1215MS易切削鋼盤條的表面缺陷及其預(yù)防措施

鄒 虎 趙文淵 趙滿堂 林作津

（蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司，安徽蕪湖 214000）

易切削鋼被廣泛用于制造精密儀器零件、汽車零件等機(jī)械零件［1-3］。目前，國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的易切削鋼為硫系1215MS鋼。1215MS易切削鋼含硫量較高，熱脆敏感性大，如果軋制溫度低，鋼中產(chǎn)生的共晶化合物（Fe-FeS）處于熔融狀態(tài)，易導(dǎo)致軋件劈頭開裂；如軋制溫度過高，會(huì)導(dǎo)致盤條表面氧化鐵皮過厚，在后續(xù)拉拔過程中難以被完全去除，所加工的銀亮棒表面將出現(xiàn)黑斑缺陷。另外，1215MS易切削鋼盤條表面易出現(xiàn)結(jié)疤缺陷，甚至?xí)虼硕鴪?bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失。

本文對1215MS易切削鋼盤條表面的氧化鐵皮和結(jié)疤進(jìn)行了宏觀和微觀檢驗(yàn)，分析了產(chǎn)生該缺陷的原因，并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，解決了盤條表面產(chǎn)生缺陷的問題。

1 易切削鋼的生產(chǎn)工藝

某廠生產(chǎn)的1215MS易切削鋼的化學(xué)成分如表1所示。其生產(chǎn)工藝流程為轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→180 mm×180 mm連鑄坯（十機(jī)十流）→鑄坯檢查→鑄坯加熱（步進(jìn)梁式加熱爐）→高壓水除磷→摩根第Ⅳ代軋機(jī)軋制→吐絲→斯太爾摩110 m風(fēng)冷線→打包→稱重、標(biāo)識→入庫。

表1 1215MS易切削鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of 1215MS free cutting steel（mass fraction） %

1215MS易切削鋼的開裂傾向大，為防止軋制過程中軋件劈頭、開裂，需采用“高溫快軋”工藝。連鑄坯加熱工藝為：一段加熱溫度800～900℃，二段加熱溫度1 000～1 200℃，均熱溫度1 200～1 250℃；在爐時(shí)間不少于180 min，均熱段停留時(shí)間不少于30 min。

2 分析與討論

2.1 氧化鐵皮形貌及厚度

采用原工藝熱軋的1215MS易切削鋼φ16 mm盤條如圖1（a）所示，氧化鐵皮呈青灰色，部分與基體結(jié)合緊密，部分蓬松易脫落。在光學(xué)顯微鏡下觀察，氧化鐵皮厚度達(dá)43.09 μm，如圖1（b）所示。

圖1 有氧化皮的1215MS易切削鋼盤條（a）及其氧化皮的微觀形貌（b）Fig.1 1215MS free cutting steel wire rod with oxide scale（a）and micrograph of oxide scale on it（b）

根據(jù)純鐵的氧化過程，在700～1 250℃，盤條表面氧化鐵皮由氧化亞鐵（FeO）內(nèi)層、四氧化三鐵（Fe3O4）中間層和高價(jià)氧化鐵（Fe2O3）外層組成［4］。由于FeO、Fe3O4和Fe2O3中Fe離子的價(jià)態(tài)逐漸上升，其化學(xué)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也逐漸提高［5］。FeO 的破壞應(yīng)力約為0.4 MPa，F(xiàn)e3O4的破壞應(yīng)力約為40 MPa，F(xiàn)e2O3的破壞應(yīng)力約為10 MPa，即FeO具有良好的塑性變形性能，F(xiàn)eO越厚，氧化鐵皮越易去除［6］。此外，過厚的氧化鐵皮與基體的結(jié)合強(qiáng)度過高，不易在彎曲過程中剝落。因此，既需減小盤條表面氧化鐵皮的厚度又需增加內(nèi)層氧化鐵皮（FeO）的厚度。

2.2 結(jié)疤形貌及形成原因

盤條表面結(jié)疤是盤條表面粘結(jié)硬質(zhì)金屬而形成的疤皮，一般呈舌頭或指甲狀，其空而厚的一端與線材基體相連，有時(shí)是封閉的。圖2（a）為帶有結(jié)疤缺陷的易切削鋼盤條，結(jié)疤呈指甲狀，周圍有紅銹，分布無規(guī)律。結(jié)疤截面的微觀形貌如圖2（b）所示，可以看出，結(jié)疤與基體之間有間隙，間隙兩側(cè)的晶粒大小有差異，一側(cè)與基體基本相同，另一側(cè)晶粒明顯粗大，有輕微脫碳，說明該結(jié)疤源于鑄坯缺陷。

圖2 有結(jié)疤的1215MS易切削鋼盤條（a）及其結(jié)疤的微觀形貌（b）Fig.2 1215MS free cutting steel wire rod with scab（a）and micrograph of scab on it（b）

為找到鑄坯的表面缺陷，檢驗(yàn)了1215MS鋼連鑄坯的低倍形貌和表面質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分鑄坯表面有深振痕（如圖3（a）所示）和角部橫裂缺陷（如圖3（b）所示）。但通過對中間包水口浸入深度、結(jié)晶器冷卻強(qiáng)度及振動(dòng)臺(tái)參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，未能消除該缺陷。因此鑄坯表面缺陷很可能是結(jié)晶器保護(hù)渣性能與鋼種特性不匹配所致。

圖3 鑄坯表面的深振痕（a）和橫向角部裂紋（b）Fig.3 Deep vibration marks（a）and transverse corner cracks（b）on the surface of cast slab

