膨胀合金4J29生产过程的质量控制

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摘要：介绍了热轧、冷轧膨胀合金4j29钢带生产过程中的主要工艺参数及影响膨胀合金4J29钢带质量、性能的相关因素。并针对生产中常见的一些质量问题，提出了应采取的预防措施。

关键词:热轧冷轧膨胀合金4J29工艺参数产品质量影响因素

1 概况

膨胀合金4J29具有在-70℃至焊接温度之间为单相奥氏体组织，马氏体转变温度Ms低于-70℃，合金不含有易挥发的杂质元素，封接后在真空度状态不影响真空度，有良好的冲压、焊接性能，氧化处理后生成致密的氧化膜和基体结合牢固的特性，因此在电子工业及电真空工业中得到广泛应用。硬玻璃封接膨胀合金4J29在膨胀合金生产中产量为最大。

近年来用户除对4J29的性能要求提高外，对其表面质量的要求越来越高，为了适应市场要求，根据自身的设备条件，精密合金冷轧带钢厂摸索出了一套4J29定膨胀合金轧制工艺制度，产品质量满足了市场的需要。

精密合金冷轧带钢厂生产线主要由以下设备组成：半连续式重油加热炉、四辊可逆热轧机、8.2m2台车炉、修磨机、氨分解连续光亮退火机组、四辊可逆冷轧机、十二辊可逆冷式轧机、滚铣机、分剪机。

厚度≥1.0mm的冷态带钢，简要工艺流程：热轧开坯热处理酸洗修磨精整四辊可逆冷轧机冷初轧连续炉光亮退火滚铣刷料四辊可逆冷轧机冷精轧剪边分条。厚度≤1.0mm的软钛钢带，冷轧卷剪边连续炉光亮退火滚铣刷料十二辊可逆冷式轧机连续炉光亮退火剪边分条检验包装入库。

本文根据工艺流程对影响热轧、冷轧膨胀合金4J29钢带质量和性能的因素进行分析。

2 热轧

热轧开坯工序由半连续式重油加热炉、四辊可逆热轧带坯机组成。

带坯加热工艺制度：4J29入炉温度＜800℃，加热温度1180~1200℃，预热时间30~40min，保温时间＜10min，开轧温度＞1160℃，终轧温度＞900℃，终轧后空冷。

轧机选用四辊可逆热轧带坯机，最大轧速180m/min,工作辊规格：φ180~195×450mm，支持辊规格：φ415~435×450mm允许最大轧制力1568KN，轧制所用坯料规格：30~40×70~320×800~1200mm，轧制成品规格：3.0~10×70~320×2000~6000mm。

轧制工艺：40352923181410864.5mm，总变形量88.75%，9个道次。

热轧带卷的质量在很大程度上影响着冷轧产品的最终质量。

锻钢锻造修磨后的板坯经半连续式重油加热炉加热，严格执行带坯加热工艺制度，保温区要勤翻钢，防止产生过热或钢坯加热温度不均匀缺陷。加热过程中炉内气氛应保持正压，减少氧化，要勤调风量、油量。严谨重油，直接喷到钢坯上，避免发生局部过热或过烧现象。

加热后的带坯经四辊可逆式热轧机热轧。四辊可逆式热轧机为了确保热轧带坯表面质量，操作要求如下：

工作辊质量应一班一换，轧制过程中因工作辊表面损坏造成带坯表面产生缺陷时要及时换工作辊，支持辊的表面质量应逐班检查，支持辊表面缺陷应及时磨削。前后导位宽度一般比带坯最终宽度大10~15mm。轧制过程中带坯产生镰刀弯，如因坯料尺寸，温度不均匀造成时，下一道次应翻钢轧制；如因左右压下不一致时，要及时调整，确保热轧带坯平直。

