微碳鋼冷軋板暗斑缺陷的產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

劉韶華

(1.鋼鐵研究總院工藝所，北京 100081；2.四川機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

表面質(zhì)量是冷軋鋼板的重要質(zhì)量指標(biāo)，表面質(zhì)量控制技術(shù)是冷軋鋼板的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著汽車、家電等用戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，冷軋帶鋼表面質(zhì)量也越來越受到人們的重視，得到了更加深入的研究[2]。

為了滿足用戶對冷軋鋼板成形性能的要求，西南某鋼廠在傳統(tǒng)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)了微碳鋼板帶產(chǎn)品，將鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%左右降低到0.01%～0.03%，以降低該產(chǎn)品的屈服強度，進(jìn)一步提高斷后伸長率，使塑性應(yīng)變比r和應(yīng)變硬化指數(shù)n的平均值分別達(dá)到2.1和0.21，從而具有良好的沖壓成形性能。

但在生產(chǎn)的初期，采用微碳鋼生產(chǎn)的冷軋鋼板表面出現(xiàn)了側(cè)光下才能較明顯看到的暗斑缺陷，如圖1所示。曾認(rèn)為，該缺陷是壓入熱軋帶鋼表面的氧化鐵皮。但在優(yōu)化了酸洗及冷軋工藝后仍然不能避免[3]，而且出現(xiàn)暗斑缺陷的鋼板的比例高達(dá)14.98%，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

圖1 冷軋鋼板表面的雨點狀暗斑Fig.1 Raindrop- like dark spots on cold- rolled steel sheet

針對微碳冷軋鋼板表面的雨點狀暗斑問題，本文采用維氏硬度計、納米壓痕儀以及金相顯微鏡測定、分析了鋼板的硬度、表面形貌及顯微組織。在確保產(chǎn)品的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及應(yīng)變硬化指數(shù)n和塑性應(yīng)變比r值基本不變的條件下，采取了提高熱軋終軋溫度、降低卷取溫度的工藝措施[4]，使發(fā)生雨點狀缺陷的鋼板比例從14.98%降低到了0.42%，取得了良好的治理效果。

1 微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的檢測

如圖1所示，微碳冷軋鋼板表面的暗斑需在特定的光線(較暗光線)或特定角度(30°)下才可見到，其形貌如同雨水濺落后的形狀，沿軋制方向呈長條狀(約5 mm長、2 mm寬)，沿整個板面密排分布，無明顯觸感。鋼板上下表面均存在該缺陷，上表面較多[5]。

為了分析微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的產(chǎn)生原因，采用納米壓痕儀、金相顯微鏡以及維氏硬度計檢測、分析了有缺陷鋼板的表面硬度、表面形貌和顯微組織。

1.1 雨點狀暗斑形貌

采用Nano Indenter G200納米壓痕儀檢測了微碳冷軋鋼板雨點狀暗斑的形貌。在顯微鏡下缺陷部位和正常部位的形貌分別如圖2和圖3所示。對比可見，缺陷部位為面積較大的塊狀組織，周圍有少量的細(xì)小組織；而正常部位則為較均勻的小塊狀晶體組織。

對鋼板典型的暗斑部位和正常部位進(jìn)行納米壓痕三維掃描，結(jié)果如圖4所示。納米掃描取樣面積為100 μm×100 μm。

對比圖4(c)和圖4(d)可見，暗斑部位的大塊狀組織為一片凹陷區(qū),而白色組織周圍的黑色邊界則向上凸起。從圖中可見，暗斑部位的凹陷和凸起分布不均勻，而正常部位的凹陷和凸起分布均勻。此外，正常部位的粗糙度較暗斑部位的略大(正常部位的壓痕深度約為-4 315～5 836 nm，暗斑部位約為-3 871～4 562 nm)。

圖2 采用納米壓痕儀檢測的暗斑部位的顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of the dark spot detected by nano- indentation- meter

圖3 采用納米壓痕儀檢測的正常部位的顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of the normal positions detected by nano- indentation- meter

1.2 雨點狀暗斑的顯微組織

在圖1所示的雨點狀暗斑部位取樣，在做好缺陷標(biāo)記后制備成金相試樣，在金相顯微鏡下觀察缺陷部位和正常部位的顯微組織，結(jié)果見圖5。

從圖5可見，鋼板表面雨點狀暗斑部位為粗大的鐵素體晶粒，尺寸約100 μm，部分缺陷部位鐵素體晶粒甚至達(dá)到300 μm以上。而正常部位及鋼板試樣厚度方向的中心部位為均勻細(xì)小的鐵素體晶粒，尺寸為10～20 μm。

