1215MS易切削鋼盤條的表面缺陷及其預防措施

鄒 虎 趙文淵 趙滿堂 林作津

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽蕪湖 214000）

易切削鋼被廣泛用于制造精密儀器零件、汽車零件等機械零件［1-3］。目前，國內應用最廣泛的易切削鋼為硫系1215MS鋼。1215MS易切削鋼含硫量較高，熱脆敏感性大，如果軋制溫度低，鋼中產生的共晶化合物（Fe-FeS）處于熔融狀態，易導致軋件劈頭開裂；如軋制溫度過高，會導致盤條表面氧化鐵皮過厚，在后續拉拔過程中難以被完全去除，所加工的銀亮棒表面將出現黑斑缺陷。另外，1215MS易切削鋼盤條表面易出現結疤缺陷，甚至會因此而報廢，造成經濟損失。

本文對1215MS易切削鋼盤條表面的氧化鐵皮和結疤進行了宏觀和微觀檢驗，分析了產生該缺陷的原因，并采取了相應的改進措施，解決了盤條表面產生缺陷的問題。

1 易切削鋼的生產工藝

某廠生產的1215MS易切削鋼的化學成分如表1所示。其生產工藝流程為轉爐→LF爐精煉→180 mm×180 mm連鑄坯（十機十流）→鑄坯檢查→鑄坯加熱（步進梁式加熱爐）→高壓水除磷→摩根第Ⅳ代軋機軋制→吐絲→斯太爾摩110 m風冷線→打包→稱重、標識→入庫。

表1 1215MS易切削鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of 1215MS free cutting steel（mass fraction） %

1215MS易切削鋼的開裂傾向大，為防止軋制過程中軋件劈頭、開裂，需采用“高溫快軋”工藝。連鑄坯加熱工藝為：一段加熱溫度800～900℃，二段加熱溫度1 000～1 200℃，均熱溫度1 200～1 250℃；在爐時間不少于180 min，均熱段停留時間不少于30 min。

2 分析與討論

2.1 氧化鐵皮形貌及厚度

采用原工藝熱軋的1215MS易切削鋼φ16 mm盤條如圖1（a）所示，氧化鐵皮呈青灰色，部分與基體結合緊密，部分蓬松易脫落。在光學顯微鏡下觀察，氧化鐵皮厚度達43.09 μm，如圖1（b）所示。

圖1 有氧化皮的1215MS易切削鋼盤條（a）及其氧化皮的微觀形貌（b）Fig.1 1215MS free cutting steel wire rod with oxide scale（a）and micrograph of oxide scale on it（b）

根據純鐵的氧化過程，在700～1 250℃，盤條表面氧化鐵皮由氧化亞鐵（FeO）內層、四氧化三鐵（Fe3O4）中間層和高價氧化鐵（Fe2O3）外層組成［4］。由于FeO、Fe3O4和Fe2O3中Fe離子的價態逐漸上升，其化學穩定性及結構穩定性也逐漸提高［5］。FeO 的破壞應力約為0.4 MPa，Fe3O4的破壞應力約為40 MPa，Fe2O3的破壞應力約為10 MPa，即FeO具有良好的塑性變形性能，FeO越厚，氧化鐵皮越易去除［6］。此外，過厚的氧化鐵皮與基體的結合強度過高，不易在彎曲過程中剝落。因此，既需減小盤條表面氧化鐵皮的厚度又需增加內層氧化鐵皮（FeO）的厚度。

2.2 結疤形貌及形成原因

盤條表面結疤是盤條表面粘結硬質金屬而形成的疤皮，一般呈舌頭或指甲狀，其空而厚的一端與線材基體相連，有時是封閉的。圖2（a）為帶有結疤缺陷的易切削鋼盤條，結疤呈指甲狀，周圍有紅銹，分布無規律。結疤截面的微觀形貌如圖2（b）所示，可以看出，結疤與基體之間有間隙，間隙兩側的晶粒大小有差異，一側與基體基本相同，另一側晶粒明顯粗大，有輕微脫碳，說明該結疤源于鑄坯缺陷。

圖2 有結疤的1215MS易切削鋼盤條（a）及其結疤的微觀形貌（b）Fig.2 1215MS free cutting steel wire rod with scab（a）and micrograph of scab on it（b）

為找到鑄坯的表面缺陷，檢驗了1215MS鋼連鑄坯的低倍形貌和表面質量，結果發現，部分鑄坯表面有深振痕（如圖3（a）所示）和角部橫裂缺陷（如圖3（b）所示）。但通過對中間包水口浸入深度、結晶器冷卻強度及振動臺參數等進行調整，未能消除該缺陷。因此鑄坯表面缺陷很可能是結晶器保護渣性能與鋼種特性不匹配所致。

圖3 鑄坯表面的深振痕（a）和橫向角部裂紋（b）Fig.3 Deep vibration marks（a）and transverse corner cracks（b）on the surface of cast slab

