精密合金冷轧钢带分层缺陷原因研究

精密合金冷轧钢带分层缺陷原因研究任福全1，2薛庆国2陈军1王静松2（1，北京北冶功能材料有限公司，北京100192）（2，北京科技大学，北京100083）摘要本文针对精密合金冷轧钢带中存在的分层缺陷问题展开研究。通过对分层缺陷取样进行能谱分析，确定了AL2O3等非金属夹杂物是造成冷轧钢带分层的主要原因。提出工艺改进措施。关键词钢带分层夹杂扫描电镜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。用来制造电子、通讯和仪表的重要元件和部件1。精密合金冷轧钢带时常在生产过过和客户加工过程中出现基体分层缺陷。为了减少分层缺陷出现的几率，目前的方法是对冷带坯进行超声波探伤，预先切除有缺陷的料后再进行冷轧。这种方法不仅降低了冷轧钢带的成材率，而且没有从根本上解决分层问题。本文分析了冷轧钢带分层缺陷的成因，并有针对性的改进生产工艺。2分层缺陷宏观描述宏观形态如图1所示。沿轧向在钢带表面呈现长条状鼓泡缺陷，特别是厚度小于10MM且经过连续光亮退火炉热处理后表现得更为明显。此类缺陷弥散分布、无规律，在宽度方向随机出现。在钢带厚度为06MM时观察，单个缺陷长度为10MM200MM不等。图1精密合金冷轧钢带分层缺陷外观照片FIG1THEPICTUREOFLAMINATIONDEFECTSOFCOLDROLLEDSTRIP从缺陷的横断面观察，将有鼓泡缺陷的钢带沿厚度方向一分为二，能观察到分层处存在异物。如图2所示。图2钢带分层缺陷横断面形貌图FIG2MORPHOLOGICPICTUREINTHECROSSSECTIONOFLAMINATIONDEFECTEXISTING3研究方法精密合金冷轧钢带生产工艺流程熔炼铸锭锻造热轧超声波探伤焊接冷轧。从冷轧钢带分层部位和钢带冷轧前探伤有缺陷部位取样，利用扫描电镜对样品进行能谱分析化学成分，确定分层处的化学成分，然后对铸锭凝固缺陷进行研究，总结它们的内在联系，进一步确定分层的原因，针对不同工艺环节提出相应的改进措施。4分层缺陷产生原因分析及讨论大量取冷轧钢带分层缺陷样品，沿缺陷边缘破开，发现分层面均存在大量灰白色粉末状物质。采用扫描电镜观察，缺陷呈现片层状。倍数放大后观察到片层状物质是由无数颗粒组成，颗粒直径约为5M，延断面铺展开来。分层微观形貌如图3所示。图3精密合金冷轧钢带分层处微观形貌FIG3MICROSTRUCTUREINTHELAMINATIONAREAOFCOLDROLLEDSTRIPOFPRECISIONALLOY图4精密合金冷轧钢带分层处能谱分析结果FIG4ENERGYSPECTRUMINLAMINATIONAREAOFCOLDROLLEDSTRIPOFPRECISIONALLOY通过能谱分析，确定了灰白色粉末状物质是以AL2O3为主的非金属夹杂物。能谱分析结果如图4所示。为进一步研究导致冷轧钢带产生分层缺陷的成因，在钢带冷轧前的超声波探伤环节，取缺陷处样品，用线切割方法沿着缺陷边缘割下，并手工掰开分层面，仍发现样品有一层灰白色的粉末状物质，在电镜下观察，粉末状物质均为颗粒物，粒径为20M左右，如图5所示。对缺陷处进行能谱分析，断面粉末状物质为AL2O3为主的非金属夹杂物。能谱分析结果见图6。图5精密合金冷轧钢带探伤缺陷断面处形貌图FIG5MORPHOLOGICPICTUREINTHEDEFECTEXISTINGCROSSSECTION图6锻坯探伤缺陷断面处能谱FIG6ENERGYSPECTRUMINTHEDEFECTEXISTINGCROSSSECTION比较冷轧前、后的分层缺陷样品，均发现在分层断面处存在以AL2O3为主的非金属夹杂物，从而确定了AL2O3夹杂物是导致冷轧钢带产生分层缺陷的主要原因。为了观察AL2O3夹杂物是在钢锭中的存在状态，沿平行于轴线方向对铸锭进行纵剖，经过酸腐蚀后观察钢锭纵截面，钢锭补缩情况良好，未见明显疏松，凝固组织正常，但仍发现有肉眼可见的气泡或疑似夹杂物脱落形成的凹坑。如图7中左图所示。再将其中半支钢锭沿着垂直于钢锭轴线的方向以每片10MM的厚度进行解剖，在横断面上发现了夹杂缺陷，其最大长度方向超过了1MM。