3 工藝改進(jìn)及效果

3.1 熱軋工藝

在從鑄坯加熱到粗軋、精軋直至卷取及其后的冷卻過程中，軋件均會(huì)發(fā)生氧化。軋件在不同階段形成的氧化鐵皮可分為3種：鑄坯在加熱爐內(nèi)生成的“一次氧化鐵皮”，在粗軋過程中和粗軋后生成的“二次氧化鐵皮”，以及精軋過程和卷取過程中生成的“三次氧化鐵皮”。三次氧化鐵皮對盤條表面最終氧化皮的顏色和厚度均有影響［7］。在軋后冷卻設(shè)備固定的情況下，三次氧化鐵皮的厚度主要取決于吐絲溫度。

在不同溫度條件下，軋件表面生成三次氧化鐵皮的成分不同，低于900℃形成的氧化層主要是FeO，并有少量Fe3O4，沒有Fe2O3；高于900℃，隨著溫度的升高，氧化層中FeO減少，F(xiàn)e3O4增多，并生成Fe2O3，氧化層增厚［8-10］。因此，盤條的吐絲溫度應(yīng)低于900℃。

首鋼技術(shù)研究院制定了不同斯太爾摩風(fēng)冷線的冷卻工藝，檢測了普碳鋼表面氧化鐵皮的厚度，得出盤條表面溫度低于700℃時(shí)，生成的氧化鐵皮極少；高于1 000℃時(shí)，氧化鐵皮快速增厚［11］。因此，應(yīng)使斯太爾摩風(fēng)冷線的盤條表面溫度迅速降低至700℃以下。

對1215MS易切削鋼的熱軋工藝進(jìn)行優(yōu)化，即降低始軋溫度和調(diào)節(jié)水箱水量，以降低吐絲溫度，并開啟保溫罩及風(fēng)機(jī)，以增加吐絲后盤條的冷卻速度。原來的和改進(jìn)后的熱軋工藝如表2所示。

表2 1215MS鋼盤條原來的和改進(jìn)的熱軋工藝Table 2 Original and improved hot-rolling processes for the 1215MS steel wire rod

軋制后采用優(yōu)化工藝?yán)鋮s的易切削鋼盤條表面氧化鐵皮明顯減薄，如圖4所示。從圖4（a）可以看出，盤條表面氧化鐵皮薄且致密，呈青亮色；從圖4（b）可以看出，氧化鐵皮減薄到了13.54 μm，且連續(xù)均勻。生產(chǎn)實(shí)踐表明，用表面氧化鐵皮厚度小于15 μm的易切削鋼盤條軋制的銀亮棒無黑斑缺陷。

圖4 熱軋工藝改進(jìn)后有氧化皮的1215MS易切削鋼盤條（a）及其氧化皮的微觀形貌（b）Fig.4 1215MS free cutting steel wire rod with oxide scale（a）and micrograph of oxide scale on it（b）after hot-rolling process being improved

3.2 結(jié)晶器保護(hù)渣

連鑄過程中保護(hù)渣的作用是絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收非金屬夾雜物、均勻傳熱和改善鑄坯潤滑條件，對提高鑄坯的質(zhì)量十分重要［12］。1215MS易切削鋼中氧、硫含量高，鋼水在結(jié)晶器彎月面易形成FeO、FeS膜，致使鋼-渣界面張力減小，鋼-渣難以分離，連鑄時(shí)結(jié)晶器內(nèi)保護(hù)渣易結(jié)團(tuán)成絮狀，使鑄坯表面產(chǎn)生深振痕、角部橫裂等缺陷。

高黏度保護(hù)渣能更好地吸附在鑄坯表面，改善傳熱效果，渣耗減少，流動(dòng)性變差，振痕變寬，在結(jié)晶器振動(dòng)周期內(nèi)保護(hù)渣渣道的壓力減小，振痕減少［13-14］。另外，提高保護(hù)渣堿度，采用還原性保護(hù)渣，增加保護(hù)渣吸收鋼-渣界面FeS和FeO的數(shù)量，降低彎月面鋼液及初生凝固殼的［S］、［O］含量，增大鋼液表面張力，從而增大鋼-渣界面張力，有利于鋼-渣分離。因此，為了提高易切削鋼鑄坯的表面質(zhì)量，應(yīng)采用高黏度高堿度的還原性保護(hù)渣，其具體理化性能如表3所示。

表3 易切削鋼用結(jié)晶器保護(hù)渣的成分、熔點(diǎn)和黏度Table 3 Composition，melting point and viscosity of the mold flux for the free cutting steel

采用改進(jìn)的結(jié)晶器保護(hù)渣連鑄生產(chǎn)易切削鋼鑄坯，拋丸和酸洗后的鑄坯如圖5所示，表面深振痕和角部橫裂缺陷已消除。用該鑄坯軋制的盤條表面質(zhì)量良好，無結(jié)疤。

圖5 拋丸（a）和酸洗（b）后的易切削鋼鑄坯Fig.5 Cast slabs of free cutting steel after shot blasting （a）and pickling（b）

4 結(jié)論

（1）1215MS易切削鋼盤條表面的厚氧化鐵皮和結(jié)疤缺陷分別是熱軋工藝不當(dāng)和結(jié)晶器保護(hù)渣不匹配所致。

（2）通過改進(jìn)熱軋工藝，即將始軋溫度定為（1 150±10）℃、吐絲溫度定為（850 ±15）℃、開啟保溫罩和前8架風(fēng)機(jī)，熱軋后盤條表面的氧化鐵皮可減薄至15 μm以下，從而消除了用易切削鋼盤條加工的銀亮棒的黑斑缺陷。

（3）采用1 300 ℃黏度為0.82 Pa·s、堿度為0.80、熔點(diǎn)為1 295℃的高黏度高堿度還原性保護(hù)渣后，1215MS易切削鋼鑄坯表面質(zhì)量良好，軋制后盤條表面無結(jié)疤缺陷。