发纹(hair crake)是指钢的一种宏观缺陷。指钢的塔形车削试样经酸蚀法或磁粉法显示出的、呈纵向分布的细小纹缕。它是钢中夹杂或气泡、疏松等在钢的加工变形过程中沿锻轧方向被延伸所致。发纹严重地危害着钢的力学性能，特别是疲劳强度等。用于制造重要机件的钢材，对发纹的数量、大小和分布状态都有严格的限制。

金属表面发纹缺陷是材料萌发破断的诱因之一。高锰钢板次表面的发纹深度浅、长度短、宽度细窄、疏密度不一且不规则分布于整张钢板的次表面。人工检验能偶然看到个别发纹, 却无法发现整张钢板布满发纹缺陷的现象。

高锰钢的主要化学成分为:wC:1% ～1.25%, wSi:0.15% ～ 0.45%, wMn:12% ～ 14%。该钢在加工过程中产生的硬化层具有较高的抗冲击疲劳性能和抗磨损性能, 因此能提高材料表面的耐磨性。采用不同生产工艺处理和加工的耐磨钢, 其硬化层深度可以达到10 ～ 20 mm,甚至更深。高锰钢的wMn /wC比为7.5 ～ 8.5, 可稳定获得单相奥氏体组织, 因而具有较好的硬度和韧性。特钢事业部生产的高锰钢板主要应用于液态流体容器的制造。在设备制造过程中钢板需经裁剪、折弯和焊接加工成型, 对钢板表面有较高的质量要求。由于成型装备规格大小及用途不同, 因此, 钢厂提供的钢板厚度一般在10 ～ 50 mm之间。本文通过对用户在使用钢板过程中多次发生冷折开裂情况的分析, 查找产生发纹缺陷的原因, 进而提出了应对措施。

1　生产工艺流程

特钢事业部的钢板生产流程为:冶炼—连铸坯—钢坯砂轮剥皮—转场—加热—轧制—钢板剪切—抛丸精整—检验—入库。

钢坯表面采用砂轮剥皮机进行深度为4 mm剥皮后, 对钢坯正、反面逐块检查, 合格钢坯进炉加热。轧制过程采用数学模型自动控制。热轧钢板剪切后, 对钢板正、反表面进行翻板检查, 合格品进行抛丸精整检验。

由于整个生产过程都处在微机控制状态, 对所有数据追溯检查的结果, 确认:未见生产异常。

2　缺陷的发现

钢板从轧制、抛丸到精整的全过程都处于受控状态。各检验工序均未发现钢板表面存在发纹缺陷, 但是, 在对钢板表面个别点状缺陷进行磨修的过程中, 发现边缘存在横向发纹。对钢板无缺陷部位用砂轮进行随意浅磨, 发现同冶炼炉号、不同轧制厚度的钢板表面存在横向发纹缺陷, 而且缺陷密度、深度不尽相同。

对2个规格的钢板缺陷部位取样, 进行宏观、高倍、电镜及能谱检验分析, 测定缺陷深度, 检验材料的晶粒度。

高倍显微镜下发纹的最大深度为0.10 mm, 钢板基体组织为单相奥氏体, 晶粒度为8 ～ 8.5级, 发纹内部存在一次、二次氧化物。能谱分析结果表明:发纹周围浅表面的点状缺陷为氧化铝夹杂偏聚, 夹杂物能谱分析结果。

由此分析, 表层点状分布的氧化铝夹杂可能是表面发纹产生原因之一, 这与连铸坯表面缺陷磨修不净, 残存细微裂纹, 经轧制后形成发纹有关。

1　钢板表面特点及缺陷定性

金属表面包括三个薄层:加工应变层、氧化层和吸附层。在这三层下面才是真正意义上的金属, 即钢的基体。钢板经人工检验无法发现表面发纹, 是由于发纹产生在钢板表面加工应变层与钢基体之间的缘故。由于加工方法不同, 应变层厚度在几个或数十个原子层之间, 用粗砂纸对钢板表面打磨后发纹明显暴露出来。根据发纹的深度、长度及处于钢板表面的位置, 横向裂纹定性为钢板的次表面发纹。

2　钢坯质量与缺陷的关系

高倍检验发现发纹中有一次氧化物存在, 这与铸坯表面缺陷清除不彻底有关。修磨后钢坯表面暴露出粗大柱状晶晶界, 加上枝晶成分偏析本来就是薄弱环节。经轧制后细小微裂纹的宽度、深度和长度略延展。钢板裂纹形貌与连铸坯柱状晶界形貌相比较为一致, 分析认为这是产生横向发纹的原因之一。

