中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷分析與改進措施

喻建林 呂瑞國 唐小勇 劉 濤

(新余鋼鐵集團有限公司）

0 前言

65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼帶主要用于制造膜片彈簧、剎車片、鋸片、鏈條等，工藝流程長且復雜，需經過熱軋、冷軋、沖壓、熱處理等多道工序處理，對產品表面質量有著十分嚴格的要求[1]。65Mn、51CrV4中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶的生產工藝流程是：鐵水脫硫→210 t頂底復吹轉爐→LF精煉脫硫→RH精煉→連鑄→板坯加熱→粗除鱗→粗軋→精除鱗→精軋→層冷→卷取→檢驗→入庫。在開發初期，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面頻繁出現翹皮缺陷，嚴重影響了產品質量和生產交貨，給生產和銷售帶來了負面影響。筆者旨在分析中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷產生原因，提出改進措施，為優化生產工藝和提升產品質量提供有力依據[2-4]。

1 翹皮缺陷形貌

翹皮缺陷主要分為兩種，一種是嚴重翹皮，另一種是邊部翹皮。

嚴重翹皮沿軋制方向呈直線狀、斷續性分布，長度不一；翹皮根部與基體相連；呈舌狀分布；翹皮開口較嚴重；在長度方向和橫向方向均為無規律性分布，主要發生在65Mn鋼種，如圖1所示。

邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續性分布；翹皮根部與基體相連，呈翻皮狀；翹皮開口較輕微；主要分布在距離鋼帶邊部40 mm以內，規律性較明顯，主要發生在51CrV4鋼種，如圖2所示。

2 檢測分析

為進一步探究嚴重翹皮及邊部翹皮這兩種缺陷的形成機理，在實驗室運用DMIRM型金相顯微鏡及QVANTA400掃描電鏡對翹皮缺陷試樣進行了檢測分析[5-6]。

2.1 嚴重翹皮試樣檢測

沿著軋制方向將嚴重翹皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進行腐蝕。可以發現，翹皮深度為1.30 mm，翹皮根部存在氧化和脫碳現象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體+鐵素體，如圖3所示。將嚴重翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察，發現翹皮內部存在較多的黑色顆粒；能譜分析結果表明，這些黑色顆粒主要含有Fe、O、Mg、Si、Ca等化學元素，如圖4所示。對連鑄板坯進行低倍組織檢測，低倍試驗分別采用冷酸浸蝕和熱酸浸蝕兩種方法。冷酸浸蝕是采用飽和苦味酸溶液浸蝕5 min，熱酸浸蝕是在酸液濃度為20%、酸液溫度為75 ℃的熱酸中浸蝕15 min。連鑄板坯低倍組織如圖5所示。可以發現，距離連鑄板坯上表面10～30 mm處存在多條輕微中間裂紋，距離連鑄板坯上表面50～70 mm處存在嚴重中間裂紋。

圖1 嚴重翹皮

圖2 邊部翹皮

圖3 嚴重翹皮金相組織

圖4 掃描電鏡形貌及能譜成分分析

圖5 連鑄板坯

2.2 邊部翹皮試樣檢測

沿著軋制方向將邊部翹皮缺陷中剖，用4%硝酸酒精進行腐蝕，可以發現，翹皮深度為0.4 mm，翹皮根部未發現氧化和脫碳現象；翹皮表皮組織、根部組織及基體組織一致，均為珠光體組織，如圖6所示。將邊部翹皮沿開口方向輕輕掀起，在掃描電鏡下觀察發現翹皮內部存在較多的白色小顆粒，能譜分析結果表明這些白色顆粒主要含有Fe、O等化學元素，主要成分是Fe2O3、Fe3O4，如圖7所示。邊部翹皮沿軋制方向呈直線狀、連續性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內。

圖6 邊部翹皮金相組織

圖7 掃描電鏡形?貌及能譜成分分析

3 檢測結果討論與分析

3.1 嚴重翹皮分析

結合實驗檢測結果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發現的嚴重翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說明嚴重翹皮和基體是一體的，可以排除翹皮是外來異物壓入所造成的。翹皮根部出現氧化和脫碳現象，這說明連鑄板坯在高溫加熱前內部已存在裂紋缺陷，裂紋是由連鑄板坯帶入的。利用QVANTA400掃描電鏡對翹皮內部進行掃描，發現翹皮內部存在較多的黑色顆粒，其主要化學元素為Fe、O、Mg、Si、Ca等，這與連鑄生產時所使用的中碳鋼保護渣的化學成分相似。對連鑄板坯分別進行冷酸浸蝕和熱酸浸蝕，均發現連鑄板坯內部存在嚴重的中間裂紋缺陷。研究結果表明：嚴重翹皮的產生和連鑄板坯存在中間裂紋之間有明顯的對應關系。