四辊可逆热轧开坯机易出现的表面质量问题：①气皮是由于锻钢锻造后板坯表面裂纹未修磨干净，要求锻钢修磨必须彻底清除板坯表面裂纹。②裂边是由于带坯边部过热、过烧，板坯在半连续重油加热炉加热温度过高，生产中必须严格执行板坯加热工艺制度。③氧化皮压入是由于加热时间过长。加热过程中严格保温时间，不能过长或过短。④辊包、粘辊、掉渣是由于工作辊表面损坏，发现后及时更换工作辊。⑤划伤，导位宽度不合适，调整导位宽度。

4J29在冷轧带钢厂的表面缺陷90%来自半连续式重油加热炉和四辊可逆热轧开坯机，这一工序对4J29的表面质量起着决定性的作用。

3 热处理、酸洗

3.1 钢带热处理工艺参数：热轧开坯完的钢带采用8.2m2台车炉热处理退火，退火最高工作温度1000℃。热处理工艺制度：4J29加热温度900~920℃，保温2~3h，空冷冷却。

3.2 热处理后的钢带经碱浸、水淬、三酸洗、高压水冲洗、中和去除热加工氧化皮。碱液配比（重量百分比）：NaOH80%，NaNO320%。用重油加热至熔融状态，碱液温度480~540℃。三酸酸洗液配比：H2SO4250~300g/L、NaNO340~50g/L、NaCL30~40g/L，用蒸汽加热，酸洗液温度65~80℃。中和溶液配比：Na2CO33.5~5.0g/L、NaNO33~4.5g/L，用蒸汽加热，中和溶液温度≥90℃。钢带碱浸、酸洗前要逐支松卷、卷层间不能有相互粘贴现象。碱浸钢带时，钢带必须全部被碱液浸没，以保证碱液与氧化皮充分反应，使氧化皮充分疏松易于氧化皮在三酸中被洗掉。酸洗时严防钢带“贴脸”，带钢酸洗后，应无氧化皮、氧化膜，表面呈金属本色。不允许出现过酸的针眼状缺陷存在。钢带酸洗后应马上经＞0.304Mpa（3atm）的高压水冲洗，随后放入清水槽中进行水洗。

4 修磨

针对热轧开坯、热处理、酸洗产生的缺陷，要在本工序予以清除，同时焊接成卷，供给冷轧机轧制半成品、成品带材。

工艺流程：开头矫直水磨干抛切头焊接冲洗烘干打卷。

酸洗过的钢带经开卷、水磨、干抛光、等离子焊接、打卷形成初轧钢卷。水磨机砂轮转数1470r/min，砂轮粒度：100~120，砂轮材质：树脂或粘土结合剂的砂轮。砂轮的宽度一般大于或等于钢带宽度3~5mm。钢带每面水磨次数应≥4次，直至钢带表面粗糙度达到Ra=2~3μm，表面没有划伤、裂纹、起皮等缺陷。水磨的原则是多道次小压下轻磨，强行压下修磨易于把砂轮面压入钢带表面，影响钢带表面质量。经水磨后，个别钢带仍存在局部缺陷，采用手把砂轮清除，该类局部缺陷指凹坑、重皮、严重划伤，局部修磨后，应圆滑过渡，不能形成新的凹坑和产生新的类似划伤的缺陷。

作为表面质量要求高的膨胀合金4J29带钢产品，水磨后应经抛光机干抛。干抛必须整面彻底抛两遍，抛后的4J29表面如镜面。

焊接前，将待焊的钢带压牢，对好焊缝，力争焊后各支钢带相对平直，防止因焊缝没有对好产生侧弯，并清除焊缝处油污。焊接时焊口不得出现缺口、漏焊、虚焊以免造成后工序冷轧断带。

对于已修磨的钢带，能否生产出合乎标准的成品带材，关键是修磨把所有前工序的缺陷能否彻底清除。对一批4J29冷态成品做实验，紧把修磨工序表面质量关到成品成材率如表1：

成品率为75.63%，比计划71%提高了4.63%。

5 冷轧

影响冷轧钢带表面质量、性能主要因素有：轧制面、轧制速度、轧制道次、压下率、乳化液、轧辊材质及表面精度等。

轧机选用四辊可逆冷轧机，最大轧速90m/min,工作辊规格：φ175~190×500mm，支持辊规格：φ430~450×500mm允许最大轧制力2940KN，实测为2254KN。轧制所用坯料规格：2.5~6.0mm×100~320mm，轧制成品规格：0.35~3.0mm×100~300mm。

