高速線材點(diǎn)線缺陷特性及形成機(jī)理研究

李 偉

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司 企業(yè)管理部，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著軋制生產(chǎn)裝備升級(jí)[1，2]，高速線材已成為鋼鐵工業(yè)的重要產(chǎn)品之一，現(xiàn)在正被廣泛應(yīng)用于鐵公基建、工程機(jī)械、汽車工業(yè)、通訊設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域[3]。由于高速線材生產(chǎn)具有連軋道次多、軋制速度快、接觸面積大、受力多樣化等特點(diǎn)，所以高速線材在生產(chǎn)過程中若控制不當(dāng)則可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)疤、折疊、劃傷和擦傷等表面質(zhì)量缺陷，而該類缺陷在拉拔或冷鐓等下道工序加工過程中因應(yīng)力集中而容易造成缺陷擴(kuò)大，從而造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低下游金屬制品的加工成本，近年來高要求的表面質(zhì)量逐漸成為高速線材市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)，所以高速線材表面質(zhì)量的控制機(jī)理研究顯得至關(guān)重要。

目前，已有部分鋼企和高校報(bào)導(dǎo)了高速線材常見表面質(zhì)量缺陷的形成原因。例如，輥環(huán)橫向裂紋、連鑄坯表面裂紋等將引起產(chǎn)品表面類裂紋[4-7]，孔型過充滿、軋制錯(cuò)輥、軋制旋轉(zhuǎn)等將造成產(chǎn)品表面類折疊[8，9]，鋼坯角部微裂紋、軋槽剝落等引起產(chǎn)品表面類結(jié)疤[10]。然而，對(duì)于不同類型的表面質(zhì)量缺陷尚缺少內(nèi)在關(guān)聯(lián)探索。本文通過?5.5mm～?25mm 規(guī)格的高速線材表面缺陷特征分類對(duì)比和缺陷形成過程跟蹤，分析點(diǎn)缺陷和線缺陷的特征及形成機(jī)理差異，旨在精準(zhǔn)定位缺陷形成位置，便于有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 點(diǎn)線缺陷特征

1.1 點(diǎn)缺陷特征

為論述高速線材表面缺陷特征，根據(jù)缺陷長(zhǎng)度和線材直徑的比值，將表面缺陷分為點(diǎn)缺陷和線缺陷兩種。當(dāng)缺陷長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于線材直徑，該缺陷定義為線缺陷，其他為點(diǎn)缺陷。

如圖1，結(jié)疤、凸塊、翹皮是高速線材常見的不連續(xù)點(diǎn)缺陷，通常與基體連接，其具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。結(jié)疤的形貌特征為月牙形或魚鱗形，周圍一般分布異常紅銹（圖1a、圖1c），凸塊的形貌特征為高出基體的長(zhǎng)條狀（圖1b），翹皮的形貌特征為外形輪廓不規(guī)則翹起薄片（圖1d）。一般而言，凸塊具有周期性，翹皮具有非周期性，結(jié)疤具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。

圖1 點(diǎn)缺陷常見形貌

若軋制滾動(dòng)體軋槽表面出現(xiàn)裂紋、剝落等應(yīng)力疲勞缺陷[11]，則在軋制過程中遺傳產(chǎn)生周期性點(diǎn)缺陷。點(diǎn)缺陷最小的周期間隔為成品孔輥環(huán)的圓周長(zhǎng)，另外根據(jù)連軋秒流量相等原則，任意位置產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷周期間隔（L）與對(duì)應(yīng)工作輥徑（Dn）、終軋與對(duì)應(yīng)軋制的線速度比（V終/Vn）成正比關(guān)系，具體參考見公式1。

高速線材的非周期性點(diǎn)缺陷是由軋制本體缺陷受力變形引起的，通常具有隨機(jī)性。軋制本體缺陷一方面來自鋼坯基體缺陷，如表面凹坑、振痕等，另一方面來自非軋制滾動(dòng)體誘導(dǎo)產(chǎn)生的缺陷，如局部撞擊、遺留異物等。

