钢材缺陷及成因培训教材.doc

第一章 钢的基本知识碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。碳原子溶于铁形成的固溶体称为铁素体，溶于铁形成的固溶体称为奥氏体。碳含量超过溶解度后，剩余的碳可能有两种存在方式：渗碳体Fe3C或石墨。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变，但Fe3C实际上是一个亚稳定相，在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨，因此Fe-石墨系是更稳定的状态。按照这样情况，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨的双重相图。通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁。根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：工业纯铁，0.0218%C；共析钢，0.77%C；亚共析钢，0.02180.77%C；过共析钢，0.772.11%C；共晶白口铸铁，4.30%C；亚共晶白口铸铁，2.114.30%C过共晶白口铸铁，4.306.69%C珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。它经适当的退火处理后也可呈球粒状分布在铁素体的基体上，称为球状（或粒状）珠光体。铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，其中铁素体是软韧的相，而渗碳体是硬脆相。钢中珠光体对其性能有很大的影响。珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于渗碳体以细片状分散地分布在软韧的铁素体基体上，起了强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，强度越高；如果其中的渗碳体球化，则强度下降，但塑性与韧性提高。亚共析钢随着含碳量的增加，珠光体的数量逐渐增多，因而强度、硬度上升，塑性与韧性下降。当含碳量为0.77%时，钢的组织全为珠光体，故此时钢的性能就是珠光体本身的性能。过共析钢除珠光体外，还出现了二次渗碳体，故其性能要受到二次渗碳体的影响。若含碳量不超过1%，由于在晶界上析出二次渗碳体一般还不连成网状，故对性能的影响不大。当含碳量大于1%以后，因二次渗碳体的数量增多而呈连续网状分布，则使钢具有很大的脆性，塑性很低，b也随之降低。第二章 连铸钢方坯低倍组织缺陷1中心疏松形貌特征：酸蚀试片面上集中在中心部位的空隙和暗点。产生原因：钢坯凝固时体积收缩引起的组织疏松及钢坯中心部位因最后凝固，气体析集和夹杂物聚集较为严重所致。评定原则：以试片暗点和空隙的数量、大小及密集程度评定。共划分为4级。2中心偏析形貌特征：在酸蚀试扯的中心部位呈现文化馆较深的暗斑。产生原因：钢液在凝固过程中，由于结晶规律的影响及钢坯中心部位冷却较慢，造成心部的成分偏析。评定原则：根据中心部位组织文化馆较深的暗斑大小评定。共划分为4级。3缩孔形貌特征：在试片的中心部位呈不规则的空洞。产生原因：钢液在凝固时发生体积集中收缩而产生的。评定原则：以空洞大小评定。共划分为4级。4角部裂纹形貌特征：在试片的角部，距表面有一定浓度并与表面垂直，裂纹严重时沿对角线向内部扩展。产生原因：由于铸坯角部的侧面凹陷及严重脱方，使局部受到应力作用而形成的。评定原则：以裂纹的数量、尺寸以及距表面距离评定。共划分为4级。5边部裂纹形貌特征：在试片的边部，等轴晶和柱状晶的交界处产生并沿柱状晶向内部扩展。产生原因：发生鼓肚的铸坯，通过导辊矫直变形引起的。评定原则：以裂纹的数量及尺寸评定。共划分为4级。6中间裂纹形貌特征：在柱状晶区域内产生并沿柱状晶扩展。这种裂纹一般垂直于铸坯的两个侧面，严重时试片中心点的上下左右四个方向同时存在。产生原因：铸坯通过喷水区时，由于强制冷却不良及随后铸坯表面的回热而产生的热应力引起的。评定原则：以裂纹的数量及尺寸评定。共划分为4级。7中心裂纹形貌特征：裂纹在靠近中心部位的柱状晶区域内产生并垂直铸坯的弧面，一般在上弧面产生，严重时可穿过中心。产生原因：由于铸速过高，铸坯在液芯状态下矫直时，因压力过大而引起的。评定原则：以裂纹的数量及尺寸评定。共划分为4级。8皮下气泡形貌特征：在试片的皮下呈分散或成簇分布的细长裂缝或椭圆形气泡，裂缝垂直于钢坯表面。产生原因：由于钢液脱氧不良或各个环节不干燥而造成的。评定原则：以气泡离表面距离和长度及数量评定。共划分为4级。9非金属夹杂物形貌特征：试片上呈不同形状和不同颜色的非金属颗粒或文化馆后非金属夹杂剥落后的孔隙。一般位于上弧皮下边长的四分之一处。产生原因：冶炼过程中的脱氧产物以及钢水二次氰化等形成的夹杂物进入结晶器后上浮分离较困难所致。评定原则：以夹杂物的数量及尺寸大小评定大颗粒夹杂不允许存在。共划分为4级。以上各类缺陷以肉眼可见为限，根据其程度按照评级图进行比较分别评定。