其宏观照片及显微照片，如图7中右图所示。用扫描电镜对钢锭横截面上非金属夹杂物的成分进行分析（如图8所示），非金属夹杂物以AL2O3为主。图7铸锭纵剖面和横剖面FIG7THEPICTUREOFINGOTINTHEVERTICALANDHORIZONTALSECTIONS图8铸锭横剖片夹杂物显微照片及能谱分析结果FIG8THEMICROSTRUCTUREPICTUREANDENERGYSPECTRUMOFINCLUSIONDEFECTOFPRECISIONALLOYINGOTINVERTICALSECTION综上所述，导致冷轧钢带分层缺陷产生的原因是钢中存在的以AL2O3为主的非金属夹杂物。因为A12O3是常见氧化物夹杂中对钢质影响最大的一类，它属于脆性不变形夹杂物，它与基体的热变形能力差异较大，在热加工的过程中，大块的A12O3等脆性夹杂，经变形破碎成具有尖锐菱角的夹杂，并成链状分布在基体中，这些坚硬的形状不规则A12O3夹杂破坏了基体一致性，并在夹杂物周围产生应力集中场，直至在交界面处形成空隙或裂纹2。直观的表现为使冷轧带产生分层缺陷。可以设想，在高度650MM的钢锭中存在1个长度为1MM的A12O3夹杂物，钢锭锻造成40MM厚度200MM宽度2000MM长度的锻坯，由于A12O3夹杂物不能与基体以相同的变形率发生变形，由此在交界处（不能焊合）形成的的空隙或裂纹长度约为31MM。锻坯经过热轧达到5MM厚的冷带坯时，空隙或裂纹长度变成248MM。当钢带冷轧至06MM时，空隙或裂纹长度延长至2067MM，经过热处理，就会在冷轧钢带的表面出现针尖状长条“鼓泡”亦即分层缺陷。5减少A12O3夹杂物的工艺措施钢中A12O3夹杂物主要来源于脱氧产物，对于冶炼时使用铝脱氧工艺生产的精密合金而言，A12O3夹杂物在钢中是不可避免的，只能通过工艺手段减少A12O3夹杂物的量。（1）采用无铝脱氧技术。采用复合脱氧剂对钢液进行脱氧，并使脱氧产物彼此互溶或生成化合物降低脱氧产物的活度；脱氧产物为共溶化合物，其熔点比纯氧化物低，易形成液态脱氧产物；复合脱氧过程中的脱氧产物同钢液的界面张力小，易析出新相并加快脱氧反应的速度3。如采用以碱土金属与锆二元合金，以及含CA，SR，BA的复合材料进行脱氧。（2）真空冶金。在真空条件下，采用石墨碳而非铝脱氧，不会产生A12O3夹杂物。且由于碳与氧产生CO气体和驱动，气体对夹杂物有吸附作用，故有利于夹杂物的上浮。同时，钢液在驱动气体作用下产生剧烈的搅拌作用，也能使夹杂物聚集成较大的颗粒4。（3）延长钢包镇静时间。在非真空炉冶金情况下,钢渣同时倒入钢包出钢，造成大量夹杂物进入钢包后来不及上浮排出。可以通过延长钢包镇静时间使大尺寸夹杂有足够的上浮时间，以达到提高钢质纯净度的目的。（4）钙处理。目前在提高钢质纯净度方面，钙处理技术被世界广泛采用。若钙用量控制恰当，形成低熔点的铝酸盐3CAOAL2O3或12CAO7AL2O3，容易上浮排出。而且成球状，对钢的危害性小5。（5）钢包吹氩搅拌。当往钢水中通氩气时,产生大量的氩气泡,氩气泡中的氧氮氢的分压为零,溶解在钢液中的气体扩散并聚合排除,同时均匀成分和温度,增加夹杂物聚集的几率从而使夹杂的尺寸变大,促进夹杂物碰撞上浮。合适的吹氩工艺既有利于夹杂物的上浮又不会造成钢水的二次氧化和卷渣4。（6）过滤浇注。为进一步净化钢的洁净度，在冶炼过程中可以采用氧化铝、氧化锆、莫来石制作过滤器进行过滤浇注。过滤器分为两种陶瓷真空过滤器，孔隙率小于50；陶瓷泡沫过滤器，密度小，气孔率可以达到704，6。采用过滤技术，可有效避免各种夹杂物进入铸件，从而可以提高钢质纯净度，目前已广泛应用于铸造行业，在国内精密合金生产行业也得到越来越广泛的应用。6结论通过上述的实验和对实验结果的分析，可以得出如下结论（1）导致冷轧钢带分层缺陷的原因并非铸锭凝固缺陷，而是钢中存在的A12O3为主的非金属夹杂物。（2）可采用无铝脱氧技术、真空冶金、延长钢包镇静时间、钙处理、钢包吹氩搅拌、过滤浇注等措施降低钢中夹杂物，提高钢质纯净度。参考文献