉

（中天鋼鐵集團有限公司 企業(yè)管理部，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著軋制生產(chǎn)裝備升級[1，2]，高速線材已成為鋼鐵工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，現(xiàn)在正被廣泛應(yīng)用于鐵公基建、工程機械、汽車工業(yè)、通訊設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域[3]。由于高速線材生產(chǎn)具有連軋道次多、軋制速度快、接觸面積大、受力多樣化等特點，所以高速線材在生產(chǎn)過程中若控制不當(dāng)則可能會產(chǎn)生結(jié)疤、折疊、劃傷和擦傷等表面質(zhì)量缺陷，而該類缺陷在拉拔或冷鐓等下道工序加工過程中因應(yīng)力集中而容易造成缺陷擴大，從而造成一定的經(jīng)濟損失。為了降低下游金屬制品的加工成本，近年來高要求的表面質(zhì)量逐漸成為高速線材市場競爭的趨勢，所以高速線材表面質(zhì)量的控制機理研究顯得至關(guān)重要。

目前，已有部分鋼企和高校報導(dǎo)了高速線材常見表面質(zhì)量缺陷的形成原因。例如，輥環(huán)橫向裂紋、連鑄坯表面裂紋等將引起產(chǎn)品表面類裂紋[4-7]，孔型過充滿、軋制錯輥、軋制旋轉(zhuǎn)等將造成產(chǎn)品表面類折疊[8，9]，鋼坯角部微裂紋、軋槽剝落等引起產(chǎn)品表面類結(jié)疤[10]。然而，對于不同類型的表面質(zhì)量缺陷尚缺少內(nèi)在關(guān)聯(lián)探索。本文通過?5.5mm～?25mm 規(guī)格的高速線材表面缺陷特征分類對比和缺陷形成過程跟蹤，分析點缺陷和線缺陷的特征及形成機理差異，旨在精準(zhǔn)定位缺陷形成位置，便于有效指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 點線缺陷特征

1.1 點缺陷特征

為論述高速線材表面缺陷特征，根據(jù)缺陷長度和線材直徑的比值，將表面缺陷分為點缺陷和線缺陷兩種。當(dāng)缺陷長度遠大于線材直徑，該缺陷定義為線缺陷，其他為點缺陷。

如圖1，結(jié)疤、凸塊、翹皮是高速線材常見的不連續(xù)點缺陷，通常與基體連接，其具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。結(jié)疤的形貌特征為月牙形或魚鱗形，周圍一般分布異常紅銹（圖1a、圖1c），凸塊的形貌特征為高出基體的長條狀（圖1b），翹皮的形貌特征為外形輪廓不規(guī)則翹起薄片（圖1d）。一般而言，凸塊具有周期性，翹皮具有非周期性，結(jié)疤具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。

圖1 點缺陷常見形貌

若軋制滾動體軋槽表面出現(xiàn)裂紋、剝落等應(yīng)力疲勞缺陷[11]，則在軋制過程中遺傳產(chǎn)生周期性點缺陷。點缺陷最小的周期間隔為成品孔輥環(huán)的圓周長，另外根據(jù)連軋秒流量相等原則，任意位置產(chǎn)生的點缺陷周期間隔（L）與對應(yīng)工作輥徑（Dn）、終軋與對應(yīng)軋制的線速度比（V終/Vn）成正比關(guān)系，具體參考見公式1。

高速線材的非周期性點缺陷是由軋制本體缺陷受力變形引起的，通常具有隨機性。軋制本體缺陷一方面來自鋼坯基體缺陷，如表面凹坑、振痕等，另一方面來自非軋制滾動體誘導(dǎo)產(chǎn)生的缺陷，如局部撞擊、遺留異物等。

1.2 線缺陷特征

如圖2，劃傷、耳印、折疊是高速線材常見的連續(xù)線缺陷，其中劃傷、耳印為一次性產(chǎn)生缺陷，而折疊是軋制本體出現(xiàn)一次性產(chǎn)生缺陷后再次軋制形成的缺陷。劃傷的形貌特征為沿軋制方向上呈現(xiàn)連續(xù)直線溝槽形缺陷，該缺陷具有肉眼可識別的寬度（圖2a），容易形成于軋后導(dǎo)槽、吐絲機等紅鋼通道。耳印的形貌特征為寬度方向上呈現(xiàn)連續(xù)性凸起缺陷，一般因微張力的作用而分布在成品頭部和尾部（圖2b），若因成品導(dǎo)衛(wèi)漲開等原因則出現(xiàn)于通條位置。折疊的形貌特征為沿軋制方向呈點狀鋸齒形或直線狀缺陷，一般分布在尾部或通條位置（圖2c、圖2d）。

圖2 線缺陷常見形貌

點狀鋸齒形折疊類似于結(jié)疤，呈半包裹狀特征，但點狀鋸齒形折疊是內(nèi)凹型，結(jié)疤是外凸型。線性折疊呈全包裹狀特征，目前熱眼等高端前沿在線設(shè)備還不能檢測到該缺陷，一般至少需要在酸洗或低倍顯微鏡的條件下方能檢查到該缺陷，因此線性折疊對檢查要求較為苛刻，故線缺陷的質(zhì)量異議中多為線性折疊。

2 點線缺陷形成機理

2.1 點缺陷形成機理

點缺陷主要是由軋制本體缺陷或軋制滾動體軋槽表面缺陷在軋制過程中變形引起的不連續(xù)缺陷，根據(jù)缺陷本體位置不同，點缺陷基本上可以分為四種形成機理，其他情況可理解為演繹復(fù)合機理。