当其程度介于相邻两级之间时可评半级。第三章 杂质元素对钢的组织和性能的影响由于冶炼过程不可能除尽杂质，所以实际使用的碳钢中除碳以外，还含有少量的硫、磷、锰、硅、氧、氮等元素。它们的存在，会影响钢的质量和性能。（一）硅和锰的影响硅和锰是炼钢过程中随脱氧剂进入钢中，或者由生铁残存下来。铁中可以固溶甚多的硅，而碳钢中含Si量一般小于0.5%，故均可溶入铁中。但硅与氧的亲合力很强，形成SiO2，在钢中以夹杂物形式存在，影响钢的质量。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%，主要固溶在铁中，此外由于锰与硫的结合力强，故形成MnS夹杂物。溶于铁素体中的硅和锰可提高铁素体的强度，因而对钢的性能是有利的，但是如果形成夹杂物，则起不利的作用。（二）硫的影响硫是炼钢时不能除尽的有害杂质，硫只能溶于钢液，而在固态铁中的溶解度极小。它和铁能形成熔点为1190的FeS，FeS又与铁形成熔点更低（989）的共晶体。当结晶接近完成时，钢中的硫几乎全部集中到枝晶之间的剩余钢液中，并最后形成Fe+FeS共晶。若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如1000以上时，Fe+FeS共晶体就将熔化，对这种钢进行轧制或锻造，就会沿晶界碎裂。这种现象称为钢的“红脆”或“热脆”。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时，也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。因此钢中含硫量要严格控制。如果钢水脱氧不好，含FeO多，则钢中的硫将与Fe及FeO形成熔点更低（940）的三元共晶（Fe+FeS+FeO），这种共晶体对钢的危害更大。钢中的锰可以减弱硫的有害作用，因为锰和硫的亲和力大于铁和硫的亲和力，优先形成硫化锰MnS。硫化锰的熔点（1600）高于始锻（轧）温度，并在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工后的钢材中硫化锰均呈条状沿轧向分布。但是，这些夹杂物却使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。硫还对钢的焊接性能有不良的影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成SO2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。因此，硫是钢中的有害元素，应在炼钢时尽力除去。在优质钢中规定其含量不得超过0.040%，在普通碳素钢中也限制硫的含量不应大于0.055%（在侧吹碱性转炉钢中不大于0.065%）。但是，硫的有害作用在一定条件下也可以加以利用。例如，在切削加工性是主要矛盾的易削钢中，有意提高了硫的含量（如我国Y15S25钢中含硫达0.25%），同时相应地增加锰含量，以形成较多的硫化锰，降低钢的塑性，使切削易于断裂。这样既可改善低碳钢工件加工后的表面光洁度，又可节省动力。同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具的寿命。这种易削钢主要用在自动机床上加工批量大、要求光洁度较好而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。（三）磷的影响磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多（允许最高含量为0.09%），碱性平炉钢中残留较少（0.06%）,而在碱性电炉与电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在铁中的最大溶解度可达2.55%（1049）。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中。磷有较强的固溶强化作用，它使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。铁磷合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。由于以上原因，在一般情况下，都需严格控制磷的含量。普通碳素钢的含磷量就0.045，优质碳素钢应0.04，高级优质钢0.035。磷的有害作用在一定条件下也可以利用。在易削钢中把含磷量提高到0.080.15%，使铁素体适当脆化，可以提高钢的切削加工性。磷还可提高钢在大气中的抗腐蚀性，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。我国生产09MnCuPTi之类的低合金高强度构造用钢就是其中一例。在这些钢中，由于磷和其他元素合理配合（如Cu-P-稀土、Cu-P-Ti、Cu-P等），并在保证取得细晶组织的条件下，磷的冷脆作用得以抑制，故在S、b升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。