1.2 線缺陷特征

如圖2，劃傷、耳印、折疊是高速線材常見的連續(xù)線缺陷，其中劃傷、耳印為一次性產(chǎn)生缺陷，而折疊是軋制本體出現(xiàn)一次性產(chǎn)生缺陷后再次軋制形成的缺陷。劃傷的形貌特征為沿軋制方向上呈現(xiàn)連續(xù)直線溝槽形缺陷，該缺陷具有肉眼可識(shí)別的寬度（圖2a），容易形成于軋后導(dǎo)槽、吐絲機(jī)等紅鋼通道。耳印的形貌特征為寬度方向上呈現(xiàn)連續(xù)性凸起缺陷，一般因微張力的作用而分布在成品頭部和尾部（圖2b），若因成品導(dǎo)衛(wèi)漲開等原因則出現(xiàn)于通條位置。折疊的形貌特征為沿軋制方向呈點(diǎn)狀鋸齒形或直線狀缺陷，一般分布在尾部或通條位置（圖2c、圖2d）。

圖2 線缺陷常見形貌

點(diǎn)狀鋸齒形折疊類似于結(jié)疤，呈半包裹狀特征，但點(diǎn)狀鋸齒形折疊是內(nèi)凹型，結(jié)疤是外凸型。線性折疊呈全包裹狀特征，目前熱眼等高端前沿在線設(shè)備還不能檢測(cè)到該缺陷，一般至少需要在酸洗或低倍顯微鏡的條件下方能檢查到該缺陷，因此線性折疊對(duì)檢查要求較為苛刻，故線缺陷的質(zhì)量異議中多為線性折疊。

2 點(diǎn)線缺陷形成機(jī)理

2.1 點(diǎn)缺陷形成機(jī)理

點(diǎn)缺陷主要是由軋制本體缺陷或軋制滾動(dòng)體軋槽表面缺陷在軋制過程中變形引起的不連續(xù)缺陷，根據(jù)缺陷本體位置不同，點(diǎn)缺陷基本上可以分為四種形成機(jī)理，其他情況可理解為演繹復(fù)合機(jī)理。

如圖3a 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)與軋制方向垂直的缺陷A，由于同一截面金屬流速不同，軋制本體的條狀缺陷在軋制壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下變形形成非周期性點(diǎn)缺陷。例如，高碳鋼在軋制小規(guī)格時(shí)，當(dāng)粗軋冷卻水過大，軋制本體的較深連鑄振痕（圖4a）延展性小而被拉伸撕裂形成魚鱗狀結(jié)疤。

如圖3b 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)與軋制方向平行的缺陷B，由于軋制方向金屬流速不同，軋制本體的條狀缺陷在軋制拉應(yīng)力的作用下，變形形成多個(gè)不連續(xù)的小條狀缺陷，并在后續(xù)的軋制過程中形成非周期性較小的點(diǎn)缺陷。例如，高碳鋼在軋制大規(guī)格時(shí)，當(dāng)連鑄坯因加熱溫度高而在懸臂輥道上形成沿軋制方向的劃傷（圖4b），則在后續(xù)的軋制過程中形成位置相對(duì)固定的魚鱗狀結(jié)疤。

如圖3c 所示，當(dāng)軋制滾動(dòng)體出現(xiàn)與軋制方向垂直的缺陷C（圖4c），例如軋槽表面因熱應(yīng)力而剝落，軋制本體在軋制壓應(yīng)力下先形成與軋制方向垂直的周期性凸起條狀缺陷C1，若后續(xù)無軋制道次，則為周期性條狀凸塊，反之，該條狀缺陷沿用機(jī)理1 在后續(xù)軋制壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下變形形成周期性點(diǎn)缺陷。

如圖3d 所示，當(dāng)軋制滾動(dòng)體出現(xiàn)與軋制方向平行的缺陷D（圖4d），例如輥環(huán)泄壓，軋制本體在軋制壓應(yīng)力下先形成與軋制方向平行的周期性凸起條狀缺陷D1，若后續(xù)無軋制道次，則為周期性條狀凸塊，反之，該條狀缺陷沿用機(jī)理2 在后續(xù)軋制拉應(yīng)力的作用下變形形成周期性點(diǎn)缺陷。

