精密合金冷軋鋼帶分層缺陷原因研究

精密合金冷軋鋼帶分層缺陷原因研究任福全1，2薛慶國2陳軍1王靜松2（1，北京北冶功能材料有限公司，北京100192）（2，北京科技大學，北京100083）摘要本文針對精密合金冷軋鋼帶中存在的分層缺陷問題展開研究。通過對分層缺陷取樣進行能譜分析，確定了AL2O3等非金屬夾雜物是造成冷軋鋼帶分層的主要原因。提出工藝改進措施。關鍵詞鋼帶分層夾雜掃描電鏡ABSTRACTTHELAMINATIONDEFECTSOFCOLDROLLEDSTRIPOFPRECISIONALLOYARERESEARCHEDINTHISPAPERSTEELINGOTSAREULTRASONICTESTEDANDDISSECTED,THELAMINATIONDEFECTSOFFORGINGSTOCKSANDCOLDROLLEDSTRIPSTOCKSAREINSPECTEDBYULTRASONICINSPECTION,ANDSAMPLESAREACQUIREDFROMTHEDEFECTLOCATIONSOFCOLDROLLEDSTRIP,COLDSTRIPSTOCK,FORGINGSTOCKASWELLASCASTINGINGOTTHETESTRESULTSSHOWTHATTHELAMINATIONDEFECTOFCOLDROLLEDSTRIPEISCAUSEDBYAL2O3INCLUSIONSKEYWORDSSTRIPLAMINATION,INCLUSION,SCANNINGELECTRONMICROSCOPE1前言精密合金是具有特殊物理性能的合金。用來制造電子、通訊和儀表的重要元件和部件1。精密合金冷軋鋼帶時常在生產過過和客戶加工過程中出現基體分層缺陷。為了減少分層缺陷出現的幾率，目前的方法是對冷帶坯進行超聲波探傷，預先切除有缺陷的料后再進行冷軋。這種方法不僅降低了冷軋鋼帶的成材率，而且沒有從根本上解決分層問題。本文分析了冷軋鋼帶分層缺陷的成因，并有針對性的改進生產工藝。2分層缺陷宏觀描述宏觀形態(tài)如圖1所示。沿軋向在鋼帶表面呈現長條狀鼓泡缺陷，特別是厚度小于10MM且經過連續(xù)光亮退火爐熱處理后表現得更為明顯。此類缺陷彌散分布、無規(guī)律，在寬度方向隨機出現。在鋼帶厚度為06MM時觀察，單個缺陷長度為10MM200MM不等。圖1精密合金冷軋鋼帶分層缺陷外觀照片FIG1THEPICTUREOFLAMINATIONDEFECTSOFCOLDROLLEDSTRIP從缺陷的橫斷面觀察，將有鼓泡缺陷的鋼帶沿厚度方向一分為二，能觀察到分層處存在異物。如圖2所示。圖2鋼帶分層缺陷橫斷面形貌圖FIG2MORPHOLOGICPICTUREINTHECROSSSECTIONOFLAMINATIONDEFECTEXISTING3研究方法精密合金冷軋鋼帶生產工藝流程熔煉鑄錠鍛造熱軋超聲波探傷焊接冷軋。從冷軋鋼帶分層部位和鋼帶冷軋前探傷有缺陷部位取樣，利用掃描電鏡對樣品進行能譜分析化學成分，確定分層處的化學成分，然后對鑄錠凝固缺陷進行研究，總結它們的內在聯(lián)系，進一步確定分層的原因，針對不同工藝環(huán)節(jié)提出相應的改進措施。