當連鑄板坯在澆鑄過程中產生中間裂紋，該缺陷會在熱軋軋制過程中發生破裂、延伸，并最終在鋼帶表面形成嚴重翹皮缺陷。研究指出，帶液芯的連鑄板坯在連鑄機內運行過程中，鑄坯液相穴凝固前沿承受的應力和應變超過其臨界值是產生中間裂紋的根本原因[7-8]。帶液芯的連鑄板坯在連鑄機內運行過程中所承受的力主要包括鋼水靜壓力、彎曲應力、矯直應力、熱應力、導輥不對中產生的附件應力等，這些應變相互疊加超過其臨界應變值時就會在固液界面產生裂紋。過程為：

對生產過程進行追溯，鋼水過熱度控制在33～38 ℃；二冷水噴嘴堵塞較嚴重，冷卻不均勻；鑄機輥縫精度偏差達到1.1～2.0 mm，尤其是0段、1段、2段。中高碳彈簧鋼連鑄板坯在該異常條件下進行澆鑄，由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以脆性溫度IF值高，裂紋敏感性較強。這就導致連鑄板坯在連鑄機內運行過程中反復回溫和鼓肚，在鑄坯內部產生了較大的相變和熱應力；在鑄坯固液界面形成了較大的張應力。在這些應力相互疊加作用下，其應力和應變之和已遠遠超過鑄坯所能承受的臨界應力值和臨界應變值，這就使得鑄坯在凝固脆性區產生裂紋，并沿柱狀晶界面進一步擴展，最終導致中間裂紋的產生。當連鑄板坯內部出現嚴重的中間裂紋時，鑄坯經過高溫加熱及熱軋軋制，內部的中間裂紋無法進行愈合，且會在熱軋軋制過程中發生破裂、延伸，進而在鋼帶表面形成嚴重翹皮。

綜合上述分析可以得出，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶嚴重翹皮的產生是由連鑄板坯存在的中間裂紋在熱軋軋制過程中發生破裂所引起的。造成連鑄板坯內部出現中間裂紋的原因是鋼水過熱度偏高，鑄機輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等因素疊加產生的。

3.2 邊部翹皮分析

結合實驗檢測結果分析得知，在DMIRM型金相顯微鏡下發現邊部翹皮的表層組織、根部組織和基體組織一致，這說明邊部翹皮和基體是一體的，可以排除外來異物壓入所造成的。翹皮根部未出現氧化和脫碳現象，且在QVANTA400掃描電鏡下發現翹皮內部存在的白色顆粒主要成分是Fe2O3、Fe3O4。從邊部翹皮形貌來看，沿軋制方向呈直線狀、連續性分布；且分布在距離鋼帶邊部40 mm以內。初步分析邊部翹皮缺陷是在熱軋軋制過程中產生的。

板坯在立輥中軋制屬于高溫變形。變形無法深入到板坯寬度的中間區域，使得邊部隆起，斷面呈狗骨狀。這是由于立輥側壓變形時，邊部延伸大，中間延伸小，中間部位對邊部產生壓應力[9]。在立輥減寬過程中，金屬流動十分不均勻，減寬量只有一小部分轉化為軋件的延伸，而其余大部分轉化為軋件厚度的增加，這就使得軋件斷面呈現狗骨狀。同時由于軋件在熱軋過程中邊部冷卻較快，塑性變差，立輥側壓時，沿著板坯邊部會形成微裂紋，加之邊部金屬流動所產生的壓力，使得邊部金屬流動到板坯表面，從而造成邊部翹皮的發生。