如圖3a 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)與軋制方向垂直的缺陷A，由于同一截面金屬流速不同，軋制本體的條狀缺陷在軋制壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下變形形成非周期性點缺陷。例如，高碳鋼在軋制小規(guī)格時，當(dāng)粗軋冷卻水過大，軋制本體的較深連鑄振痕（圖4a）延展性小而被拉伸撕裂形成魚鱗狀結(jié)疤。

如圖3b 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)與軋制方向平行的缺陷B，由于軋制方向金屬流速不同，軋制本體的條狀缺陷在軋制拉應(yīng)力的作用下，變形形成多個不連續(xù)的小條狀缺陷，并在后續(xù)的軋制過程中形成非周期性較小的點缺陷。例如，高碳鋼在軋制大規(guī)格時，當(dāng)連鑄坯因加熱溫度高而在懸臂輥道上形成沿軋制方向的劃傷（圖4b），則在后續(xù)的軋制過程中形成位置相對固定的魚鱗狀結(jié)疤。

如圖3c 所示，當(dāng)軋制滾動體出現(xiàn)與軋制方向垂直的缺陷C（圖4c），例如軋槽表面因熱應(yīng)力而剝落，軋制本體在軋制壓應(yīng)力下先形成與軋制方向垂直的周期性凸起條狀缺陷C1，若后續(xù)無軋制道次，則為周期性條狀凸塊，反之，該條狀缺陷沿用機理1 在后續(xù)軋制壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下變形形成周期性點缺陷。

如圖3d 所示，當(dāng)軋制滾動體出現(xiàn)與軋制方向平行的缺陷D（圖4d），例如輥環(huán)泄壓，軋制本體在軋制壓應(yīng)力下先形成與軋制方向平行的周期性凸起條狀缺陷D1，若后續(xù)無軋制道次，則為周期性條狀凸塊，反之，該條狀缺陷沿用機理2 在后續(xù)軋制拉應(yīng)力的作用下變形形成周期性點缺陷。

圖3 點缺陷形成機理

圖4 缺陷本體

3 線缺陷形成機理

與點缺陷形成機理不同的是，線缺陷與軋制本體或軋制滾動體軋槽表面缺陷關(guān)聯(lián)性較弱，線缺陷主要是由軋制裝備不對中、單雙邊過充滿等引起軋制本體的異常變形，變形后軋制本體若再次經(jīng)過軋制，則形成隱性的線缺陷，例如折疊。根據(jù)缺陷形成位置不同，線缺陷基本上可以分為四種形成機理，其他情況可理解為演繹復(fù)合機理。

如圖5a 所示，當(dāng)軋制通道出現(xiàn)尖角時，如軋制線不對中、殘留硬質(zhì)物、異常磨損等，軋制本體與尖角接觸并產(chǎn)生滑動摩擦，則在軋制本體的表面形成肉眼可見的凹槽。若后續(xù)無軋制道次，則軋制本體沿軋制方向具有深淺不一連續(xù)的線缺陷E。如圖5c 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)線缺陷E 時，在后續(xù)軋制過程中，類劃傷缺陷被延伸且部分出現(xiàn)軋制愈合，則出現(xiàn)斷續(xù)的不完全包裹的鋸齒狀缺陷G。例如，終軋前的活套或?qū)l(wèi)上受力的導(dǎo)輥表面碎裂將可能出現(xiàn)上述缺陷。

如圖5b 所示，當(dāng)過充滿軋制、錯輥軋制或旋轉(zhuǎn)倒鋼軋制時，軋制本體則從軋輥輥縫處向外擠壓拓展，形成清晰的凸起。若后續(xù)無軋制道次，則軋制本體沿軋制方向具有單邊或雙邊的線缺陷F。如圖5d 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)線缺陷F 時，在后續(xù)軋制過程中，類凸起被壓入軋制本體，形成有一定角度的線性缺陷H，通常這類缺陷界面分明且非垂直方向，其中高碳鋼縫隙兩側(cè)有脫碳或部分脫碳，縫隙中間有氧化鐵雜質(zhì)（圖6a），低碳鋼縫隙兩側(cè)的晶粒尺寸相對較?。▓D6b）。

圖5 線缺陷形成機理

圖6 線性折疊微觀形貌

4 結(jié)論

（1）點缺陷是不連續(xù)表面缺陷，通常與基體連接，其具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。若軋制滾動體軋槽表面出現(xiàn)裂紋、剝落等應(yīng)力疲勞，則在軋制過程中遺傳產(chǎn)生周期性點缺陷，點缺陷周期間隔與對應(yīng)工作輥徑、終軋與對應(yīng)軋制的線速度比成正比關(guān)系。

（2）線缺陷是連續(xù)缺陷，其具有半包裹狀和全包裹狀特征，包裹狀缺陷最難檢測，其界面分明且非垂直方向，其中高碳鋼縫隙兩側(cè)有脫碳或部分脫碳，縫隙中間有氧化鐵雜質(zhì)，低碳鋼縫隙兩側(cè)的晶粒尺寸相對較小。

（3）點缺陷主要是由軋制本體缺陷或軋制滾動體軋槽表面缺陷在軋制過程中變形引起的不連續(xù)缺陷。線缺陷主要是由軋制裝備不對中、單雙邊過充滿等引起軋制本體的異常變形后形成連續(xù)缺陷。因此，高速線材生產(chǎn)過程要重點監(jiān)控鋼坯表面質(zhì)量、滾動體表面質(zhì)量和軋制壓下量等以及與軋材表面接觸的相關(guān)冷卻裝置。