（四）氮的影响氮是在冶炼时进入钢中的。用平炉冶炼的碳素钢中含氮量约为0.0010.008%，纯氧顶吹转炉钢中约为0.0030.006%，电炉钢中约为0.0080.016%，而碱性转炉钢中约为0.010.03%。氮在铁中的溶解度在590时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，当将含氮量较高的钢自高温较快地冷却，铁素体中溶氮量大致过饱和。如果将此钢材经冷变形后在室温旋转或稍为加温时，氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象叫做机械时效或应变时效，对低碳钢的性能不利。长期以来，习惯把氮看作是钢中的有害杂质，特别是增加低碳钢的时效敏感性，使其塑性、韧性下降等。但近来研究表明，当低碳钢中存在钒、铌、钛等元素而形成氮化物时，有细化晶粒和沉淀强化效果。此外，在某些耐热钢中也常把氮作为一种合金元素。（五）氢的影响钢中氢一般是由锈蚀含水的炉料带入或从含有水蒸气的炉气中吸入。钢中氢含量一般甚微，对组织看不出什么影响。但是氢对钢的危害是很大的，表现为两个方面：一是溶入钢中后引起“氢脆”，使钢的塑性下降，脆性增大，且在低于其极限强度的应力作用下，经一定时间后会发生断裂。钢的强度越高，对氢脆也越敏感。二是导致钢件内产生大量的细微裂纹缺陷白点。其在纵向断口上呈表面光滑的、银白色的斑点，形状接近圆形或椭圆形，直径一般在零点几毫米至几毫米的范围内（有时可能更大）；而在酸蚀后的横向试面上，则呈较多的发丝状裂纹，往往位于试样心部，或接近心部而离表面较远。白点使钢的延伸率显著下降，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可接近于零。因此，具有白点的钢件一般是不能使用的。大型钢材或锻件尤其是合金钢中易产生白点。因此一方面要从防止氢进入钢中着手，另一方面要对大件进行去氢退火处理来避免。（六）氧的影响氧在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物形式存在，如FeO、Fe2O3、Fe3O4、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、MgO等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐。这些非金属夹杂物的存在，会使钢的性能下降，影响程度则与夹杂物的大小、数量、分布等有关。第四章 线材主要缺陷及成因41线材外部缺陷线材用途十分广泛，用途不同对线材的质量要求亦有所不同。例如，焊条、焊丝用线材对化学成份及偏析有严格要求；冷镦用线材要求具有良好的表面质量，弹簧用线材对化学成分、表面质量、低倍及高倍组织等都有严格的要求。本章重点讨论线材的表面和内部几种常见缺陷及成因。线材的表面缺陷与拉拔的关系非常密切，其危害甚于线材的内部缺陷，因而广大金属制品厂对线材的表面质量要求十分严格。表面缺陷一是原料带来的，二是热轧或精整过程造成的。线材表面质量的控制首先要严格控制连铸坯质量，严格检查、正确判定、并认真清理修磨 。需要特别强调的是对连铸坯的隐形缺陷应引起注意，如皮下汽泡、夹杂、缩孔等。对炼钢及浇注未达到工艺控制要求的坯料要严格检查，不让有缺陷的钢坯流入轧材工序。GB/T4354、YB/T146、YB/T170等标准对常用高速无扭控冷轧制的盘条表面质量有明确的规定：要求“表面应光滑，不得有裂纹、折叠、耳子、结疤、分层、夹杂等，对表面缺陷允许有压痕局部麻点、划痕，其深度或高度A级精度不得大于0.15mm，B、C级精度不得大于0.10mm”。国外也有标准规定麻点深度不得超过公称直径的1%。下面对线材常见表面缺陷的形成原因作一简要说明。图4.1.1 100X 折叠 耳子 盘条表面沿轧方向的条状凸起称为耳子，因产生的形状不同可分为单边耳子、双边耳子和上下两个半圆错开的错边耳子。它们产生于线材的全长上，亦可能存在于局部，呈连续的或断续的分布。形成耳子的主要原因在于轧槽过充满或倒钢造成的，轧槽导卫安装不正或松动，以及轧辊车削、安装、调整不当等均能使轧件产生耳子。轧制温度的波动或局部不均匀，影响轧件的宽展量，也可能形成耳子。此外，坯料的缺陷，如缩孔、偏析、分层及外来夹杂物，影响轧件的正常变形，因此也是形成耳子的原因。耳子缺陷若产生于成品孔，其外形明显可判，若产生于半成品孔，则在以后的轧制时必将造成表面折叠。折叠 盘条表面沿轧制方向呈直线状或锯齿状的细线，在横断面上与表面呈小角度交角状的缺陷叫折叠（如图4.1.1所示）。它可以是连续状的或不连续的，经过扭转后呈现翘起。这主要是由前次的耳子，也可能是其他纵向凸起物折倒轧入本体所造成的。方坯上的缺陷处理不当留下的深沟，轧制时形成折叠。折叠的两侧伴有脱碳层或部分脱碳层，折缝中间常存在氧化铁夹杂。折叠缺陷有时被线材的氧化铁皮覆盖而不易被发现，有时在作性能检测时才被发现，拉拔时影响了线材的延伸性能。覆盖而不易被发现，有时在作性能检测时才被发现，拉拔时影响线材的延伸性能，并产生裂纹、断丝等不正常现象。 