1.3 雨點狀暗斑的硬度

采用HVB- 30A硬度計測定了鋼板缺陷部位和正常部位的硬度，結(jié)果列于表1。可見，缺陷部位的硬度較正常部位低3～8 HV5。

2 分析討論

從微碳鋼板雨點狀暗斑缺陷的表面形貌、顯微組織及表面硬度的檢測結(jié)果可知[8]：(1)微碳鋼板表面雨點狀暗斑部位的組織為粗大的鐵素體晶粒。而鐵素體晶粒越大，硬度越低，在冷軋過程中容易變形，導(dǎo)致表面微觀凹陷。(2)根據(jù)該微碳鋼板冷軋后退火前發(fā)現(xiàn)有雨點狀暗斑的情況，分析表明，產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的原因是熱軋原料鋼卷(冷軋工序原料)表面存在粗大的鐵素體晶粒，這種粗大的鐵素體晶粒經(jīng)冷軋后拉長變形而呈雨點狀分布。(3)作為冷軋鋼板原料的熱軋帶鋼，在軋制過程中其表面溫度比中心低，而中心的變形程度低于表面。因此，正常情況下，熱軋帶鋼表面的組織要比中心部位細(xì)小。這種分布規(guī)律將遺傳到冷軋產(chǎn)品。但檢測結(jié)果表明，該微碳鋼冷軋鋼板雨點狀暗斑部位表面組織明顯較正常部位的粗大，也即熱軋帶鋼相應(yīng)部位的表面組織較正常部位的粗大，據(jù)此判斷，帶鋼的熱軋工藝制度不合理。根據(jù)熱軋帶鋼軋制及冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律[6- 7]，本文通過優(yōu)化熱軋帶鋼的終軋及卷取溫度來預(yù)防微碳鋼冷軋鋼板產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷。(4)表層暗斑處粗晶組織將會對后道生產(chǎn)工序和客戶使用帶來很不利的影響，也無法通過冷軋的后續(xù)工序消除。由于粗晶組織的形變不均勻，會嚴(yán)重影響板材的沖壓等成形性能，導(dǎo)致用戶產(chǎn)品表面出現(xiàn)橘皮狀缺陷，少數(shù)產(chǎn)品還會產(chǎn)生微裂紋。

圖5 鋼板缺陷部位和正常部位的顯微組織Fig.5 Microstructures in the defective and normal positions of the sheet

表1 鋼板缺陷和正常部位的硬度Table 1 Hardness values in the defective and normal positions of the sheet HV5

3 預(yù)防措施

根據(jù)上述分析，提出預(yù)防微碳鋼冷軋板表面雨點狀暗斑缺陷的工藝措施為[1]：(a)將帶鋼的熱軋終止溫度從890 ℃提高到910 ℃；(b)將卷取溫度從750 ℃降低到720 ℃。

3.1 工藝改進(jìn)效果

采用上述優(yōu)化工藝(終軋溫度910 ℃、卷取溫度720 ℃)，于2016年7月試生產(chǎn)了3輪98個熱軋卷，冷軋分(小)卷后檢驗289卷。

統(tǒng)計了2016年5月31日至7月20日間冷軋的8 928卷微碳冷軋鋼板中，按原熱軋工藝(原工藝)生產(chǎn)的鋼卷7 414卷，出現(xiàn)雨點狀暗斑缺陷的有1 104卷，質(zhì)量比例為14.98%；而熱軋工藝改進(jìn)后的試驗鋼卷289卷，出現(xiàn)雨點狀暗斑缺陷的有6卷，質(zhì)量比例為2.13%。

2016年5月31日至7月20日間冷軋的8 928卷微碳鋼冷軋鋼板質(zhì)量的統(tǒng)計結(jié)果見表2。從表2數(shù)據(jù)可見，采用改進(jìn)工藝試生產(chǎn)的鋼板的屈服強度比原工藝生產(chǎn)的鋼板提高了3.8 MPa(從174.4 MPa提高到178.2 MPa)，抗拉強度提高了3.7 MPa(從311.7 MPa提高到314 MPa)，斷后伸長率降低了0.2%(從42.2%降低到42.0%)。僅從以上力學(xué)性能看，提高帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度對產(chǎn)品性能的影響很小。

表2 原材料帶鋼熱軋工藝改進(jìn)前、后鋼板的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

在小批量試生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)工藝進(jìn)行了規(guī)模化生產(chǎn)試驗。從表3可見，在檢驗的66 012.57 t產(chǎn)品中，暗斑缺陷存在率為0.448%，因該缺陷而造成產(chǎn)品降級的降級率為0。而原工藝生產(chǎn)的5 526.6 t產(chǎn)品中，暗斑缺陷發(fā)生率達(dá)15.05%，降級率達(dá)1.59%。

從表4可見，帶鋼的軋制工藝改進(jìn)后生產(chǎn)的微碳鋼冷軋鋼板的屈服強度平均值提高了8 MPa，抗拉強度提高了2 MPa，斷后伸長率降低了0.5%，r值降低0.01，n值保持不變。

表3 原材料帶鋼熱軋工藝改進(jìn)前、后生產(chǎn)的鋼板雨點狀暗斑缺陷的統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 3 Statistical data of raindrop- like dark spot on the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

表4 原材料帶鋼熱軋工藝改進(jìn)前、后生產(chǎn)的鋼板的性能Table 4 Performances of the sheets produced before and after improving hot- rolling process for the strip steel as raw material

注：分子表示統(tǒng)計檢測卷性能的數(shù)值范圍，分母為平均值

4 結(jié)論

(1)冷軋微碳鋼板表面暗斑部位的組織明顯較正常部位粗大，表面硬度較正常部位低，是一種在特定的光線(較暗光線)或特定角度(傾斜約30°)方可見到的顯微凹陷。

(2)冷軋微碳鋼板表面產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的原因是，熱軋原料鋼卷(冷軋工序原料)表面存在粗大的鐵素體晶粒，該粗大的鐵素體晶粒在冷軋后被拉長變形而呈雨點狀。

(3)采取提高熱軋帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度的工藝措施，已成功地將產(chǎn)生雨點狀暗斑缺陷的微碳鋼冷軋鋼板的比例從15.05%降低到了0.45%，鋼板的缺陷降級率從1.59%降低到0。

(4)工業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，提高帶鋼的終軋溫度、降低卷取溫度對成品鋼板的使用性能影響極小。