夹杂物对Q195b 拉丝材断裂行为的影响

供稿|谈正军，胡楠楠，夏金魁，张超杰，聂志斌，程瑾琦，张立强 / TAN Zheng-jun, HU Nan-nan,XIA Jin-kui, ZHANG Chao-jie, NIE Zhi-bin, CHENG Jin-qi, ZHANG Li-qiang

内容导读

本文采用光学显微镜对Q195b 钢拉丝断裂试样进行微观和宏观检测，结合场发射扫描电子显微镜EBSD 和能谱分析仪EDS 检测分析断口试样的夹杂物分布特征，结果表明硅酸钙、氧化铝和硫化物等非金属夹杂物是导致Q195b 钢拉丝断裂的主要原因。从脱氧工艺、中间包结构优化、保护浇注三个方面开展了工艺优化，提高了钢水洁净度，降低了Q195b 拉丝断裂率。

Q195b 钢线材具有较低的强度和较好的塑性与延展性，可广泛应用于金属制品加工领域。钢丝拉拔是钢丝生产和制备的主要途径，但是拉拔过程中容易出现钢丝变形、裂纹、断裂等缺陷，严重影响生产[1-2]。

钢丝拉拔过程发生断裂的原因较多，不少学者对此进行了深入研究，采用化学成分分析、断口检验、金相检验等手段针对不同种类钢丝拉拔过程断裂进行分析[3]，认为连铸坯的中心偏析[4]、缩孔和疏松、非金属夹杂物[5-6]、钢中白点、混晶组织、拉丝工艺不当[7]等均会造成钢丝拉拔过程的断裂[8-10]。本文针对某厂Q195b 钢生产过程拉丝断裂进行了研究，对拉丝断口试样宏观和微观形貌进行了检测，并结合场发射扫描电子显微镜EBSD 和能谱分析仪EDS 分析认为断口非金属夹杂物是导致拉丝断口的主要原因，并据此提出了生产工艺优化措施。

实验材料及方法

某厂Q195b 钢的主要生产工艺流程为120 t BOF→LF→CC，主要成分如表1 所示。为研究某厂Q195b 拉丝断裂的主要影响因素，针对Q195b 拉丝断口的形貌和夹杂物分布特征进行了检测分析。截取典型Q195b 拉丝断口试样横截面如图1(a)和(b)所示，用无水乙醇清洗并干燥处理后，使用放大镜观察断口的形状、颜色、变形等特征。

表1 某厂Q195b 钢主要成分(质量分数，%)

将Q195b 拉丝断口试样切割成5 mm 长度，超声清洗处理后用导电胶将试样粘到载物台上，如图1(c)所示，使用场发射扫描电子显微镜EBSD 和能谱分析仪EDS 检测分析Q195b 拉丝端口区域截面的夹杂物分布特征。

图1 Q195b 拉丝断口试样：(a)断口取样；(b)断口照片；(c)断口试样粘贴于载物台上

结果与讨论

Q195b 拉丝断口形貌表征与分析

Q195b 拉丝断口试样宏观形貌如图2 所示，可以看出，断口存在明显弯曲，有剪切唇，表面为灰色纤维状，断口切面取向与最大切应力基本一致，因此该断裂为切断型韧性断裂。图3 为Q195b 拉丝断口试样微观形貌，可以看出试样断口上存在大量杯状韧窝，该韧窝的形成与夹杂物关系较大。由于夹杂物与钢基体的弹塑性存在差异，在基体塑性变形的过程中二者形变不一致将产生“显微空穴”的自由表面。这些“显微空穴”在切应力作用下逐步发展并长大聚集，从而导致线材发生韧性断裂。因此Q195b 拉丝断口的微观形貌和宏观形貌均说明该断口为韧性断裂。

图2 Q195b 拉丝断口试样宏观形貌

图3 Q195b 拉丝断口试样微观形貌

夹杂物对Q195b 拉丝断裂的影响

采用场发射扫描电子显微镜观察Q195b 拉丝试样断口，发现断口区域存在不少规则球状的夹杂物，如图4 所示，可以看出夹杂物呈圆球状存在于某一韧窝处，可以推测该夹杂物在一定程度上导致此处韧窝撕裂。采用能谱分析对夹杂物的成分进行检测，发现夹杂物主要为硅酸钙、氧化铝和硫化物的复合夹杂物。截取Q195b 拉丝正常断面试样并采用场发射扫描电子显微镜观察，并未发现类似夹杂物，由此可见夹杂物的存在促进了Q195b 在拉丝过程中的断裂。

图4 Q195b 拉丝断口试样微观形貌

在钢液凝固过程中，如果钢中氧含量高，则溶解硫的能力比较小，在较高温度就开始达到饱和，析出硫化物夹杂。因此硫化物夹杂的存在，表明了钢水冶炼过程脱氧的不充分。硅酸盐一般属于外来夹杂物，主要是由于钢包内衬脱落或者是在除渣过程中除渣过程不彻底形成的，当夹杂物聚集则形成比较复杂的复合型夹杂物。大量的非金属夹杂物破坏了钢的组织连续性和整体性，夹杂物和钢材变形不一致，因此拉拔过程中钢基体的连续性被破坏，在非金属夹杂物与基体金属的交界处产生应力集中，随着拉拔应力和应变量增加，产生微孔并逐步扩展成裂纹，最终导致拉丝断裂。

Q195b 拉丝断裂工艺优化

根据Q195b 拉丝断口试样的检测分析，认为钢中的非金属夹杂物是导致拉丝断裂的主要原因。影响钢中产生硅酸钙、氧化铝和硫化物的主要工艺有精炼过程脱氧控制和保护浇注，因此从脱氧工艺、中间包结构优化、保护浇注三个方面开展了工艺优化：

(1) 降低钢中的氧含量，延长精炼钢包镇静时间降低钢中非金属夹杂物含量；

(2) 优化中间包挡墙挡坝控流结构，减少死区比例和各流滞止时间，控制各流平均停留时间均匀，促进钢水中夹杂物上浮去除；

(3) 浇注过程中严格按照操作规程做好保护浇注措施，减少钢水的二次氧化。

工艺优化措施实施后，钢水洁净度得到提高，硅酸钙、氧化铝和硫化物等夹杂物得到控制，Q195b 拉丝断裂率从每百吨钢15~25 次降低到每百吨钢5~15 次。

结束语

采用光学显微镜和场发射扫描电子显微镜等手段针对Q195b 钢拉丝断裂原因进行了研究分析，发现Q195b 钢拉丝断裂试样断口上存在大量杯状韧窝，韧窝处存在硅酸钙、氧化铝和硫化物非金属夹杂物是导致Q195b 钢拉丝断裂的主要原因。通过降低钢中的氧含量、优化中间包挡墙挡坝控流结构和保护浇注措施等工艺优化能有效提高钢水洁净度，降低Q195b 钢拉丝断裂率。