4分層缺陷產生原因分析及討論大量取冷軋鋼帶分層缺陷樣品，沿缺陷邊緣破開，發(fā)現分層面均存在大量灰白色粉末狀物質。采用掃描電鏡觀察，缺陷呈現片層狀。倍數放大后觀察到片層狀物質是由無數顆粒組成，顆粒直徑約為5M，延斷面鋪展開來。分層微觀形貌如圖3所示。圖3精密合金冷軋鋼帶分層處微觀形貌FIG3MICROSTRUCTUREINTHELAMINATIONAREAOFCOLDROLLEDSTRIPOFPRECISIONALLOY圖4精密合金冷軋鋼帶分層處能譜分析結果FIG4ENERGYSPECTRUMINLAMINATIONAREAOFCOLDROLLEDSTRIPOFPRECISIONALLOY通過能譜分析，確定了灰白色粉末狀物質是以AL2O3為主的非金屬夾雜物。能譜分析結果如圖4所示。為進一步研究導致冷軋鋼帶產生分層缺陷的成因，在鋼帶冷軋前的超聲波探傷環(huán)節(jié)，取缺陷處樣品，用線切割方法沿著缺陷邊緣割下，并手工掰開分層面，仍發(fā)現樣品有一層灰白色的粉末狀物質，在電鏡下觀察，粉末狀物質均為顆粒物，粒徑為20M左右，如圖5所示。對缺陷處進行能譜分析，斷面粉末狀物質為AL2O3為主的非金屬夾雜物。能譜分析結果見圖6。圖5精密合金冷軋鋼帶探傷缺陷斷面處形貌圖FIG5MORPHOLOGICPICTUREINTHEDEFECTEXISTINGCROSSSECTION圖6鍛坯探傷缺陷斷面處能譜FIG6ENERGYSPECTRUMINTHEDEFECTEXISTINGCROSSSECTION比較冷軋前、后的分層缺陷樣品，均發(fā)現在分層斷面處存在以AL2O3為主的非金屬夾雜物，從而確定了AL2O3夾雜物是導致冷軋鋼帶產生分層缺陷的主要原因。為了觀察AL2O3夾雜物是在鋼錠中的存在狀態(tài)，沿平行于軸線方向對鑄錠進行縱剖，經過酸腐蝕后觀察鋼錠縱截面，鋼錠補縮情況良好，未見明顯疏松，凝固組織正常，但仍發(fā)現有肉眼可見的氣泡或疑似夾雜物脫落形成的凹坑。如圖7中左圖所示。再將其中半支鋼錠沿著垂直于鋼錠軸線的方向以每片10MM的厚度進行解剖，在橫斷面上發(fā)現了夾雜缺陷，其最大長度方向超過了1MM。其宏觀照片及顯微照片，如圖7中右圖所示。用掃描電鏡對鋼錠橫截面上非金屬夾雜物的成分進行分析（如圖8所示），非金屬夾雜物以AL2O3為主。圖7鑄錠縱剖面和橫剖面FIG7THEPICTUREOFINGOTINTHEVERTICALANDHORIZONTALSECTIONS圖8鑄錠橫剖片夾雜物顯微照片及能譜分析結果FIG8THEMICROSTRUCTUREPICTUREANDENERGYSPECTRUMOFINCLUSIONDEFECTOFPRECISIONALLOYINGOTINVERTICALSECTION綜上所述，導致冷軋鋼帶分層缺陷產生的原因是鋼中存在的以AL2O3為主的非金屬夾雜物。因為A12O3是常見氧化物夾雜中對鋼質影響最大的一類，它屬于脆性不變形夾雜物，它與基體的熱變形能力差異較大，在熱加工的過程中，大塊的A12O3等脆性夾雜，經變形破碎成具有尖銳菱角的夾雜，并成鏈狀分布在基體中，這些堅硬的形狀不規(guī)則A12O3夾雜破壞了基體一致性，并在夾雜物周圍產生應力集中場，直至在交界面處形成空隙或裂紋2。