裂纹 盘条表面沿轧制方向有呈直线、弯曲或折曲状的细线，这种缺陷多为裂纹或裂缝，其形状如图4.1.2所示。盘条在承受加工过程中，金属表面、次表面或内部，会因材料本身的原因或加工不当而形成裂纹。裂纹在盘条上以纵向 图4.1.2 100X 盘条表面裂纹或横向裂纹两种形式出现。纵向裂纹在线材表面呈连续或不连续分布；而横向裂纹多是不连续的。有时裂纹内有夹杂物，在裂纹两侧存在脱碳现象。形成裂纹的原因，一方面是材料本身原因，主要是钢坯上已有纵（横）向裂纹、皮下气泡及非金属夹杂物在热轧后暴露，此外坯料皮下夹渣、星形裂纹及深振痕也是产生裂纹的因素，其中皮下气泡是常见的重要缺陷之一，不显露时很难检查出来，另一方面主要是加热、轧制时产生的，如钢坯加热工艺不当，加热速度过快、加热温度过高造成过热或过烧，钢坯温度不均等，经轧制时易产生裂纹，盘条轧后冷却速度过快，也可能造成成品裂纹，后者还可能出现横向裂纹。轧后控冷不当形成的裂纹无脱碳氧化现象。结疤 在盘条表面与盘条本体部分结合或未完全结合的金属片层称为结疤。一般呈舌状，厚薄不均，大小不一。结疤主要是由于被氧化的金属轧入线材表面不能焊合所造成的。前者是由成品以前道次轧件上的凸起物轧入本体形成的，后者则是已脱离轧件的金属碎屑轧在轧件表面上形成的。漏检锭坯上留有的结疤，未清除干净的翘皮、飞翅也可形成盘条表面的结疤。分层 盘条金属基体的完整性和连续性被破坏，金属分成两层或多层的现象叫分层。分层大多出现在线材的头部或接近头部的位置 。其产生的主要原因有：坯中的氧化气泡在热轧时不能焊合而形成分层、铸坯中卷入溶渣或炉渣及盘条表面所见夹杂，这些肉眼可见的大片非金属夹杂物在轧制时就要开裂分层；钢质不良，特别是低熔及有害元素的偏析，如磷、硫、砷、铅、铜等，在轧制过程中的严重不均匀变形而造成头部开裂、分层现象，分层在拉拔后易产生劈裂。凸块及压痕 盘条表面呈周期性的凸起、凹下称为凸块、压痕。这主要是轧槽损坏、磨损、局部硬度不够等因素造成的。老式轧机生产的盘条，有时出现这类缺陷，高速线材轧机的产品甚少遇到，主要是因为高速轧机的轧辊材质坚硬，磨制光洁平滑。麻点 麻点又称麻面，盘条表面上由许多细小凹凸点组成的粗糙缺陷叫麻点，麻点产生的主要原因有：轧辊质量差，表面硬度不一或失去冷硬层；轧辊车削后存放时发生严重锈蚀及轧槽磨损严重；终轧温度过高，冷却速度过慢，盘条表面受到严重氧化造成的；盘条轧成后长期贮存在潮湿及腐蚀介质中，也易形成麻点。作为金属制品原料，麻点将影响钢丝的表面质量。划痕 盘条表面上沿轧制方向出现直线形沟状且可见沟底的缺陷叫划痕，划痕是轧件在运动过程中由于与粗糙或尖锐物剧烈磨擦而造成的。如导卫加工不良，进口夹板有刺或安装偏斜，夹板内存有氧化铁皮或异物；围盘出口喇叭口不正，轧件与喇叭口剧烈磨擦，或拉钢时与安全桩磨擦均可形成划痕；成品通过有缺陷的设备，如水冷箱、夹送辊、吐丝机、散卷输送线、集卷器及打捆机等都可能产生划痕。划痕在生产过程中难以避免，但其深度如果超过标准规定，则必须检查与轧件发生摩擦的主要地方，然后采取消除或减轻摩擦，使线材产品没有明显的划痕。 夹杂 盘条截面上的夹杂和表面上的夹杂一样，是指肉眼可见的夹杂，这样的缺陷一般是铸钢时外来的非金属物质进入钢液，冷凝后粘附在钢锭或铸坯某个部位造成的。 氧化皮 线材在高温轧制过程中，由于表层与氧气接触产生化学反应生成的氧化物吸附在线材的表面称为氧化皮。线材在轧制过程中表面不可避免的要产生氧化皮，但过厚的氧化皮在线材后续加工过程中不易清除干净，可能会给生产带来困难。国内有关标准规定：盘条表面氧化铁皮重量不大于10Kg/t。国际上一般标准规定不超过8Kg/t。过去有的厂家对盘条表面的氧化铁皮未予重视。过多的氧化铁皮严重影响深加工产品的成材率。不同氧化皮结构和组成对机械除鳞或化学酸洗除鳞有不同的影响。对直接用作建筑材料的盘条，其表面缺陷主要影响强度、疲劳极限；作为拉丝及其他深加工的原料，盘条的表面缺陷除对拉模及其他工模具有损害之外，重要的是严重影响其中间产品及最终产品的质量。如裂纹在拉丝过程中将会逐步扩大，在退火过程中脱碳层加深，调质过程中在裂纹尖端处产生较大的内应力，裂纹进一步扩展，导致产品不合格或报废，甚至还会造成设备故障、安全事故，降低工作效率。线材成品缺陷的判断及产生原因，是线材生产人员所必须具备的基本知识，否则就不能做好缺陷预防和检验把关工作，也无法调整工艺。4.2线材的内部缺陷 盘条的显微组织决定了线材性能，特别是力学性能及工艺性能。线材按用途可分为两大类，一类是直接使用，主要用于建筑业；另一类是深加后使用。线材表面缺陷，比较容易的觉察到，但是线材内部的缺陷，往往在线材拉拔过程中暴露，经过检查才发现。所以说，盘条的显微组织决定线材的通条性能，直接影响着线材的拉拔性能。对于采用控制冷却工艺所生产的中高碳钢盘条要求获得拉拔性能优良的索氏体组织，对于一些高碳及合金钢线材，由于钢坯本身的缺陷，如偏析、缩孔、夹杂等对轧后线材的组织及通条性能均会产生不利影响。下面就当前国内外线材可能存在的内部缺陷及形成机理简述如下 ： 图4.2.1 100X 线材内部缩孔 缩孔 盘条截面中心部位的疏松或空洞称为缩孔。在拉拔过程中，有时会发现钢丝的内部有针头大小的孔洞，如图4.2.1所示。