3　钢种特性与钢坯加热工艺

高锰钢导热系数比耐热钢和不锈钢低很多,线膨胀系数是碳素钢的近2倍。若加热和轧后冷却工艺处置不当, 易导致冷裂或热裂。现行高锰钢坯加热的在炉时间为300 ～ 360 min, 加热温度1 200℃。根据同炉号不同厚度产品表面无发纹的现状, 认为加热制度是合适的, 但是氧化性炉气易造成高锰钢表面脱碳、脱锰, 高锰钢表面脱锰的后果会因相变不完全而造成表层裂纹。高倍检验发现的二次氧化物可能与此有关。

4　钢种特性与轧制工艺

高锰钢层错能低, 扩展位错较宽, 难以束集进行交滑移。阻碍了位错的运动和产生, 限制了滑移进行。鉴于高锰钢导热系数低、线膨胀系数大及变形层错能低的特点, 结合钢板在轧制过程因调宽度的转钢轧制特性, 对发纹缺陷与轧制工艺的关系进行了以下分析。

连铸板坯在铸坯结晶过程中存在结晶流向。钢板轧制过程中转钢轧制的目的有两个:一是钢板调宽;二是改善金属材料的各向异性。钢坯以垂直于结晶流方向进入轧机进行调宽轧制与平行于结晶流进行延展轧制对金属内部组织的变化是不尽相同的。若第一道次压下量为25%时进行垂直于结晶流方向的调宽(宽展)轧制及以后连续进行3 ～ 5道次的调宽(宽展)轧制, 且达到总变形量的35%之后,再进行连续延展轧制到成品规格, 可能会造成浅层表面撕裂而形成发纹缺陷, 是否与不同取向的压延张力有关留待更深入的研究。这与高倍检验发现的二次氧化物是否有关还有待进一步认证。

5　热轧钢板轧后冷却与裂纹的关系

据统计, 按轧制材料号先后进行追溯, 产生发纹是有明显规律的。即同一规格限期轧制和收尾轧制的产品, 表面均存在发纹。厚板前期及收尾阶段缺陷量块数较少, 薄板的轧制头尾缺陷量块数则较多, 因此发纹的产生与热轧钢板的冷却速度有关。

1　钢坯质量改进

解决钢坯柱状晶晶界被氧化问题, 可通过增加连铸保护渣耗量来减轻钢液二次氧化和吸入气体的程度, 减少铸坯产生横裂的倾向。控制结晶器液面波动及将矫直辊水平度控制在合适的范围内, 防止连铸卷渣和产生矫直裂纹以改善铸坯表面质量。减少修磨量或者不修磨, 剥皮后钢坯涂刷耐高温涂料, 以免柱状晶暴露。

2　钢坯加热制度的完善

高锰钢导热系数低, 钢坯加热不能采用急火,加热不宜过快, 防止产生热应力裂纹。减缓钢坯在步进加热炉内的行进速度, 确保温度的均匀性。将加热氧化炉气改为烧中性或弱氧化性炉气, 降低产品表面脱碳、脱锰倾向。

3　轧制工艺的改进

供坯宽度尽可能接近产品终形宽度, 减少调宽轧制道次。热轧第一道次时尽可能进行延展轧制, 然后进行调宽与延展交替轧制;若第一道次必须进行调宽轧制时, 后续必须进行调宽与延展交替轧制。调宽与延展交替轧制的道次可视不同产品规格进行调整(视钢坯宽度及转钢装备允许宽度调整转钢), 也可2个道次调宽后进行1个道次延展。

4　高锰钢的轧后冷却

调整轧制厚、薄钢板的先后顺序。即先轧厚板, 中间轧制薄板, 后期再轧厚板或根据厚度批量进行厚、薄交替轧制, 以保证薄板在冷床及后续工位有一个相对缓冷的过程。

5　成品检验方法的完善

由于发纹存在于钢板次表面, 因此可用中等硬度的钢丝刷对钢板局部表面进行再清理检查,以快速发现发纹缺陷, 并避免砂轮打磨对钢板表面造成实质性损伤。

采用改进后的工艺批量生产数百吨高锰钢,对五种厚度规格(12 mm、16 mm、20 mm、25 mm、30 mm)的产品进行轧后检查, 效果明显, 未发现发纹缺陷, 达到了预期的效果。

钢坯质量、加热、热轧工艺及产品在线冷却等是高锰钢板次表面产生发纹缺陷的主要因素。通过对整个生产链上现行的工装条件、工序质量进行综合性调整:改善铸坯表面质量和冷坯的剥皮质量、调整加热炉炉气, 将加热氧化炉气改为烧中性或弱氧化性炉气、预热冷床及周围环境、控制转钢生产中调宽轧制的各道次压下量和频次, 提升了高锰钢板质量水平, 有效控制了发纹。