圖3 點(diǎn)缺陷形成機(jī)理

圖4 缺陷本體

3 線缺陷形成機(jī)理

與點(diǎn)缺陷形成機(jī)理不同的是，線缺陷與軋制本體或軋制滾動(dòng)體軋槽表面缺陷關(guān)聯(lián)性較弱，線缺陷主要是由軋制裝備不對(duì)中、單雙邊過充滿等引起軋制本體的異常變形，變形后軋制本體若再次經(jīng)過軋制，則形成隱性的線缺陷，例如折疊。根據(jù)缺陷形成位置不同，線缺陷基本上可以分為四種形成機(jī)理，其他情況可理解為演繹復(fù)合機(jī)理。

如圖5a 所示，當(dāng)軋制通道出現(xiàn)尖角時(shí)，如軋制線不對(duì)中、殘留硬質(zhì)物、異常磨損等，軋制本體與尖角接觸并產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，則在軋制本體的表面形成肉眼可見的凹槽。若后續(xù)無軋制道次，則軋制本體沿軋制方向具有深淺不一連續(xù)的線缺陷E。如圖5c 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)線缺陷E 時(shí)，在后續(xù)軋制過程中，類劃傷缺陷被延伸且部分出現(xiàn)軋制愈合，則出現(xiàn)斷續(xù)的不完全包裹的鋸齒狀缺陷G。例如，終軋前的活套或?qū)l(wèi)上受力的導(dǎo)輥表面碎裂將可能出現(xiàn)上述缺陷。

如圖5b 所示，當(dāng)過充滿軋制、錯(cuò)輥軋制或旋轉(zhuǎn)倒鋼軋制時(shí)，軋制本體則從軋輥輥縫處向外擠壓拓展，形成清晰的凸起。若后續(xù)無軋制道次，則軋制本體沿軋制方向具有單邊或雙邊的線缺陷F。如圖5d 所示，當(dāng)軋制本體出現(xiàn)線缺陷F 時(shí)，在后續(xù)軋制過程中，類凸起被壓入軋制本體，形成有一定角度的線性缺陷H，通常這類缺陷界面分明且非垂直方向，其中高碳鋼縫隙兩側(cè)有脫碳或部分脫碳，縫隙中間有氧化鐵雜質(zhì)（圖6a），低碳鋼縫隙兩側(cè)的晶粒尺寸相對(duì)較小（圖6b）。

圖5 線缺陷形成機(jī)理

圖6 線性折疊微觀形貌

4 結(jié)論

（1）點(diǎn)缺陷是不連續(xù)表面缺陷，通常與基體連接，其具有周期性和非周期性兩種形態(tài)。若軋制滾動(dòng)體軋槽表面出現(xiàn)裂紋、剝落等應(yīng)力疲勞，則在軋制過程中遺傳產(chǎn)生周期性點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷周期間隔與對(duì)應(yīng)工作輥徑、終軋與對(duì)應(yīng)軋制的線速度比成正比關(guān)系。

（2）線缺陷是連續(xù)缺陷，其具有半包裹狀和全包裹狀特征，包裹狀缺陷最難檢測(cè)，其界面分明且非垂直方向，其中高碳鋼縫隙兩側(cè)有脫碳或部分脫碳，縫隙中間有氧化鐵雜質(zhì)，低碳鋼縫隙兩側(cè)的晶粒尺寸相對(duì)較小。

（3）點(diǎn)缺陷主要是由軋制本體缺陷或軋制滾動(dòng)體軋槽表面缺陷在軋制過程中變形引起的不連續(xù)缺陷。線缺陷主要是由軋制裝備不對(duì)中、單雙邊過充滿等引起軋制本體的異常變形后形成連續(xù)缺陷。因此，高速線材生產(chǎn)過程要重點(diǎn)監(jiān)控鋼坯表面質(zhì)量、滾動(dòng)體表面質(zhì)量和軋制壓下量等以及與軋材表面接觸的相關(guān)冷卻裝置。