缩孔处存在非金属夹杂，同时某些非铁元素富集。缩孔的形成要追溯到铸钢过程，当模铸钢锭或连铸钢坯的钢液冷缩时，在锭坯中心部位出现空洞。正确的锭模设计及铸锭工艺操作使缩孔在钢锭头部形成，轧坯时将相应钢锭头部这一部分切除即可。钢坯切头不净，残留的缩孔将由半成品带入盘条。另外，除去钢锭头部之外，不正确的铸模设计、浇注温度过高或过低会形成二次甚至三次缩孔深入钢锭中部，这些必须引起注意。连铸方坯按“小钢锭理论”有时出现周期性的缩孔与钢锭缩孔相仿。缩孔与内裂（由内应力产生的锭、坯、材中心部位的裂纹）不同，缩孔伴有严重的非金属夹杂物，内裂是由加工应力、热处理相变应力及收缩产生内应力造成的内部裂纹，两侧及附近没有夹杂物聚集。缩孔在拉拔时，尤其是拉拔细规格线材时会引起断丝，有时钢丝表面产生竹节，并严重影响成品的性能。在扭转试验时还容易起鳞皮，在加工轴类零件时，经车削加工后表面时出现的纵向无脱碳裂纹，也有可能是由于材质内部存在的缩孔经车削暴露所致，所以在钢坯热轧成线材之前，一定要保证钢坯头部的缩孔切除干净。 非金属夹杂 拉拔时钢丝开裂，除了工艺原因外，一部分是由于非金属夹杂造成的。这些夹杂，有的是由于冶炼过程中化学反应所产生的内生夹杂，有的是炼钢炉，钢水包和流钢槽中渣料及耐火材料落入钢水中而产生的外生夹杂。非金属夹杂对拉丝的危害很大。主要有以下几点：图4.2.4 100X 边部粗晶组织图4.2.5 100X 表面脱碳（1）在拉拔过程中，由于非金属夹杂物的存在，会使变形连续性遭到破坏，以致断线。钢丝愈细，影响愈大；（2）非金属夹杂虽经过轧制和拉拔，虽能延续变形，但影响钢丝的机械性能。（3）非金属夹杂性质大都很硬，因此会增加拉丝模的消耗。 在长期的生产实践过程中发现，若钢的基体纯净度较为良好，一般出现的超级别夹杂物与缩孔相伴产生，主要出现在头坯轧制的线材上，由于结晶的规律，头坯上的纯净度较差、缩孔较严重，当切头量不够时仍存在较严重的夹杂物及缩孔，所轧成的线材在相应部位相应产生较严重的缩孔及超级别的夹杂物。线材生产厂应十分重视头坯的切除量。 气泡 锭坯中的气泡是钢水冶炼除气不良所致，过多的气体在锭坯凝固时难以析出，因此留在锭坯内部或皮下。皮下气泡破裂会造成线材表面裂纹，内部气泡影响致密度和性能，对加工不利。图4.2.2 100X 带状组织图4.2.3 100X 魏氏组织 带状组织 由于钢坯内存在成分偏析，在热轧的优质碳素结构钢中，时常发现沿轧制方向成层分布铁素体和珠光体，这种沿轧制方向分布的组织称为带状组织，如图4.2.2所示。带状组织使钢材的力学性能呈各向异性，特别是降低钢的横向冲击韧性和断面收缩率，严重时该组织能使钢结构的工件变形。 魏氏组织（针状铁素体） 魏氏组织在钢中形成条件是钢中碳含量较低、晶粒度大和加热时超过正常的加热温度，所以在中、低碳优质碳素结构钢中出现该缺陷的可能性较大,如图4.2.3所示。虽然魏氏组织对钢材的抗拉强度影响不大，但因其针状形态能引起应力集中，从而明显地降低钢的塑性和韧性，龙其是冲击韧性，使用过程中往往产生脆性断裂。晶粒粗大 对于无扭控冷热轧盘条来说，多数拉丝厂拉拔前并不再经过铅浴处理，而是进行“生拉”。因此要求这类线材具有均匀细致的组织和较好的塑性。有些线材在拉拔时容易断头原因之一，就是其组织不均匀和塑性不好。产生这种缺陷的原因，可能是钢材终轧后其温度超过再结晶温度，过早地堆放在一起，内部温度高达800以上，在这样高的温度下缓冷，网状碳化物及游离铁素体的析出增加，以致线材的塑性和强度下降。钢坯在加热炉内燃油加热时，由于喷油不均，可能导致钢坯局部加热温度过高，在轧成的线材成品中边缘局部可能会产生粗晶现象，如图4.2.4所示，这也影响线材的拉拔性能。所以用油加热生产盘条的厂家，必须注意保证炉内燃油雾化均匀，提高钢坯加热的均匀性。 脱碳 线材在加热轧制过程中，由于高温，表面严重氧化而内层产生脱碳，如图4.2.5所示，脱碳层厚度与加热条件、冷却速度、轧制方法和含碳量等都有关系。线材脱碳严重，会影响钢丝的疲劳性能，一般程度的脱碳，经过多次酸洗和反复拉拔可以有所改善。 表层局部碳偏析 在线材的轧制过程中，钢坯被加热到高温状态时，如果加热炉管理不善，油嘴雾化不良，炉内局部地区将形成还原性气氛，并在一定的条件下促使钢坯的表面渗碳，导致线材表层的含碳量局部增高。有这种缺陷的碳钢线材，其表层含碳量能达到高碳钢以上的程度。这种线材，在拉拔过程中其塑性会变坏，当部分压缩率较大时，表面还容易产生横裂纹，引起断头。图4.2.6 X100 近表层渗碳体表面碳化物 表面局部存在的块状及网状碳化物，如图4.2.6所示。线材表面网状碳化物的形成可能与连铸时保护渣卷有关，且保护渣的卷入随时都可能发生，保护渣质量不良以及连铸速度过快等因素都可能导致保护渣卷入，从而附集在连铸坯表面。在高温轧制时，由于奥氏体状态下滑移系增加，变形抗力较小，变形相对容易，所以在成品盘条上表面缺陷一般不易发现。当经用户加工，有时只经机械剥壳出现表面一侧开裂，所以危害较大。这类表面组织缺陷在高碳钢中有时会出现。解决这类问题的主要措施：1）控制好连铸速度，防止钢液流动速度过快，对渣面产生较大的冲击力使渣面崩溃，从而随钢水流动卷入；2）提高保护渣的质量。 