發紋

發紋(hair crake)是指鋼的一種巨觀缺陷。指鋼的塔形車削試樣經酸蝕法或磁粉法顯示出的、呈縱向分布的細小紋縷。它是鋼中夾雜或氣泡、疏鬆等在鋼的加工變形過程中沿鍛軋方向被延伸所致。發紋嚴重地危害著鋼的力學性能，特別是疲勞強度等。用於製造重要機件的鋼材，對發紋的數量、大小和分布狀態都有嚴格的限制。

基本介紹

• 中文名：發紋
• 外文名：hairline
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 釋義：鋼的一種巨觀缺陷
• 危害：鋼的力學性能

簡介

金屬表面發紋缺陷是材料萌發破斷的誘因之一。高錳鋼板次表面的發紋深度淺、長度短、寬度細窄、疏密度不一且不規則分布於整張鋼板的次表面。人工檢驗能偶然看到個別發紋, 卻無法發現整張鋼板布滿發紋缺陷的現象。

高錳鋼的主要化學成分為:wC:1% ～1.25%, wSi:0.15% ～ 0.45%, wMn:12% ～ 14%。該鋼在加工過程中產生的硬化層具有較高的抗衝擊疲勞性能和抗磨損性能, 因此能提高材料表面的耐磨性。採用不同生產工藝處理和加工的耐磨鋼, 其硬化層深度可以達到10 ～ 20 mm,甚至更深。高錳鋼的wMn /wC比為7.5 ～ 8.5, 可穩定獲得單相奧氏體組織, 因而具有較好的硬度和韌性。特鋼事業部生產的高錳鋼板主要套用於液態流體容器的製造。在設備製造過程中鋼板需經裁剪、折彎和焊接加工成型, 對鋼板表面有較高的質量要求。由於成型裝備規格大小及用途不同, 因此, 鋼廠提供的鋼板厚度一般在10 ～ 50 mm之間。本文通過對用戶在使用鋼板過程中多次發生冷折開裂情況的分析, 查找產生髮紋缺陷的原因, 進而提出了應對措施。

生產過程與缺陷的發現

1　生產工藝流程

特鋼事業部的鋼板生產流程為:冶煉—連鑄坯—鋼坯砂輪剝皮—轉場—加熱—軋制—鋼板剪下—拋丸精整—檢驗—入庫。

鋼坯表面採用砂輪剝皮機進行深度為4 mm剝皮後, 對鋼坯正、反面逐塊檢查, 合格鋼坯進爐加熱。軋制過程採用數學模型自動控制。熱軋鋼板剪下後, 對鋼板正、反表面進行翻板檢查, 合格品進行拋丸精整檢驗。

由於整個生產過程都處在微機控制狀態, 對所有數據追溯檢查的結果, 確認:未見生產異常。

2　缺陷的發現

鋼板從軋制、拋丸到精整的全過程都處於受控狀態。各檢驗工序均未發現鋼板表面存在發紋缺陷, 但是, 在對鋼板表面個別點狀缺陷進行磨修的過程中, 發現邊緣存在橫向發紋。對鋼板無缺陷部位用砂輪進行隨意淺磨, 發現同冶煉爐號、不同軋制厚度的鋼板表面存在橫向發紋缺陷, 而且缺陷密度、深度不盡相同。

對2個規格的鋼板缺陷部位取樣, 進行巨觀、高倍、電鏡及能譜檢驗分析, 測定缺陷深度, 檢驗材料的晶粒度。

高倍顯微鏡下發紋的最大深度為0.10 mm, 鋼板基體組織為單相奧氏體, 晶粒度為8 ～ 8.5級, 發紋內部存在一次、二次氧化物。能譜分析結果表明:發紋周圍淺表面的點狀缺陷為氧化鋁夾雜偏聚, 夾雜物能譜分析結果。

由此分析, 表層點狀分布的氧化鋁夾雜可能是表面發紋產生原因之一, 這與連鑄坯表面缺陷磨修不淨, 殘存細微裂紋, 經軋制後形成發紋有關。

缺陷成因分析

1　鋼板表面特點及缺陷定性

金屬表面包括三個薄層:加工應變層、氧化層和吸附層。在這三層下面才是真正意義上的金屬, 即鋼的基體。鋼板經人工檢驗無法發現表面發紋, 是由於發紋產生在鋼板表面加工應變層與鋼基體之間的緣故。由於加工方法不同, 應變層厚度在幾個或數十個原子層之間, 用粗砂紙對鋼板表面打磨後發紋明顯暴露出來。根據發紋的深度、長度及處於鋼板表面的位置, 橫向裂紋定性為鋼板的次表面發紋。

2　鋼坯質量與缺陷的關係

高倍檢驗發現發紋中有一次氧化物存在, 這與鑄坯表面缺陷清除不徹底有關。修磨後鋼坯表面暴露出粗大柱狀晶晶界, 加上枝晶成分偏析本來就是薄弱環節。經軋制後細小微裂紋的寬度、深度和長度略延展。鋼板裂紋形貌與連鑄坯柱狀晶界形貌相比較為一致, 分析認為這是產生橫向發紋的原因之一。

