1215MS易切削钢盘条的表面缺陷及其预防措施

2022-03-25赵文渊赵满堂林作津

上海金属 2022年2期

邹虎赵文渊赵满堂林作津

（芜湖新兴铸管有限责任公司，安徽芜湖 214000）

易切削钢被广泛用于制造精密仪器零件、汽车零件等机械零件［1-3］。目前，国内应用最广泛的易切削钢为硫系1215MS钢。1215MS易切削钢含硫量较高，热脆敏感性大，如果轧制温度低，钢中产生的共晶化合物（Fe-FeS）处于熔融状态，易导致轧件劈头开裂；如轧制温度过高，会导致盘条表面氧化铁皮过厚，在后续拉拔过程中难以被完全去除，所加工的银亮棒表面将出现黑斑缺陷。另外，1215MS易切削钢盘条表面易出现结疤缺陷，甚至会因此而报废，造成经济损失。

本文对1215MS易切削钢盘条表面的氧化铁皮和结疤进行了宏观和微观检验，分析了产生该缺陷的原因，并采取了相应的改进措施，解决了盘条表面产生缺陷的问题。

1 易切削钢的生产工艺

某厂生产的1215MS易切削钢的化学成分如表1所示。其生产工艺流程为转炉→LF炉精炼→180 mm×180 mm连铸坯（十机十流）→铸坯检查→铸坯加热（步进梁式加热炉）→高压水除磷→摩根第Ⅳ代轧机轧制→吐丝→斯太尔摩110 m风冷线→打包→称重、标识→入库。

表1 1215MS易切削钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of 1215MS free cutting steel（mass fraction） %

1215MS易切削钢的开裂倾向大，为防止轧制过程中轧件劈头、开裂，需采用“高温快轧”工艺。连铸坯加热工艺为：一段加热温度800～900℃，二段加热温度1 000～1 200℃，均热温度1 200～1 250℃；在炉时间不少于180 min，均热段停留时间不少于30 min。

2 分析与讨论

2.1 氧化铁皮形貌及厚度

采用原工艺热轧的1215MS易切削钢φ16 mm盘条如图1（a）所示，氧化铁皮呈青灰色，部分与基体结合紧密，部分蓬松易脱落。在光学显微镜下观察，氧化铁皮厚度达43.09 μm，如图1（b）所示。

图1 有氧化皮的1215MS易切削钢盘条（a）及其氧化皮的微观形貌（b）Fig.1 1215MS free cutting steel wire rod with oxide scale（a）and micrograph of oxide scale on it（b）

根据纯铁的氧化过程，在700～1 250℃，盘条表面氧化铁皮由氧化亚铁（FeO）内层、四氧化三铁（Fe3O4）中间层和高价氧化铁（Fe2O3）外层组成［4］。由于FeO、Fe3O4和Fe2O3中Fe离子的价态逐渐上升，其化学稳定性及结构稳定性也逐渐提高［5］。FeO 的破坏应力约为0.4 MPa，Fe3O4的破坏应力约为40 MPa，Fe2O3的破坏应力约为10 MPa，即FeO具有良好的塑性变形性能，FeO越厚，氧化铁皮越易去除［6］。此外，过厚的氧化铁皮与基体的结合强度过高，不易在弯曲过程中剥落。因此，既需减小盘条表面氧化铁皮的厚度又需增加内层氧化铁皮（FeO）的厚度。

2.2 结疤形貌及形成原因

盘条表面结疤是盘条表面粘结硬质金属而形成的疤皮，一般呈舌头或指甲状，其空而厚的一端与线材基体相连，有时是封闭的。图2（a）为带有结疤缺陷的易切削钢盘条，结疤呈指甲状，周围有红锈，分布无规律。结疤截面的微观形貌如图2（b）所示，可以看出，结疤与基体之间有间隙，间隙两侧的晶粒大小有差异，一侧与基体基本相同，另一侧晶粒明显粗大，有轻微脱碳，说明该结疤源于铸坯缺陷。

图2 有结疤的1215MS易切削钢盘条（a）及其结疤的微观形貌（b）Fig.2 1215MS free cutting steel wire rod with scab（a）and micrograph of scab on it（b）