心部马氏体及网状碳化物 对于无扭控冷热轧盘条的显微组织，国内相关标准规定，在线材内部不得出现淬火组织（马氏体、下贝氏体和屈氏体）、网状碳化物。国内外在控冷热轧盘条生产过程中，由于生产方式、设备状况以及工艺水评等因素的影响，决定了无扭控冷热轧盘条内部时有淬火马氏体、屈氏体组织，以及心部网状碳化物的出现。国外还针对这一现状制定了相关的产品标准，如规定马氏体的最大尺寸不得大于20um，网状碳化物不得大于2级（评级标准参阅相关文献）等。下面就马氏体的形态、危害、形成特点等方面作一简要叙述。图4.2.7 X500 马氏体图4.2.8 X500 网状碳化物无扭控冷热轧盘条心部的马氏体及网状碳化物的形态如图4.2.7及图4.2.8所示,图中所揭示的马氏体及网状碳化物的相对较严重,在线材中较少出现这样的情况。相对尺寸较小的马氏体及不连续的沿晶界析出的半网状碳化物出现的较为普遍，据有关统计结果报道，这类缺陷对线材的拉拔性能不会产生太大的影响。其外，在高碳、大规格线材心部较普遍存在马氏体及半网状碳化物，在低中碳钢及小规格线材心部一般不会出现此类缺陷。 经过长期的质量分析与攻关得出：线材轴心元素偏析是产生马氏体及网状碳化物的最直接因素，其中，轴心较严重的碳偏析决定了高碳大规格线材在心部冷却较慢的情况下可能会产生网状碳化物的析出；轴心锰、铬等合金元素的偏析决定了高碳大规格线材在可能会产生马氏体组织。 当马氏体尺寸较大、碳化物呈区域封闭网状时对拉拔性能有较严重的影响，大大削弱了基体组织的均匀性，破坏了线材的塑韧性及通条性能，该线材在拉拔过程中会出现杯锥及平齐脆性断裂。缺陷组织处成为拉拔断裂的裂纹源。 在线材心部产生轴心元素偏析的原因可追朔到炼钢、连铸的工艺过程中。从大量的连铸坯的质量检验过程中发现，当连铸坯中心等轴晶区所占比例过小，树枝晶区所占比例较大时，这种钢坯经热轧控冷后较易出现网状碳化物及马氏体组织。等轴晶区过小，碳偏析越严重，对线材心部网状碳化物的析出影响较大；树枝晶区较大，钢中晶间偏析（合金元素偏析，如Cr、Mn）较严重，线材中心存在富集的锰、硅、铬等合金元素，使C曲线右移，此富集程度达到了产生马氏体的形核条件。另外，较快的冷却速度等因素也促进了马氏体的形成。从结晶原理来看，铸坯从结晶器出来后，到凝固末端，铸坯的柱状晶向中心生长，碰到一起造成“搭桥”，桥阻止了上面的钢液向下面凝固穴的补充，当桥下的钢液全部凝固后，在中心产生疏松及缩孔，而中心偏析是与中心疏松，缩孔相伴产生，通过电磁搅拌，在钢液内部产生的旋转运动，改善了固液相之间的热交换，液芯温度梯度减小，成分均匀，在继续冷却过程中液芯达到同时结晶，从而有助于减轻凝固前沿的温度梯度，使柱状晶的生长条件受到抑制，明显减少中心疏松及缩孔，提高等轴晶区所占比例，达到了降低偏析的作用。 针对上述状况，从冶炼、连铸以及轧钢的工艺优化着手，以全面提高线材的综合性能为目标，主要采取结晶器与凝固末端增加电磁搅拌，利用工频或低频电流所产生的交变磁场，在钢水冷却结晶之前，推动钢液作旋转、螺旋或行波方式运动，改善结晶及防止缩孔疏松等缺陷，提高铸坯中心等轴晶区所占比例，减少中心偏析，改善铸坯内在质量，最终保证成品线材性能优良。 采用M+F-EMS的组合搅拌方式对中心偏析产生了明显的改善， M+F-FEMS组合电磁搅拌在连铸过程中得到应用，大大改善了方坯的质量，特别是对减少连铸坯的中心偏析程度起到了至关重要的作用，其线材心部偏析得到明显改善，确保线材组织均匀，通条性能优良，心部区域不再有网状渗碳体的析出，最大的析出量只能是数量很少，以短线形或游离状分布；因合金元素富集而形成的马氏体亦很少出现，即使出现马氏体，此尺寸均在20um以下，组织形态如图4.2.9所示，从而保证该连铸坯轧成线材成品的质量得到优化，需要特别指出的是，末端电搅拌的安装位置显得十分重要。图4.2.9 X500 改进后线材组织该类线材经广泛使用表明，此线材的断面收缩率、延伸率、抗拉强度、断口形貌以及拉拔性能均比别类线材的综合性能优越，深受广大用户的好评。 事实证明影响连铸坯的偏析因素还包括中间包的过热度、连铸速度、拉速稳定性、冷却方式等方面，为此炼钢车间经过长期的试验找到，恰当的连铸速度及合理的配水冷却、中间包的过热度、确保浇铸的稳定性，提高连铸的质量。为了确保线材的组织优良，还需要优化轧钢工艺，特别是STELMOR的冷却能力的控制，当吐丝后线材的冷却能力不足能导致网状渗碳体的析出，但当冷却速度过快时有利于合金元素富集区的马氏体的形成，所以相互矛盾的因素决定了冷却速率的选择，对控制大规格高碳线材的成品组织优越致关重要，这就需要根据各自的生产特点调节合理的STELMOR冷却速率。4.3时效及其作用线材在室温放置一定时间，其各项机械性能（延伸率、抗拉强度、断面收缩率等）发生变化，这种线材的性能随时间的延长而发生变化的现象称为时效。此现象发生于室温者，称为自然时效；发生于室温以上者，则称为人工时效（淬火钢的回火亦可称为人工时效）。线材的时效往往使材的性能随时间的变化而使性能产生规律性的变化，在生产中应注意掌握其变化规律，并在生产中能加以利用，如根据线材生产时间及时效周期的特点，合理选择深加工的时间。