對生產過程進行追溯，中高碳彈簧鋼熱軋卷板寬度規格是1 050 mm，對應的連鑄板坯寬度規格為1 100 mm，減寬量是50 mm；粗軋道次采用3+3軋制策略，E1第一道次側壓量設定值是40 mm。由于彈簧鋼屬于中高碳合金鋼，所以其脆性大，裂紋敏感性強。在立輥側壓時，在軋輥冷卻水的作用下，板坯邊部冷卻加劇，塑形變差，加之E1第一道次側壓量達到40 mm，導致板坯邊部在側壓時產生微裂紋，邊部金屬在其流動所產生的壓力作用下流動到板坯表面，形成疊軋，從而造成邊部翹皮的產生。

綜合上述分析，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮是在熱軋粗軋過程中產生的，導致卷板邊部翹皮形成的原因是減寬量大（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度），粗軋軋制道次設置不合理，E1單道次側壓量偏大以及邊部冷卻加劇、塑形變差等因素疊加產生的。

4 改進措施

對中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷分析及成因探討，提出了針對性工藝優化改進措施[10-12]。

4.1 嚴重翹皮改進措施

如何控制連鑄板坯產生中間裂紋是解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶出現嚴重翹皮的主要方法。針對連鑄板坯中間裂紋的控制，主要從以下幾個方面進行改進優化：

（1）生產前對連鑄機輥縫精度進行確認，規定輥縫偏差控制在±0.5 mm以內才可以正常生產。若輥縫偏差超過該規定值，必須對輥縫精度進行校對，確認合格后才可以生產。

（2）生產前檢查二冷水噴嘴堵塞及軸承間隙漏水情況，對異常的二冷水噴嘴及漏水的二冷段，必須進行更換，確保二冷段輥子中部不出現漏水情況。

（3）對鋼水過熱度進行嚴格控制，確保開澆第1爐控制在20～30 ℃，其他爐次控制在10～20 ℃。嚴禁高溫澆注。

4.2 邊部翹皮控制措施

針對在粗軋過程中中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶形成邊部翹皮的產生原因及機理分析，為更好地控制解決中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮的產生，主要從以下幾個方面進行改進優化：

（1）合理設計連鑄板坯寬度，保證減寬量≤30 mm（減寬量=連鑄板坯寬度-熱軋卷板寬度）。

（2）針對客戶品種規格多、品種規格跨度大、生產組織困難的合同，與客戶做好技術溝通、協商，合理設計連鑄坯規格。

（3）優化粗軋軋制策略。增加粗軋軋制道次，將3+3軋制道次改為3+5軋制道次；適量分配各道次側壓量，減少單道次側壓量，尤其是要將粗軋第一道次側壓量控制在20 mm以內，避免邊部產生微裂紋。

（4）生產前檢查立輥區域軋輥冷卻水噴嘴常開情況，對異常的噴嘴，必須進行更換，避免板坯邊部冷卻加劇。

5 改進效果

現場跟蹤反饋，采用工藝優化改進措施后，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶翹皮缺陷得到了有效控制。對優化后的連鑄板坯采用飽和苦味酸溶液進行冷酸浸蝕，低倍組織如圖8所示，在鑄坯內部未見中間裂紋缺陷，鑄坯質量良好；中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面未出現嚴重翹皮及邊部翹皮缺陷，如圖9所示,表面質量良好。中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經下游用戶進行冷軋、沖壓及熱處理等多道工序加工，表面質量光潔，產品質量穩定，性能優越良好，得到了客戶認可。

6 結論

圖8 優化后鑄坯低倍組織

圖9熱卷表面質量

（1）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶表面嚴重翹皮缺陷是由于連鑄板坯存在中間裂紋所引起的。中間裂紋在熱軋軋制過程中發生破裂、延伸，從而在鋼帶表面形成嚴重翹皮。鋼水過熱度偏高，鑄機輥縫精度差以及二冷水冷卻不均勻等是導致連鑄板坯形成中間裂紋的根本原因。

（2）中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶邊部翹皮缺陷是連鑄板坯在熱軋粗軋過程中所產生的。減寬量偏大、立輥側壓不合理以及邊部塑性變差等是導致熱軋鋼帶邊部翹皮形成的主要原因。

（3）通過在煉鋼工序和軋鋼工序采取改進措施，鑄坯中間裂紋得到控制，有效防止了鋼帶嚴重翹皮和邊部翹皮缺陷的產生，中高碳彈簧鋼熱軋鋼帶經下游用戶加工驗證，產品質量良好，得到了用戶的認可。