夾雜物對Q195b 拉絲材斷裂行為的影響

供稿|談正軍，胡楠楠，夏金魁，張超杰，聶志斌，程瑾琦，張立強 / TAN Zheng-jun, HU Nan-nan,XIA Jin-kui, ZHANG Chao-jie, NIE Zhi-bin, CHENG Jin-qi, ZHANG Li-qiang

內(nèi)容導讀

本文采用光學顯微鏡對Q195b 鋼拉絲斷裂試樣進行微觀和宏觀檢測，結合場發(fā)射掃描電子顯微鏡EBSD 和能譜分析儀EDS 檢測分析斷口試樣的夾雜物分布特征，結果表明硅酸鈣、氧化鋁和硫化物等非金屬夾雜物是導致Q195b 鋼拉絲斷裂的主要原因。從脫氧工藝、中間包結構優(yōu)化、保護澆注三個方面開展了工藝優(yōu)化，提高了鋼水潔凈度，降低了Q195b 拉絲斷裂率。

Q195b 鋼線材具有較低的強度和較好的塑性與延展性，可廣泛應用于金屬制品加工領域。鋼絲拉拔是鋼絲生產(chǎn)和制備的主要途徑，但是拉拔過程中容易出現(xiàn)鋼絲變形、裂紋、斷裂等缺陷，嚴重影響生產(chǎn)[1-2]。

鋼絲拉拔過程發(fā)生斷裂的原因較多，不少學者對此進行了深入研究，采用化學成分分析、斷口檢驗、金相檢驗等手段針對不同種類鋼絲拉拔過程斷裂進行分析[3]，認為連鑄坯的中心偏析[4]、縮孔和疏松、非金屬夾雜物[5-6]、鋼中白點、混晶組織、拉絲工藝不當[7]等均會造成鋼絲拉拔過程的斷裂[8-10]。本文針對某廠Q195b 鋼生產(chǎn)過程拉絲斷裂進行了研究，對拉絲斷口試樣宏觀和微觀形貌進行了檢測，并結合場發(fā)射掃描電子顯微鏡EBSD 和能譜分析儀EDS 分析認為斷口非金屬夾雜物是導致拉絲斷口的主要原因，并據(jù)此提出了生產(chǎn)工藝優(yōu)化措施。

實驗材料及方法

某廠Q195b 鋼的主要生產(chǎn)工藝流程為120 t BOF→LF→CC，主要成分如表1 所示。為研究某廠Q195b 拉絲斷裂的主要影響因素，針對Q195b 拉絲斷口的形貌和夾雜物分布特征進行了檢測分析。截取典型Q195b 拉絲斷口試樣橫截面如圖1(a)和(b)所示，用無水乙醇清洗并干燥處理后，使用放大鏡觀察斷口的形狀、顏色、變形等特征。

表1 某廠Q195b 鋼主要成分(質量分數(shù)，%)

將Q195b 拉絲斷口試樣切割成5 mm 長度，超聲清洗處理后用導電膠將試樣粘到載物臺上，如圖1(c)所示，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡EBSD 和能譜分析儀EDS 檢測分析Q195b 拉絲端口區(qū)域截面的夾雜物分布特征。

圖1 Q195b 拉絲斷口試樣：(a)斷口取樣；(b)斷口照片；(c)斷口試樣粘貼于載物臺上

結果與討論

Q195b 拉絲斷口形貌表征與分析

Q195b 拉絲斷口試樣宏觀形貌如圖2 所示，可以看出，斷口存在明顯彎曲，有剪切唇，表面為灰色纖維狀，斷口切面取向與最大切應力基本一致，因此該斷裂為切斷型韌性斷裂。圖3 為Q195b 拉絲斷口試樣微觀形貌，可以看出試樣斷口上存在大量杯狀韌窩，該韌窩的形成與夾雜物關系較大。由于夾雜物與鋼基體的彈塑性存在差異，在基體塑性變形的過程中二者形變不一致將產(chǎn)生“顯微空穴”的自由表面。這些“顯微空穴”在切應力作用下逐步發(fā)展并長大聚集，從而導致線材發(fā)生韌性斷裂。因此Q195b 拉絲斷口的微觀形貌和宏觀形貌均說明該斷口為韌性斷裂。

