硬线轧断及产品表面飞皮原因分析

王绍斌　彭雄　肖亚　汪涛　张丽萍

摘要：采用扫描电镜、EDS能谱及金相分析手段，分析讨论了硬线钢在轧制过程中断裂及产品表面产生飞皮缺陷的原因及控制方法。分析结果表明：轧断是由硅酸盐及硫化锰夹杂造成，飞皮是由塑性较好的铁锰硅酸盐复合相造成，二者均与精炼脱氧后钢水中未充分排出的夹杂物有关。实际生产中，可通过控制钢中夹杂物的数量及尺寸，从而减少轧断和飞皮的产生。

关键词：硬线；轧断；飞皮；硅酸盐夹杂

中图分类号：TG356.4 文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）14-05-02

前言

高速线材产品中，一般将45钢以上的优质碳素钢盘条俗称为硬线。硬线具有超高强度与硬度，是冷拔钢丝的原材料，被广泛用作生产低松弛应力钢丝、钢丝绳、钢绞线、弹簧钢丝、镀锌钢丝等拉拔产品，是高线产品中生产难度较大的一类产品。为满足下游用户使用，优质碳素钢盘条不仅要求高强度与高硬度，而且要求具备优良的拉拔性能，而线材表面质量的好坏正是影响线材拉拔性能和冷镦性能的重要因素。表面质量缺陷的产生，如结疤、飞皮、龟裂等在后续拉拔过程中还容易形成应力集中产生脆断，造成人身安全事故。

另外，高速线材具有轧制速度快（一般70～120m/s），轧制自动化程度高等特点。若在轧制过程中，尤其是精轧机组间出现中间料型断裂（即轧断），将很大程度影响生产节奏，而且对设备损伤较大。本文通过实验手段，对重钢日常生产中出现“轧断”及“飞皮”的原因作了详尽分析，对硬线盘条的生产及质量控制具有一定借鉴意义。

1轧断及飞皮形貌特征

轧断是指钢坯在轧制过程中出现断裂的一类事故。由于坯料到达精轧机组间的已变形程度最大，铸坯缺陷最容易暴露，因此轧断事故一般多发生在精轧机组间。精轧机组一旦出现轧断事故，若处理不及时，便会在精轧机组箱体内轧成造成大量堆钢，事后不仅处理困难而且影响生产节奏，甚至有烫坏辊环造成设备事故的可能，对生产的影响极大。

飞皮是轧后成品出现的一种表面质量缺陷。从外观上看，飞皮像贴在成品表面的一块疤壳，疤壳表面积较大，但层片很薄，具有较大比表面积。疤壳一般呈开口状，撬开疤壳，其根部与基体相连，更像一块一端粘贴在成品表面的薄皮，因此现场技术人员将其形象地称为“飞皮”。飞皮一般随机出现在产品表面，大小及其出现的位置基本无规律可循。飞皮的出现将直接导致硬线在后续拉拔过程中脆断，导致生产连续性中断，甚至带来人身安全事故。因此，成品产生飞皮往往直接导致废品的产生，对生产厂造成较大的经济损失。

2取样及分析方法

2.1轧断取样及检测

在轧断部位取样（保留断头），取样后迅速包裹，防止断口受到污染。随后通过扫描电镜观察断口形貌，并通过能谱分析断口不同部位的化学成分。

2.2飞皮取样及检测

在飞皮部位取样（保留飞皮缺陷），取样后迅速包裹，随后通过扫描电镜观察飞皮具体形貌，并通过能谱分析断口不同部位的化学成分。最后在飞皮部位将试样沿轧制方向及横断面方向进行纵向剖分及横向剖分，制取金相试样，观察剖分断面的微观形貌及夹杂物情况。

3结果分析

3.1轧断检测结果分析

轧断试样断口扫描照片见图1。

由图可以看出，断口处未发现明显韧窝，呈脆性撕裂状断口形貌，表明轧断是由脆性断裂引起。而硬线在轧制过程中，承受三向压应力，只有内部存在塑性极差的异类夹杂或铸坯裂纹缺陷方可导致脆断。仔细观察断口，断口边缘形貌与其它地方明显不同，边缘处出现大片团絮状聚合物，外形不规则，初步判断为某异类夹杂物。

用EDS能谱测定团絮状聚合物的化学成分并与断口其它部位进行对比，结果见图2。

由图2可以看出，团絮状聚合物Si、S、Mn、O含量偏高，而断口下端与之对比的地方，Si、S等元素含量均正常，由此判断团絮状聚合物为硅酸盐与硫化锰夹杂的混合物。硅酸盐（C类）与硫化锰夹杂（A类）具有较好塑性，轧制过程中会随着基体被拉长，当坯料到达精轧机组间时，巨大的纵向变形致使塑性夹杂物拉长演变成纵向微裂纹，在复杂的应力状态下，裂纹尖端产生高度应力集中，当应力场强度因子KI达到材料的断裂韧度KIC时，裂纹迅速失稳产生脆断，从而导致轧断事故的发生。断口处团絮状聚合物，说明了硅酸盐与硫化锰夹杂的存在，从而分析轧断事故的产生与此类夹杂物相关。