十二辊可逆冷式轧机，工作辊规格：φ36~43×350mm，中间传动支持辊规格：φ45.5~50×301mm，外支持辊规格：φ120×80mm，最大轧速90m/min, 轧制所用坯料规格：＜0.6mm×60~270mm，轧制成品规格：0.05~0.3mm×60~270mm。

5.1 中间轧程和成品轧程轧制时原轧制的下表面需改为本次轧制的上表面上料，便于去掉上次轧制时产生的表面缺陷。

5.2 轧制速度越高，轧后钢带表面粗糙度越大。

5.3 轧制道次越多，钢带表面粗糙度越小，表面越光洁；为了提高表面质量和尺寸公差精确度，允许适当增加道次。例如：由1.2mm厚钢带轧制到0.4mm厚轧制了7个道次。

5.4 压下率越大，冷轧钢带表面粗糙度越小，膨胀合金4J29压下率≥72%时产生冷轧织构，冲压成型时晶体延着一定方向取向，延一定方向产生制耳，这样的冲压零件若和陶瓷封接时，金属体本身会发生开裂。如果冷变形量过小（例如30%），材料处于临界变形状态，退火后生成粗大再结晶晶粒。因此成品轧程变形量最好控制为65%以内。由于膨胀合金的交货公差均为负公差，轧制时尺寸控制一定要在负公差带的中线进行控制。

5.5 乳化液粘度越大，钢带表面粗糙度越大，在冷轧中要求乳化液具有很高的工艺冷润性能、化学稳定性、易于从钢带表面去除；要根据月生产量和污染程度及时更换，不得凑合使用。严格执行乳化液配法：煤油84%，三乙醇胺6%，油酸10%，溶液：水=1:2，配溶液温度≥40℃。

5.6 工作辊表面粗糙度越小、越光洁，则钢带表面粗糙度越小。冷轧膨胀合金4J29轧辊材质采用滚动轴承9Cr2，为了获得高质量表面的带材，要求轧辊表面有最高的光洁度。一般工作辊为Ra=0.025~0.100μm，支撑辊为Ra=0.100~0.40μm。工作辊硬度为HRC63~67，支撑辊硬度为HRC58~62。为了减少从支撑辊表面传给工作辊的各种缺陷，一般支撑辊硬度比工作辊低15~20%。另外，同一根轧辊的硬度差应小于2HRC。

5.7 半成品、成品一律要垫纸。如果重卷下料时，要在重卷时垫纸。

钢带轧制中常见的表面缺陷：压入、划伤和勒伤、辊印和压痕、起皮和掉渣；板形缺陷：单边浪、镰刀弯、双边浪、瓢曲、斜波纹、振纹；轧辊问题的产生及消除方法。

5.7.1 压入是带坯表面受到污染，上料夹子、卷筒、导轨、夹送辊上有污物、布毛所致。

5.7.2 勒伤是倒料上卷时张力过小，带卷较松，在给定张力时带卷各圈之间产生相互的错动造成的紧卷划伤，轧制倒料时夹板要求干净夹紧、钢带卷要求垫纸即可。划伤为倒料时导辊不动所致。

5.7.3 轧辊本身淬火不均匀造成的软点在轧制带材表面反应出来的周期性的鼓包形成辊印、轧制中带材严重跑偏产生硌辊后继续轧制在带材表面反应出来的周期性的压痕。发现辊印只有立即换辊重磨。