圖2 Q195b 拉絲斷口試樣宏觀形貌

圖3 Q195b 拉絲斷口試樣微觀形貌

夾雜物對Q195b 拉絲斷裂的影響

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察Q195b 拉絲試樣斷口，發(fā)現(xiàn)斷口區(qū)域存在不少規(guī)則球狀的夾雜物，如圖4 所示，可以看出夾雜物呈圓球狀存在于某一韌窩處，可以推測該夾雜物在一定程度上導致此處韌窩撕裂。采用能譜分析對夾雜物的成分進行檢測，發(fā)現(xiàn)夾雜物主要為硅酸鈣、氧化鋁和硫化物的復合夾雜物。截取Q195b 拉絲正常斷面試樣并采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察，并未發(fā)現(xiàn)類似夾雜物，由此可見夾雜物的存在促進了Q195b 在拉絲過程中的斷裂。

圖4 Q195b 拉絲斷口試樣微觀形貌

在鋼液凝固過程中，如果鋼中氧含量高，則溶解硫的能力比較小，在較高溫度就開始達到飽和，析出硫化物夾雜。因此硫化物夾雜的存在，表明了鋼水冶煉過程脫氧的不充分。硅酸鹽一般屬于外來夾雜物，主要是由于鋼包內(nèi)襯脫落或者是在除渣過程中除渣過程不徹底形成的，當夾雜物聚集則形成比較復雜的復合型夾雜物。大量的非金屬夾雜物破壞了鋼的組織連續(xù)性和整體性，夾雜物和鋼材變形不一致，因此拉拔過程中鋼基體的連續(xù)性被破壞，在非金屬夾雜物與基體金屬的交界處產(chǎn)生應力集中，隨著拉拔應力和應變量增加，產(chǎn)生微孔并逐步擴展成裂紋，最終導致拉絲斷裂。

Q195b 拉絲斷裂工藝優(yōu)化

根據(jù)Q195b 拉絲斷口試樣的檢測分析，認為鋼中的非金屬夾雜物是導致拉絲斷裂的主要原因。影響鋼中產(chǎn)生硅酸鈣、氧化鋁和硫化物的主要工藝有精煉過程脫氧控制和保護澆注，因此從脫氧工藝、中間包結構優(yōu)化、保護澆注三個方面開展了工藝優(yōu)化：

(1) 降低鋼中的氧含量，延長精煉鋼包鎮(zhèn)靜時間降低鋼中非金屬夾雜物含量；

(2) 優(yōu)化中間包擋墻擋壩控流結構，減少死區(qū)比例和各流滯止時間，控制各流平均停留時間均勻，促進鋼水中夾雜物上浮去除；

(3) 澆注過程中嚴格按照操作規(guī)程做好保護澆注措施，減少鋼水的二次氧化。

工藝優(yōu)化措施實施后，鋼水潔凈度得到提高，硅酸鈣、氧化鋁和硫化物等夾雜物得到控制，Q195b 拉絲斷裂率從每百噸鋼15~25 次降低到每百噸鋼5~15 次。

結束語

采用光學顯微鏡和場發(fā)射掃描電子顯微鏡等手段針對Q195b 鋼拉絲斷裂原因進行了研究分析，發(fā)現(xiàn)Q195b 鋼拉絲斷裂試樣斷口上存在大量杯狀韌窩，韌窩處存在硅酸鈣、氧化鋁和硫化物非金屬夾雜物是導致Q195b 鋼拉絲斷裂的主要原因。通過降低鋼中的氧含量、優(yōu)化中間包擋墻擋壩控流結構和保護澆注措施等工藝優(yōu)化能有效提高鋼水潔凈度，降低Q195b 鋼拉絲斷裂率。