直觀的表現為使冷軋帶產生分層缺陷?？梢栽O想，在高度650MM的鋼錠中存在1個長度為1MM的A12O3夾雜物，鋼錠鍛造成40MM厚度200MM寬度2000MM長度的鍛坯，由于A12O3夾雜物不能與基體以相同的變形率發(fā)生變形，由此在交界處（不能焊合）形成的的空隙或裂紋長度約為31MM。鍛坯經過熱軋達到5MM厚的冷帶坯時，空隙或裂紋長度變成248MM。當鋼帶冷軋至06MM時，空隙或裂紋長度延長至2067MM，經過熱處理，就會在冷軋鋼帶的表面出現針尖狀長條“鼓泡”亦即分層缺陷。5減少A12O3夾雜物的工藝措施鋼中A12O3夾雜物主要來源于脫氧產物，對于冶煉時使用鋁脫氧工藝生產的精密合金而言，A12O3夾雜物在鋼中是不可避免的，只能通過工藝手段減少A12O3夾雜物的量。（1）采用無鋁脫氧技術。采用復合脫氧劑對鋼液進行脫氧，并使脫氧產物彼此互溶或生成化合物降低脫氧產物的活度；脫氧產物為共溶化合物，其熔點比純氧化物低，易形成液態(tài)脫氧產物；復合脫氧過程中的脫氧產物同鋼液的界面張力小，易析出新相并加快脫氧反應的速度3。如采用以堿土金屬與鋯二元合金，以及含CA，SR，BA的復合材料進行脫氧。（2）真空冶金。在真空條件下，采用石墨碳而非鋁脫氧，不會產生A12O3夾雜物。且由于碳與氧產生CO氣體和驅動，氣體對夾雜物有吸附作用，故有利于夾雜物的上浮。同時，鋼液在驅動氣體作用下產生劇烈的攪拌作用，也能使夾雜物聚集成較大的顆粒4。（3）延長鋼包鎮(zhèn)靜時間。在非真空爐冶金情況下,鋼渣同時倒入鋼包出鋼，造成大量夾雜物進入鋼包后來不及上浮排出。可以通過延長鋼包鎮(zhèn)靜時間使大尺寸夾雜有足夠的上浮時間，以達到提高鋼質純凈度的目的。（4）鈣處理。目前在提高鋼質純凈度方面，鈣處理技術被世界廣泛采用。若鈣用量控制恰當，形成低熔點的鋁酸鹽3CAOAL2O3或12CAO7AL2O3，容易上浮排出。而且成球狀，對鋼的危害性小5。（5）鋼包吹氬攪拌。當往鋼水中通氬氣時,產生大量的氬氣泡,氬氣泡中的氧氮氫的分壓為零,溶解在鋼液中的氣體擴散并聚合排除,同時均勻成分和溫度,增加夾雜物聚集的幾率從而使夾雜的尺寸變大,促進夾雜物碰撞上浮。合適的吹氬工藝既有利于夾雜物的上浮又不會造成鋼水的二次氧化和卷渣4。（6）過濾澆注。為進一步凈化鋼的潔凈度，在冶煉過程中可以采用氧化鋁、氧化鋯、莫來石制作過濾器進行過濾澆注。過濾器分為兩種陶瓷真空過濾器，孔隙率小于50；陶瓷泡沫過濾器，密度小，氣孔率可以達到704，6。采用過濾技術，可有效避免各種夾雜物進入鑄件，從而可以提高鋼質純凈度，目前已廣泛應用于鑄造行業(yè)，在國內精密合金生產行業(yè)也得到越來越廣泛的應用。6結論通過上述的實驗和對實驗結果的分析，可以得出如下結論（1）導致冷軋鋼帶分層缺陷的原因并非鑄錠凝固缺陷，而是鋼中存在的A12O3為主的非金屬夾雜物。（2）可采用無鋁脫氧技術、真空冶金、延長鋼包鎮(zhèn)靜時間、鈣處理、鋼包吹氬攪拌、過濾澆注等措施降低鋼中夾雜物，提高鋼質純凈度。參考文獻