5.7.4 冶炼过程中吸气过多且弥散分布，在冷轧过程中气泡破裂造成。掉渣在冷态膨胀合金4J29表现较多，是由于带坯加热过程中局部过热、过烧造成的。

5.7.5 轧制中轧机两边压下不均匀或坯料厚度不均产生单边浪，轻微时产生镰刀弯。

5.7.6 双边浪主要是带材横向变形不均匀，两边的压下大于中间的造成的，主要原因轧辊无凸度或凸度值小。调节凸度机构或增加轧辊的凸度便可消除双边浪。

5.7.7 瓢曲主要是带材横向变形不均匀，中部的压下大于边部造成的，严重的瓢曲会形成带材中部波浪，主要原因轧辊凸度选用过大、坯料中部厚度较大、轧辊中部温升大等。调节凸度机构或减少轧辊的凸度便可消除双瓢曲。

5.7.8 斜波纹是由于轧辊凸度过大或前张力小、轧辊系统不稳定、带材的振动造成斜波纹。加大压下量和增大张力可使此种缺陷消除或改善。

5.7.9 振纹是由于4J29软态时σb≤570MPa质软，压下量大时轧辊会发生颤动，使带材的表面出现横向条纹。消除的办法是减少压下和后张力，增加前张力。

5.7.10 轧辊磨削时进给量要避免突然吃刀和大的进给量，以防止轧辊过热或烧裂，轧制时形成辊印影响钢带表面质量。走刀痕迹的产生，一般是由于床子本身精度差或横动机构有缺陷造成的。砂轮硬度不均也会产生这一缺陷。振纹一般不易发现，只有在轧辊旋转时或从轧出带材的表面可以看出。造成振纹的主要原因有：磨床本身的动态刚性不够，动作不准确，轧辊本身振动或支架不稳，以及外部振动等。

确定合理的换辊周期，对工作辊需细心研磨、检查，防止波纹、螺旋线、辊棱、划伤和麻点。

6 光亮退火

光亮退火采用保护气氛以防止或减少合金在高温退火时的氧化，用于表面要求高的带材的中间退火或软状态交货的成品带材退火，是膨胀合金4J29带钢生产极为重要的环节。中间退火消除冷轧中产生的加工硬化，提高金属塑性，降低变形抗力，以利后续加工。成品退火的目的是控制产品的最终性能，保证符合国家技术标准，满足用户要求。精密合金冷轧带钢厂采用350mm保护气氛光亮退火机组进行半成品软化退火和成品退火。半成品退火后进行清刷、成品退火后即进行分条。

6.1 热处理工艺制度 膨胀合金4J29半成品加热温度1050℃，成品加热温度950℃，材料厚度和运行速度见表2。生产线的机械设备线速度最大15m/min。

6.2 保护气氛控制 光亮退火工作气氛氨分解气氛75%的氢气和25%氮气混合气体，氨分解气体最大消耗45m3/h，氨分解气体露点≤-60℃，氨分解气体残氧≤10ppm，氨分解气体残氨≤5ppm。

6.3 张力、钢带出炉温度 光亮退火炉加热区张力78~2695N，钢带出炉温度≤90℃。

6.4 清洗除油 钢带经过除油剂清洗机，漂洗机，空气干燥机去除钢带表面油污干燥后进入加热室保温室热处理。

上料时一定使带卷中心与生产线中心成一条直线，防止生产中钢带跑偏。

6.5 半成品软化退火后必须进行清刷，以提高带钢的表面质量，清刷刷子采用钢丝刷，必须正反面刷2便经常检查保证钢带表面清刷均匀，严格防止张力紧卷划伤。

6.6 成品分剪时严防钢带运动时表面划伤，对刀要准确毛刺小，张力合适必须垫纸。精确调整刀片的间隙量和重叠量，保证分条的毛刺、侧弯和板形符合标准要求。

7 结论

经过多年的生产实践得出，膨胀合金4J29由于钢带材质较软，表面质量问题一直是生产过程质量控制的重点。对于厚度1.0mm~1.5mm的冷态钢带易于出现表面掉渣，异物压入，同板差超差现象。对于厚度0.2mm~1.0mm的钢带易于出现异物压入后形成的色斑。

从整个生产流程来看，各工序会产生各式各样的缺陷。热轧是产生90%表面缺陷的主要工序，因此热轧是生产过程质量控制重点工序。修磨精整、清刷是提高钢带表面关键工序。

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