304不銹鋼中的夾雜物及其冷軋變形行為分析

   非金屬夾雜物是引起冷軋板坯表面缺陷的主要原因。分析了304不銹鋼熱軋板坯中非金屬夾雜物的成分、形貌及尺寸。對304熱軋板坯進行不同壓下量的軋制,分析不同厚度冷軋板坯中的夾雜物形狀和尺寸,研究非金屬夾雜物在板坯冷軋過程中的變形行為。結果表明：304不銹鋼熱軋板坯中的夾雜物主要組成為CaO-SiO2-MgO-Al2O3的復合氧化物,為脆性夾雜物;冷軋過程中,夾雜物的塑性變形不明顯,隨著冷軋壓下量的增加,大顆粒的夾雜物不斷被軋碎,板坯中夾雜物的平均尺寸逐漸減小。

   影響不銹鋼產品質量的因素很多,非金屬夾雜物是其中重要的因素之一。研究表明:連鑄板坯和熱軋產品的缺陷,很多情況下都與夾雜物有關;夾雜物往往造成產品中出現孔隙,這種孔隙能夠引起裂紋;大型夾雜物還可以引起如表面質量降低、拋光性變差、線性缺陷和分層等產品缺陷。因此,鋼的潔凈度是一個廣受關注的論題,人們進行了大量的研究和報道。盡管采取了各種措施來提高鋼水的潔凈度,但鋼中總是不可避免地存在著一定數量的非金屬夾雜物。因此,研究鋼中非金屬夾雜物在軋制過程中的變形行為,用以指導冷軋生產,降低夾雜物對表面質量的危害,具有十分重要的意義。浙江至德鋼業有限公司以304不銹鋼為研究對象,在分析板坯中夾雜物形態和成分的基礎上,研究其在冷軋過程中的變形行為,用以指導生產,降低冷軋產品的缺陷率。

一、試驗材料及方法

    試驗材料為304不銹鋼熱軋板,取自工業生產的1250mm×3mm熱軋卷,共選取了9個爐次的坯料,從板坯中心位置取樣,如圖所示。

　將取下的板坯從邊部沿軋向切下寬約10mm的坯料,再剪成10mm×15mm的金相試樣6塊,備用。將切去寬10mm后的板坯切為3塊寬約50mm的板坯,進行噴砂處理,除去表面的氧化皮,然后分別冷軋到1.8,1.0和0.5mm。分別從冷軋后3塊不同厚度的板坯中沿軋向切下寬約10mm的坯料,剪成15mm×10mm的金相試樣12到18塊,備用。將不同軋制壓下量的金相試樣沿軋向進行鑲嵌,打磨,拋光。利用掃描電鏡觀察熱軋板坯中夾雜物的形貌,并進行夾雜物的成分組成分析。利用金相顯微鏡進行不同厚度冷軋板坯中夾雜物形貌的觀察,利用測量目鏡對夾雜物尺寸(長度和寬度)進行測量,每個試樣(對應著不同板卷號和不同的冷軋壓下量)觀察和測量30個隨機視場,記錄每個視場中所有夾雜物的長度和寬度,然后進行夾雜物尺寸和變形情況的統計分析。

二、試驗結果

   1.夾雜物類型

     圖是熱軋板坯中夾雜物的形貌,其成分組成的能譜分析見圖。由圖可以看出,夾雜物在熱軋過程中發生了明顯的變形,表明此類夾雜物具有一定的高溫塑性。由圖可知,該夾雜物是一類復合的氧化物,其主要組成為CaO-SiO2-MgO-Al2O3。這種復合氧化物是304不銹鋼中常見的一類夾雜物，浙江至德鋼業有限公司對這類夾雜物的特性進行了研究,認為其成分組成與保護渣接近,具有較好的延展性,這與圖反映的結果相一致。研究結果還表明,當這類復合夾雜物中Al2O3的含量超過20%時,夾雜物就會轉變為脆性,因為這時會形成球狀的MgO·Al2O3脆性夾雜物。能譜檢測結果表明,夾雜物中Al2O3含量明顯超過了20%。因此,雖然在熱軋過程中,夾雜物沿軋向延展,表現出了一定的高溫塑性,但在冷軋狀態下,有的甚至在熱軋時(取決于夾雜物中Al2O3的含量),就會表現為脆性夾雜物。圖是熱軋板坯中的一顆夾雜物,可以看出已經發生了破裂。

   2.夾雜物的變形

     圖是不同軋制壓下量的冷軋板中夾雜物尺寸的統計分析?？梢钥闯?在熱軋板坯中存在大于10μm的較大夾雜物,但數量較少,僅占總數的1.5%。以5～10μm的夾雜物為主,占68%。隨著冷軋壓下量的增加,大尺寸的夾雜物比例逐漸降低,小尺寸的夾雜物比例逐漸升高,在總壓下量為83%(厚度為0.5mm)的冷軋板中,尺寸小于5μm的夾雜物比例占76%。另外,除了熱軋板坯,其余3個厚度規格的冷軋板中均未發現大于10μm的夾雜物。圖給出了不同冷軋壓下量板中夾雜物的平均尺寸。由圖可知,本試驗熱軋板坯中夾雜物的平均尺寸較小,夾雜物的平均長度為4.48μm,平均截面積(平均長度與寬度的乘積)為12.52μm2。隨著冷軋壓下量的增加,板中夾雜物的平均尺寸也逐漸減小,在0.5mm厚的冷軋板中,夾雜物的平均長度和截面積分別僅為3.64μm和7.7μm2。

　由夾雜物的組成成分分析可知,試驗板坯中的夾雜物屬于脆性夾雜物,因此,在板坯冷軋過程中,夾雜物不會有明顯的延展變形。圖給出了不同壓下量下板坯中夾雜物平均長度和寬度的比值,可以看出,在冷軋過程中夾雜物的塑性變形較小,長寬比僅從1.71增加到1.87,這與前文分析的結果相吻合。

　由于板中夾雜物為脆性夾雜物,在冷軋過程中延展變形很小,因此,隨著冷軋壓下量的增加,夾雜物不斷被軋碎。圖是不同冷軋壓下量板中檢測到的夾雜物形貌,(a)～(d)分別對應3mm的熱軋板坯,1.8,1.0以及0.5mm冷軋板中出現的夾雜物形貌。由圖可以觀察到夾雜物在軋制過程中破裂至破碎的過程。軋制過程中,尺寸大的夾雜物受到的軋制應力大而優先破碎,隨著板厚度的減小,板中的夾雜物尺寸也在逐漸減小,從而使得小尺寸的夾雜物比例逐漸提高,與圖反映的結果相一致。由圖可知,1.8mm的冷軋板坯中未見大于10μm的夾雜物,說明大于10μm的夾雜物已經被軋碎在板坯中了,夾雜物的破碎對板坯的性能和表面質量都具有極大的危害性。因此,在本試驗條件下,如果熱軋板中含有大量尺寸超過10μm的脆性夾雜物,建議不作為原料生產厚度在1.8mm以下的冷軋板。

三、結論

  1. 本試驗分析的304不銹鋼板坯中夾雜物為CaO-SiO2-MgO-Al2O3復合氧化物,為脆性夾雜物。

   2.隨著冷軋壓下量的增加,由于脆性夾雜物的破碎,板坯中夾雜物的平均尺寸逐漸減小。

   3.本試驗條件下,如果熱軋板坯中含有大量大于10μm的脆性夾雜物,建議不作為生產1.8mm以下冷軋板的原料。