为找到铸坯的表面缺陷，检验了1215MS钢连铸坯的低倍形貌和表面质量，结果发现，部分铸坯表面有深振痕（如图3（a）所示）和角部横裂缺陷（如图3（b）所示）。但通过对中间包水口浸入深度、结晶器冷却强度及振动台参数等进行调整，未能消除该缺陷。因此铸坯表面缺陷很可能是结晶器保护渣性能与钢种特性不匹配所致。

图3 铸坯表面的深振痕（a）和横向角部裂纹（b）Fig.3 Deep vibration marks（a）and transverse corner cracks（b）on the surface of cast slab

3 工艺改进及效果

3.1 热轧工艺

在从铸坯加热到粗轧、精轧直至卷取及其后的冷却过程中，轧件均会发生氧化。轧件在不同阶段形成的氧化铁皮可分为3种：铸坯在加热炉内生成的“一次氧化铁皮”，在粗轧过程中和粗轧后生成的“二次氧化铁皮”，以及精轧过程和卷取过程中生成的“三次氧化铁皮”。三次氧化铁皮对盘条表面最终氧化皮的颜色和厚度均有影响［7］。在轧后冷却设备固定的情况下，三次氧化铁皮的厚度主要取决于吐丝温度。

在不同温度条件下，轧件表面生成三次氧化铁皮的成分不同，低于900℃形成的氧化层主要是FeO，并有少量Fe3O4，没有Fe2O3；高于900℃，随着温度的升高，氧化层中FeO减少，Fe3O4增多，并生成Fe2O3，氧化层增厚［8-10］。因此，盘条的吐丝温度应低于900℃。

首钢技术研究院制定了不同斯太尔摩风冷线的冷却工艺，检测了普碳钢表面氧化铁皮的厚度，得出盘条表面温度低于700℃时，生成的氧化铁皮极少；高于1 000℃时，氧化铁皮快速增厚［11］。因此，应使斯太尔摩风冷线的盘条表面温度迅速降低至700℃以下。

对1215MS易切削钢的热轧工艺进行优化，即降低始轧温度和调节水箱水量，以降低吐丝温度，并开启保温罩及风机，以增加吐丝后盘条的冷却速度。原来的和改进后的热轧工艺如表2所示。

表2 1215MS钢盘条原来的和改进的热轧工艺Table 2 Original and improved hot-rolling processes for the 1215MS steel wire rod

轧制后采用优化工艺冷却的易切削钢盘条表面氧化铁皮明显减薄，如图4所示。从图4（a）可以看出，盘条表面氧化铁皮薄且致密，呈青亮色；从图4（b）可以看出，氧化铁皮减薄到了13.54 μm，且连续均匀。生产实践表明，用表面氧化铁皮厚度小于15 μm的易切削钢盘条轧制的银亮棒无黑斑缺陷。

图4 热轧工艺改进后有氧化皮的1215MS易切削钢盘条（a）及其氧化皮的微观形貌（b）Fig.4 1215MS free cutting steel wire rod with oxide scale（a）and micrograph of oxide scale on it（b）after hot-rolling process being improved

3.2 结晶器保护渣

连铸过程中保护渣的作用是绝热保温、防止钢液二次氧化、吸收非金属夹杂物、均匀传热和改善铸坯润滑条件，对提高铸坯的质量十分重要［12］。1215MS易切削钢中氧、硫含量高，钢水在结晶器弯月面易形成FeO、FeS膜，致使钢-渣界面张力减小，钢-渣难以分离，连铸时结晶器内保护渣易结团成絮状，使铸坯表面产生深振痕、角部横裂等缺陷。

高黏度保护渣能更好地吸附在铸坯表面，改善传热效果，渣耗减少，流动性变差，振痕变宽，在结晶器振动周期内保护渣渣道的压力减小，振痕减少［13-14］。另外，提高保护渣碱度，采用还原性保护渣，增加保护渣吸收钢-渣界面FeS和FeO的数量，降低弯月面钢液及初生凝固壳的［S］、［O］含量，增大钢液表面张力，从而增大钢-渣界面张力，有利于钢-渣分离。因此，为了提高易切削钢铸坯的表面质量，应采用高黏度高碱度的还原性保护渣，其具体理化性能如表3所示。