因此，了解和掌握线材时效的现象、特征及形成过程与机理，就显得十分必要。本节重点讨论高碳钢线材时效现象和时效形成的一般规律。4.3.1时效形成的影响因素A）线材的内应力高碳钢无扭控冷热轧盘条的生产工艺： 钢坯加热到9301070初轧温度9301070精轧温度1000左右吐丝温度在870910控制冷却（急冷）至550左右，获得索氏体组织。从整个高碳盘条的生产过程来看，在轧制时材料为固溶奥氏体形态下的变形，且在吐丝以后采用急冷方式获得索氏体组织，在这一热处理过程中使丝材产生内应力，根据内应力的形成原因不同，可分为热应力与组织应力。由于在控制冷却过程中，线材的不同部位以及同一截面表里存在不同的冷却能力，使线材中存在温差，因而造成热胀冷缩不一致，由此而产生的内应力称为热应力。线材经风冷时，线材表面首先冷却收缩，故对心部产生压应力，而心部反抗表面的收缩因而对表面产生拉应力。当冷却继续进行时，将发生与前一段相反的情况，即心部开始发生强烈的体积收缩而使已呈冷硬状的表面受到压应力，而心部则由于表面的牵制而受拉应力。当线材冷却到室温后，表里温差虽已消失，但上述应力状态仍然残存。总之，线材急冷热应力的特点在于，线材表面产生压应力，心部产生拉应力。这种残余热应力的存在会对线材的拉伸产生不利影响。在控冷过程中，线材发生相变，从奥氏体向索氏体组织状态的转变，由于奥氏体和其转变产物（索氏体、少量铁素体等）的比容不同以及线材的表里或各部分之间组织转变的时间前后不同所造成的内应力，称为组织应力。由于奥氏体的比容最小，故在索氏体控冷处理时必然发生体积膨胀。在线材索氏体处理时，线材表面先开始索氏体转变，体积增大，而心部此时仍为奥氏体，体积基本未变。由于心部阻碍表面体积的增大，使表面产生压应力而心部产生拉应力。在继续索氏体化过程中，当心部开始索氏体转变，表层已经转变完毕（相当于一层“硬壳”），这时心部的体积增大将使表面受拉应力而心部受压应力。可见，组织应力情况与热应力正好相反。总之，组织应力的特点是：工件表面受拉应力，心部受压应力。此外，因线材心部的成分偏析，如轴心碳偏析以及硅、锰等合金元素的偏析，而引起线材心部偏析区域内相变提前或滞后，产生的组织应力特点亦如前所述。B）室温下合金元素的扩散钢坯在奥氏体状态下轧制成线材，最后急冷至索氏体相变区域，合金元素（包括碳）将处于过饱和状态，此时，如果合金元素在室温下仍具有扩散能力，随着时间的延长，线材中的合金元素从固溶体中脱溶（沉淀），致使线材的性能发生变化。高碳线材中的碳等合金元素，在室温下一般都具有一定的扩散能力，它们在线材中的溶解度均随温度的降低而减少，因此，只要奥氏体状态下的急冷使之造成过饱和状态，就能产生时效现象。C）线材中的气体的析出 氮在Fe中的溶解度在590时达到最大，约为0.1%，在室温时降至0.001%以下，当将含氮量较高的线材自高温较快地冷却，铁素体中溶氮量达到过饱和，如果将此线材在室温下放置一段时间，氮将逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性下降。这种时效对低碳钢的性能影响较大，对高碳线材，氮含量应严格控制在一定的范围内，否则氮所引起的自然时效对线材的性能就会产生较大的影响。 线材中的氢一般是由锈蚀含水的炉料带入或从含有水蒸气的炉气中吸入。线材中的含氢量一般甚微，从组织看不出什么影响。氢对线材的危害表现在，氢溶入线材中后引起“氢脆”，使线材的塑性下降。氢在线材以分子或离子状态存于气泡、疏松等缺陷处，当线材放置较长一段时间后，随着线材中氢分子的扩散，相当一部氢从线材中逸出，从而改善了线材的塑性、韧性。当然这种时效并不能使氢从线材中完全去除，要完全消除氢的危害，需要对线进行去氢退火处理，然而这种处理生产成本较高，故多采用自然时效的方式。4.3.2高碳线材时效的一般规律 高碳线材(特别是大规格线材)所存在的内应力以及气体等，随着时间的延长而产生内应力消除、部份气体的逸出,从而提高了线材的延伸率、断面收缩率,改善了线材的拉拔性能，称为高碳线材的时效。高碳线材的时效效果已被大量实验所证实。国内不少厂家要求中、粗规格线材时效20天以后再使用，正是考虑时效的特性来决定的。现将某厂72B-1（13）线材自然时效与力学性能之间的变化关系列表如下。表4.3.1 时效与力学性能统计表 时间试验炉号1天3天7天16天20天bbbbb2140010411107024.51050241060321050361070362104021105027105023.5106035104035310902310503210702810403510903821400104011060271050251060261080371080372105023.51060281080321050341050333105020.5106022107032109037105039表中所列数据表明线材经一段时间自然时效后存在以下规律:1、 线材的抗拉强度变化幅度不大，不会影响线材的强度要求。2、 线材的断面收缩率有较大幅度的增加，这将有利改善线材的拉拔性能。3、 在较短时间内时效效果有一定的波动。4、 成品一般经20天的自然时效后使用，线材的力学性能基本稳定且达到最佳的拉拔状态。 