3.2飞皮检测结果分析

运用扫描电镜及能谱分析，观察飞皮缺陷的具体形貌，将飞皮部位与飞皮下方正常基体部位的化学成分进行了对比，结果见图3。

由图3可以看出，飞皮部位Si含量为1.12%，Mn含量为0.95%，而飞皮下方覆盖的正常基体Si含量则为0.46%，未发现Mn。可见，飞皮处Si、Mn含量明显高于正常部位。由此分析，飞皮是由塑性较好的硅酸盐夹杂变形而来（含铁锰硅酸盐复合相的表皮）。

正是由于这种在轧制过程中暴露在基体表面的硅酸盐夹杂物与基体的变形能力不一致，轧后冷却的线收缩系数也不一致，造成了成品表面的翘皮（即飞皮）现象。

在飞皮处对试样沿垂直于轧向的横断面方向及轧制方向进行横向剖分与纵向剖分，观察横断面与纵断面的微观组织及夹杂情况，结果见图4。

由图4可以看出，成品组织由索氏体构成，未发现异常现象。但在横、纵断面均发现有夹杂物，如图4a横断面视场中的“小黑点”，图4b纵断面视场中的“白色细线”。经检测分析，“白色细线”是铸坯中的硅酸盐夹杂在轧制过程中产生巨大纵向变形拉长后的形貌，“小黑点”是夹杂物被拉长后的端头，从而更进一步证实了图3的分析结果。

3.3轧断及飞皮控制

通过以上分析，轧断是由硅酸盐与硫化锰夹杂造成，飞皮是由铁锰硅酸盐复合相造成，二者均与硅酸盐、硫化锰等塑性夹杂有关，因此应当对铸坯中塑性夹杂物的数量及尺寸加以控制。影响钢中夹杂物数量和尺寸的重要因素是T[O]，此类夹杂物（低熔点）变形性能好，对硬线产品的拉拔性能相对B类、D类等硬质颗粒夹杂物的影响更小，从某种意义讲塑性夹杂物对硬线钢的生产更有利。

高熔点高硬度类夹杂物（如A1203）将对硬线钢的拉拔性能造成极其恶劣的影响，因此为了控制A1₂O₃类夹杂物的含量，硬线钢冶炼时一般不采用Al脱氧，而采用Si-Mn复合脱氧。因此在控制高硬难熔夹杂的同时，也就无形增加了塑性夹杂的数量。

从夹杂物定量分析，随着精炼过程的进行，夹杂物的数量呈大幅降低趋势，因此应当充分发挥精炼对夹杂物的去除功能，减少塑性夹杂物的数量及尺寸，避免坯料在轧制过程中断裂及出现大块飞皮。

硬线钢中夹杂物主要有MnS、MnO-Al₂O₃-SiO₂和CaO-Al₂O₃-SiO₂三种类型，本文分析到的造成轧断及飞皮的硅酸盐、硫化锰及铁锰复合相夹杂主要是钢水脱氧后未充分排出的脱氧合金形成的夹杂物。

因此，硬线钢冶炼在采用Si-Mn脱氧、SiC扩散脱氧低碱度低Al₂O₃顶渣精炼技术控制钢中T[O]和[Al]s，控制钢中夹杂物数量和尺寸的同时，还应采用精炼后吹Ar软搅拌技术，合理控制搅拌强度，促进夹杂物聚集长大并上浮。

钢水出炉浇铸过程中应当采用较大容量的中间包，合理控制中间包内钢水的深度，并合理控制中间包挡墙结构及中间包内的覆盖剂，进一步促使夹杂物上浮。

铸坯凝固过程中还应采用电磁搅拌技术，进一步分散细化夹杂。

4结论

（1）EDS能谱分析，脆断是因为硅酸盐及硫化锰夹杂在轧制过程中演变成纵向微裂纹后，在复杂应力状态下迅速失稳而产生。

（2）飞皮是轧制后暴露在基体表面的铁锰复合相硅酸盐与基体的变形能力及冷却收缩系数不一致，从而导致成品表面翘皮的一样现象。

（3）导致轧断及飞皮成因的硅酸盐、硫化锰及铁锰复合相硅酸盐主要与脱氧后未充分排出的脱氧合金有关。硬线钢冶炼应当采用Si-Mn脱氧、SiC扩散脱氧、低碱度低Al₂O₃顶渣精炼等技术，控制钢中夹杂物的数量和尺寸。精炼后应采用吹Ar软搅拌，大容量中间包并合理控制中间包内钢水深度、中间包挡墙结构及中间包覆盖剂等技术促使夹杂物上浮。铸坯凝固过程中还应采用电磁搅拌，进一步分散细化夹杂物。