3 工藝改進及效果

3.1 熱軋工藝

在從鑄坯加熱到粗軋、精軋直至卷取及其后的冷卻過程中，軋件均會發生氧化。軋件在不同階段形成的氧化鐵皮可分為3種：鑄坯在加熱爐內生成的“一次氧化鐵皮”，在粗軋過程中和粗軋后生成的“二次氧化鐵皮”，以及精軋過程和卷取過程中生成的“三次氧化鐵皮”。三次氧化鐵皮對盤條表面最終氧化皮的顏色和厚度均有影響［7］。在軋后冷卻設備固定的情況下，三次氧化鐵皮的厚度主要取決于吐絲溫度。

在不同溫度條件下，軋件表面生成三次氧化鐵皮的成分不同，低于900℃形成的氧化層主要是FeO，并有少量Fe3O4，沒有Fe2O3；高于900℃，隨著溫度的升高，氧化層中FeO減少，Fe3O4增多，并生成Fe2O3，氧化層增厚［8-10］。因此，盤條的吐絲溫度應低于900℃。

首鋼技術研究院制定了不同斯太爾摩風冷線的冷卻工藝，檢測了普碳鋼表面氧化鐵皮的厚度，得出盤條表面溫度低于700℃時，生成的氧化鐵皮極少；高于1 000℃時，氧化鐵皮快速增厚［11］。因此，應使斯太爾摩風冷線的盤條表面溫度迅速降低至700℃以下。

對1215MS易切削鋼的熱軋工藝進行優化，即降低始軋溫度和調節水箱水量，以降低吐絲溫度，并開啟保溫罩及風機，以增加吐絲后盤條的冷卻速度。原來的和改進后的熱軋工藝如表2所示。

表2 1215MS鋼盤條原來的和改進的熱軋工藝Table 2 Original and improved hot-rolling processes for the 1215MS steel wire rod

軋制后采用優化工藝冷卻的易切削鋼盤條表面氧化鐵皮明顯減薄，如圖4所示。從圖4（a）可以看出，盤條表面氧化鐵皮薄且致密，呈青亮色；從圖4（b）可以看出，氧化鐵皮減薄到了13.54 μm，且連續均勻。生產實踐表明，用表面氧化鐵皮厚度小于15 μm的易切削鋼盤條軋制的銀亮棒無黑斑缺陷。

圖4 熱軋工藝改進后有氧化皮的1215MS易切削鋼盤條（a）及其氧化皮的微觀形貌（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 結晶器保護渣

連鑄過程中保護渣的作用是絕熱保溫、防止鋼液二次氧化、吸收非金屬夾雜物、均勻傳熱和改善鑄坯潤滑條件，對提高鑄坯的質量十分重要［12］。1215MS易切削鋼中氧、硫含量高，鋼水在結晶器彎月面易形成FeO、FeS膜，致使鋼-渣界面張力減小，鋼-渣難以分離，連鑄時結晶器內保護渣易結團成絮狀，使鑄坯表面產生深振痕、角部橫裂等缺陷。

高黏度保護渣能更好地吸附在鑄坯表面，改善傳熱效果，渣耗減少，流動性變差，振痕變寬，在結晶器振動周期內保護渣渣道的壓力減小，振痕減少［13-14］。另外，提高保護渣堿度，采用還原性保護渣，增加保護渣吸收鋼-渣界面FeS和FeO的數量，降低彎月面鋼液及初生凝固殼的［S］、［O］含量，增大鋼液表面張力，從而增大鋼-渣界面張力，有利于鋼-渣分離。因此，為了提高易切削鋼鑄坯的表面質量，應采用高黏度高堿度的還原性保護渣，其具體理化性能如表3所示。

表3 易切削鋼用結晶器保護渣的成分、熔點和黏度Table 3 Composition，melting point and viscosity of the mold flux for the free cutting steel

采用改進的結晶器保護渣連鑄生產易切削鋼鑄坯，拋丸和酸洗后的鑄坯如圖5所示，表面深振痕和角部橫裂缺陷已消除。用該鑄坯軋制的盤條表面質量良好，無結疤。

圖5 拋丸（a）和酸洗（b）后的易切削鋼鑄坯Fig.5 Cast slabs of free cutting steel after shot blasting （a）and pickling（b）

4 結論

（1）1215MS易切削鋼盤條表面的厚氧化鐵皮和結疤缺陷分別是熱軋工藝不當和結晶器保護渣不匹配所致。

（2）通過改進熱軋工藝，即將始軋溫度定為（1 150±10）℃、吐絲溫度定為（850 ±15）℃、開啟保溫罩和前8架風機，熱軋后盤條表面的氧化鐵皮可減薄至15 μm以下，從而消除了用易切削鋼盤條加工的銀亮棒的黑斑缺陷。

（3）采用1 300 ℃黏度為0.82 Pa·s、堿度為0.80、熔點為1 295℃的高黏度高堿度還原性保護渣后，1215MS易切削鋼鑄坯表面質量良好，軋制后盤條表面無結疤缺陷。