总之，高碳线材时效现象是一种由非平衡状态向平衡状态转移的自发现象，它的规律应在生产中加以利用。第五章 检测与检测手段5.1检测程序线材成品的质量检验，按各种线材的用途不同，采用各种不同的检验项目。按标准规定，所有品种的线材，其表面质量和直径公差两个项目需逐盘检验而其他检验项目视其钢种和用途不同，只作部分项目检验。如普通碳素钢盘条，增加冷弯和力学性能检验；碳素焊条盘条，增加化学成份分析；而优质碳素钢盘条和制绳钢丝用盘条，除增加化学成份、力学性能检验外，还必须对线材进行脱碳、晶粒度、金相组织和非金属夹杂物等项目的检验。线材表面质量的检查，对一般用途的线材标准规定用肉眼检查，但对于某些要求较高的线材，必要时可以锉磨或酸洗、扭转、酸洗后，再用肉眼进行检查。锉磨或酸洗、扭转的目的是使线材上被二次氧化铁皮遮盖的某些表面缺陷（如折叠等）能暴露出来，也可采用顶锻试验来观察裂纹。对不同规格、品种线材的检测要求参见产品的交换标准及供需双方签定的技术协议。本章结合国际上对重要用途盘条的常规检验与争议处理检验中的一些要求，重点叙述本公司对所生产的各种规格的线材的常规检测项目及检测手段。5.2常规检验在采用无扭热轧控冷工艺生产线材时，为了及时发现废品并分析产生的原因，避免更大的损失，把盘条质量的常规检验放在车间内，如在成品落卷和打捆旁设立的快速热检工作站，主要检测表面质量；在计量处设立冷检工作站，同样负责表面质量的检测，通过连续的热检、冷检，确保成品的表面质量，同时在发现问题时及时通知负责工艺的人员调整工艺，提高产品的成材率。成批生产的盘条，每盘的头部至少舍弃两圈，尾部至少舍弃4圈，之后拴上印有供货单位、浇注号、规格、熔炼碳含量、日期及顺序号的金属标牌，然后再进行其它项目的日常检查，主要检验内容有以下几个方面。（1）外形尺寸。每盘头尾各取300mm长的试样一根，并贴上标签，印明顺序号，分清头尾，然后用低倍放大镜检查缺陷，如耳子、折叠、夹杂、划痕、机械伤痕、麻点等。（2）压扁试验。做压扁试验的试样数应占盘条数的一定比例（按协议规定），高级钢种盘条需每盘取样。若发现表面裂缝，则在该盘条的另一端取样再验。当不能确切判定缺陷时，应取横断面试样作高倍检查确定。（3）含碳量比较。为了避免含碳量不合的盘条混入成品内，每盘盘条的两端各取一个试样，利用快速含碳量比较仪作含碳量的比较，（快速比较仪可测出试样与标准碳含量的差别在0.05%以内的差数，但不能测出含碳量的绝对值）然后决定是否入批。如有争议，则进行快速分析以确定其含碳量。（4）快速碳分析。根据最终产品的要求而定，每批盘条取几个试样作碳含量检查，但至少每批盘条应在最初3盘及最末3盘的每盘任选一端取样作快速分析。若分析结果超出了规定值，则按下面所述的方法再扩大取样作“争议分析”。（5）力学性能试验。高碳钢盘条每批至少要从一定数量（按协议规定）的盘卷中取样作抗拉试验，同时记录其断面收缩率，多数直接拉丝用的高碳钢盘条需要具有与其碳锰实际含量相对应的最低抗拉强度值。若试验结果其偏差超出了预定范围，应当立即研究其原因。多数低碳钢则常要求限制最高的抗拉强度。当然，无论高碳钢或低碳钢均希望有大的断面收缩率，对某些结构用钢筋来说，在做抗拉试验时，还需要记录其应力/应变曲线。（6）高倍检验。应从盘条端头所取样品中取多少来做高倍检验，也是视最终产品的要求而定。有些钢种，如用作制钉、刺线，一般钢筋、辐条、低级别的钢绳、家具用弹簧等到钢丝的原料，一般不超过20%；较高级别钢种的盘条，如制造高强度弹簧和高强度钢绳用的原料，一般在50%以内；而对于冷镦冷锻用的原料，其盘条必须100%取样做高倍检验。根据产品技术要求，高倍检验项目包括：表面脱碳的深度及程度；表面轧制缺陷的长度及深度；缩孔；碳及硫的中心偏析；铁素体分布状态；珠光体分布状态；其他显微组织缺陷等；晶粒度；表面粗糙程度；夹杂物含量等。争议处理检验规则为推动产品质量的全面提高，充分尊重广大用户对产品质量所提的宝贵意见，认真分析产生争议的原因，特制定了产品争议处理检验规则，当供需双方对常规检验结论发生争议时，用来指导质量检验。（1）尺寸检验。每批至少有20%的盘条取样检查其直径及不圆度，如有不合规定者，由双方协商解决。（2）表面缺陷。每批至少取6个试样来判定折叠、裂缝和麻点，将试样横截面抛光，腐蚀（如用2%苦味酸酒精溶液）后放大500倍进行检查。根据定义折叠缺陷的长度应包括和折叠联系在一起的横截面上的脱碳区，裂纹缺陷的长度应包括在裂纹尖端已焊合区域内的颗粒状氧化物所在处。若有任何一根盘条的试样不符合相应钢号的要求，则必须剔除，该盘条被剔除后，需在另外盘条上取6个试样检查这项缺陷，如发现任何一个试样仍有缺陷存在，由双方协商解决。（3）表面氧化铁皮。每批自不同盘卷上取6个长150mm的试样以测定氧化铁重量。每个试样单独称重，并单独用含阻化剂的50%HCL溶液浸蚀，清洗烘干后，再作称重，氧化铁皮量以百分数表示。6个试样测得的平均值应符合技术条件的规定，不符合者判废。（4）化学成份。从已入库的任一批盘条中，任取6根盘条，每根各取1个校核分析试样。从这6个试样分析得到的数据，必须落在允许波动值以内，若有任一分析结果超出允许值，则以同样取样方法另取一套试样（6个）来分