3　鋼種特性與鋼坯加熱工藝

高錳鋼導熱係數比耐熱鋼和不鏽鋼低很多,線膨脹係數是碳素鋼的近2倍。若加熱和軋後冷卻工藝處置不當, 易導致冷裂或熱裂。現行高錳鋼坯加熱的在爐時間為300 ～ 360 min, 加熱溫度1 200℃。根據同爐號不同厚度產品表面無發紋的現狀, 認為加熱制度是合適的, 但是氧化性爐氣易造成高錳鋼表面脫碳、脫錳, 高錳鋼表面脫錳的後果會因相變不完全而造成表層裂紋。高倍檢驗發現的二次氧化物可能與此有關。

4　鋼種特性與軋制工藝

高錳鋼層錯能低, 擴展位錯較寬, 難以束集進行交滑移。阻礙了位錯的運動和產生, 限制了滑移進行。鑒於高錳鋼導熱係數低、線膨脹係數大及變形層錯能低的特點, 結合鋼板在軋制過程因調寬度的轉鋼軋制特性, 對發紋缺陷與軋制工藝的關係進行了以下分析。

連鑄板坯在鑄坯結晶過程中存在結晶流向。鋼板軋制過程中轉鋼軋制的目的有兩個:一是鋼板調寬;二是改善金屬材料的各向異性。鋼坯以垂直於結晶流方向進入軋機進行調寬軋制與平行於結晶流進行延展軋制對金屬內部組織的變化是不盡相同的。若第一道次壓下量為25%時進行垂直於結晶流方向的調寬(寬展)軋制及以後連續進行3 ～ 5道次的調寬(寬展)軋制, 且達到總變形量的35%之後,再進行連續延展軋制到成品規格, 可能會造成淺層表面撕裂而形成發紋缺陷, 是否與不同取向的壓延張力有關留待更深入的研究。這與高倍檢驗發現的二次氧化物是否有關還有待進一步認證。

5　熱軋鋼板軋後冷卻與裂紋的關係

據統計, 按軋制材料號先後進行追溯, 產生髮紋是有明顯規律的。即同一規格限期軋制和收尾軋制的產品, 表面均存在發紋。厚板前期及收尾階段缺陷量塊數較少, 薄板的軋制頭尾缺陷量塊數則較多, 因此發紋的產生與熱軋鋼板的冷卻速度有關。

工藝改進措施

1　鋼坯質量改進

解決鋼坯柱狀晶晶界被氧化問題, 可通過增加連鑄保護渣耗量來減輕鋼液二次氧化和吸入氣體的程度, 減少鑄坯產生橫裂的傾向。控制結晶器液面波動及將矯直輥水平度控制在合適的範圍內, 防止連鑄卷渣和產生矯直裂紋以改善鑄坯表面質量。減少修磨量或者不修磨, 剝皮後鋼坯塗刷耐高溫塗料, 以免柱狀晶暴露。

2　鋼坯加熱制度的完善

高錳鋼導熱係數低, 鋼坯加熱不能採用急火,加熱不宜過快, 防止產生熱應力裂紋。減緩鋼坯在步進加熱爐內的行進速度, 確保溫度的均勻性。將加熱氧化爐氣改為燒中性或弱氧化性爐氣, 降低產品表面脫碳、脫錳傾向。

3　軋制工藝的改進

供坯寬度儘可能接近產品終形寬度, 減少調寬軋制道次。熱軋第一道次時儘可能進行延展軋制, 然後進行調寬與延展交替軋制;若第一道次必須進行調寬軋制時, 後續必須進行調寬與延展交替軋制。調寬與延展交替軋制的道次可視不同產品規格進行調整(視鋼坯寬度及轉鋼裝備允許寬度調整轉鋼), 也可2個道次調寬後進行1個道次延展。

4　高錳鋼的軋後冷卻

調整軋制厚、薄鋼板的先後順序。即先軋厚板, 中間軋制薄板, 後期再軋厚板或根據厚度批量進行厚、薄交替軋制, 以保證薄板在冷床及後續工位有一個相對緩冷的過程。

5　成品檢驗方法的完善

由於發紋存在於鋼板次表面, 因此可用中等硬度的鋼絲刷對鋼板局部表面進行再清理檢查,以快速發現發紋缺陷, 並避免砂輪打磨對鋼板表面造成實質性損傷。

採用改進後的工藝批量生產數百噸高錳鋼,對五種厚度規格(12 mm、16 mm、20 mm、25 mm、30 mm)的產品進行軋後檢查, 效果明顯, 未發現發紋缺陷, 達到了預期的效果。

總結

鋼坯質量、加熱、熱軋工藝及產品線上冷卻等是高錳鋼板次表面產生髮紋缺陷的主要因素。通過對整個生產鏈上現行的工裝條件、工序質量進行綜合性調整:改善鑄坯表面質量和冷坯的剝皮質量、調整加熱爐爐氣, 將加熱氧化爐氣改為燒中性或弱氧化性爐氣、預熱冷床及周圍環境、控制轉鋼生產中調寬軋制的各道次壓下量和頻次, 提升了高錳鋼板質量水平, 有效控制了發紋。