304不锈钢中的夹杂物及其冷轧变形行为分析

   非金属夹杂物是引起冷轧板坯表面缺陷的主要原因。分析了304不锈钢热轧板坯中非金属夹杂物的成分、形貌及尺寸。对304热轧板坯进行不同压下量的轧制,分析不同厚度冷轧板坯中的夹杂物形状和尺寸,研究非金属夹杂物在板坯冷轧过程中的变形行为。结果表明：304不锈钢热轧板坯中的夹杂物主要组成为CaO-SiO2-MgO-Al2O3的复合氧化物,为脆性夹杂物;冷轧过程中,夹杂物的塑性变形不明显,随着冷轧压下量的增加,大颗粒的夹杂物不断被轧碎,板坯中夹杂物的平均尺寸逐渐减小。

   影响不锈钢产品质量的因素很多,非金属夹杂物是其中重要的因素之一。研究表明:连铸板坯和热轧产品的缺陷,很多情况下都与夹杂物有关;夹杂物往往造成产品中出现孔隙,这种孔隙能够引起裂纹;大型夹杂物还可以引起如表面质量降低、抛光性变差、线性缺陷和分层等产品缺陷。因此,钢的洁净度是一个广受关注的论题,人们进行了大量的研究和报道。尽管采取了各种措施来提高钢水的洁净度,但钢中总是不可避免地存在着一定数量的非金属夹杂物。因此,研究钢中非金属夹杂物在轧制过程中的变形行为,用以指导冷轧生产,降低夹杂物对表面质量的危害,具有十分重要的意义。浙江至德钢业有限公司以304不锈钢为研究对象,在分析板坯中夹杂物形态和成分的基础上,研究其在冷轧过程中的变形行为,用以指导生产,降低冷轧产品的缺陷率。

一、试验材料及方法

    试验材料为304不锈钢热轧板,取自工业生产的1250mm×3mm热轧卷,共选取了9个炉次的坯料,从板坯中心位置取样,如图所示。

　将取下的板坯从边部沿轧向切下宽约10mm的坯料,再剪成10mm×15mm的金相试样6块,备用。将切去宽10mm后的板坯切为3块宽约50mm的板坯,进行喷砂处理,除去表面的氧化皮,然后分别冷轧到1.8,1.0和0.5mm。分别从冷轧后3块不同厚度的板坯中沿轧向切下宽约10mm的坯料,剪成15mm×10mm的金相试样12到18块,备用。将不同轧制压下量的金相试样沿轧向进行镶嵌,打磨,抛光。利用扫描电镜观察热轧板坯中夹杂物的形貌,并进行夹杂物的成分组成分析。利用金相显微镜进行不同厚度冷轧板坯中夹杂物形貌的观察,利用测量目镜对夹杂物尺寸(长度和宽度)进行测量,每个试样(对应着不同板卷号和不同的冷轧压下量)观察和测量30个随机视场,记录每个视场中所有夹杂物的长度和宽度,然后进行夹杂物尺寸和变形情况的统计分析。

二、试验结果

   1.夹杂物类型

     图是热轧板坯中夹杂物的形貌,其成分组成的能谱分析见图。由图可以看出,夹杂物在热轧过程中发生了明显的变形,表明此类夹杂物具有一定的高温塑性。由图可知,该夹杂物是一类复合的氧化物,其主要组成为CaO-SiO2-MgO-Al2O3。这种复合氧化物是304不锈钢中常见的一类夹杂物，浙江至德钢业有限公司对这类夹杂物的特性进行了研究,认为其成分组成与保护渣接近,具有较好的延展性,这与图反映的结果相一致。研究结果还表明,当这类复合夹杂物中Al2O3的含量超过20%时,夹杂物就会转变为脆性,因为这时会形成球状的MgO·Al2O3脆性夹杂物。能谱检测结果表明,夹杂物中Al2O3含量明显超过了20%。因此,虽然在热轧过程中,夹杂物沿轧向延展,表现出了一定的高温塑性,但在冷轧状态下,有的甚至在热轧时(取决于夹杂物中Al2O3的含量),就会表现为脆性夹杂物。图是热轧板坯中的一颗夹杂物,可以看出已经发生了破裂。

   2.夹杂物的变形

     图是不同轧制压下量的冷轧板中夹杂物尺寸的统计分析。可以看出,在热轧板坯中存在大于10μm的较大夹杂物,但数量较少,仅占总数的1.5%。以5～10μm的夹杂物为主,占68%。随着冷轧压下量的增加,大尺寸的夹杂物比例逐渐降低,小尺寸的夹杂物比例逐渐升高,在总压下量为83%(厚度为0.5mm)的冷轧板中,尺寸小于5μm的夹杂物比例占76%。另外,除了热轧板坯,其余3个厚度规格的冷轧板中均未发现大于10μm的夹杂物。图给出了不同冷轧压下量板中夹杂物的平均尺寸。由图可知,本试验热轧板坯中夹杂物的平均尺寸较小,夹杂物的平均长度为4.48μm,平均截面积(平均长度与宽度的乘积)为12.52μm2。随着冷轧压下量的增加,板中夹杂物的平均尺寸也逐渐减小,在0.5mm厚的冷轧板中,夹杂物的平均长度和截面积分别仅为3.64μm和7.7μm2。

　由夹杂物的组成成分分析可知,试验板坯中的夹杂物属于脆性夹杂物,因此,在板坯冷轧过程中,夹杂物不会有明显的延展变形。图给出了不同压下量下板坯中夹杂物平均长度和宽度的比值,可以看出,在冷轧过程中夹杂物的塑性变形较小,长宽比仅从1.71增加到1.87,这与前文分析的结果相吻合。

　由于板中夹杂物为脆性夹杂物,在冷轧过程中延展变形很小,因此,随着冷轧压下量的增加,夹杂物不断被轧碎。图是不同冷轧压下量板中检测到的夹杂物形貌,(a)～(d)分别对应3mm的热轧板坯,1.8,1.0以及0.5mm冷轧板中出现的夹杂物形貌。由图可以观察到夹杂物在轧制过程中破裂至破碎的过程。轧制过程中,尺寸大的夹杂物受到的轧制应力大而优先破碎,随着板厚度的减小,板中的夹杂物尺寸也在逐渐减小,从而使得小尺寸的夹杂物比例逐渐提高,与图反映的结果相一致。由图可知,1.8mm的冷轧板坯中未见大于10μm的夹杂物,说明大于10μm的夹杂物已经被轧碎在板坯中了,夹杂物的破碎对板坯的性能和表面质量都具有极大的危害性。因此,在本试验条件下,如果热轧板中含有大量尺寸超过10μm的脆性夹杂物,建议不作为原料生产厚度在1.8mm以下的冷轧板。

三、结论

  1. 本试验分析的304不锈钢板坯中夹杂物为CaO-SiO2-MgO-Al2O3复合氧化物,为脆性夹杂物。

   2.随着冷轧压下量的增加,由于脆性夹杂物的破碎,板坯中夹杂物的平均尺寸逐渐减小。

   3.本试验条件下,如果热轧板坯中含有大量大于10μm的脆性夹杂物,建议不作为生产1.8mm以下冷轧板的原料。